Вихревое разделение частиц в потоке жидкости или газа

Введение

Метод удаления частиц из потока жидкости путем вихревого разделения

Циклоническое разделение – это метод удаления частиц из потока воздуха, газа или жидкости без использования фильтров, основанный на вихревом разделении. При удалении твердых частиц из жидкости используется гидроциклон, а из газа – газовый циклон. Эффекты вращения и гравитация используются для разделения смесей твердых и жидких веществ. Этот метод также может применяться для отделения мелких капель жидкости от газового потока. В цилиндрическом или коническом корпусе, называемом циклоном, создается высокоскоростной вращающийся (воздушный) поток. Воздух движется по спирали, начинаясь в верхней (широкой) части циклона и заканчиваясь в нижней (узкой) части, после чего выходит из циклона прямой струей через центр и вверх. Более крупные (плотные) частицы во вращающемся потоке обладают слишком большой инерцией, чтобы следовать по крутой траектории потока, поэтому они сталкиваются с внешней стенкой и затем оседают на дно циклона, где их можно удалить. В конической системе, по мере движения вращающегося потока к узкому концу циклона, радиус вращения потока уменьшается, что позволяет отделять все более мелкие частицы. Геометрия циклона в сочетании с объемным расходом определяет точку отсечения циклона. Это размер частицы, которая будет удалена из потока с 50% эффективностью. Частицы, превышающие точку отсечения, будут удаляться с большей эффективностью, а более мелкие – с меньшей, поскольку их отделение затруднено или они могут подвергаться повторному увлечению, когда воздушный вихрь меняет направление на противоположное, в сторону выхода. Альтернативная конструкция циклона использует вторичный воздушный поток внутри циклона для предотвращения удара собранных частиц о стенки и защиты их от абразивного износа. Основной воздушный поток, содержащий частицы, поступает снизу циклона и принудительно закручивается в спираль стационарными направляющими лопатками. Вторичный воздушный поток поступает сверху циклона и движется вниз к дну, перехватывая частицы из основного потока. Вторичный воздушный поток также позволяет монтировать устройство сбора частиц горизонтально, поскольку он направляет частицы в зону сбора и не полагается исключительно на гравитацию для выполнения этой функции. Крупномасштабные циклоны используются на лесопилках для удаления опилок из вытяжного воздуха. Циклоны также применяются на нефтеперерабатывающих заводах для разделения масел и газов, а в цементной промышленности – в качестве компонентов подогревателей печей. Циклоны все чаще используются в быту в качестве основной технологии в пылесосах без мешка и центральных пылесосных системах. Циклоны также используются в промышленных и профессиональных кухонных вытяжках для отделения жира от вытяжного воздуха. Для разделения частиц, переносимых воздухом, для последующего анализа используются более мелкие циклоны. Некоторые из них достаточно малы, чтобы их можно было носить, прикрепленными к одежде, и они используются для отделения респирабельных частиц для последующего анализа. Аналогичные сепараторы используются в нефтеперерабатывающей промышленности (например, при каталитическом крекинге) для быстрого отделения частиц катализатора от реагирующих газов и паров. Аналогичные устройства для разделения частиц или твердых веществ от жидкостей называются гидроциклонами или гидроклонами. Они могут использоваться для отделения твердых отходов от воды при очистке сточных вод и канализационных стоков.

Cyclonic separation is a method of removing particulates from an air, gas or liquid stream, without the use of filters, through vortex separation. When removing particulate matter from liquid, a hydrocyclone is used; while from gas, a gas cyclone is used. Rotational effects and gravity are used to separate mixtures of solids and fluids. The method can also be used to separate fine droplets of liquid from a gaseous stream. A high speed rotating (air)flow is established within a cylindrical or conical container called a cyclone. Air flows in a helical pattern, beginning at the top (wide end) of the cyclone and ending at the bottom (narrow) end before exiting the cyclone in a straight stream through the center of the cyclone and out the top. Larger (denser) particles in the rotating stream have too much inertia to follow the tight curve of the stream, and thus strike the outside wall, then fall to the bottom of the cyclone where they can be removed. In a conical system, as the rotating flow moves towards the narrow end of the cyclone, the rotational radius of the stream is reduced, thus separating smaller and smaller particles. The cyclone geometry, together with volumetric flow rate, defines the cut point of the cyclone. This is the size of particle that will be removed from the stream with a 50% efficiency. Particles larger than the cut point will be removed with a greater efficiency, and smaller particles with a lower efficiency as they separate with more difficulty or can be subject to re entrainment when the air vortex reverses direction to move in direction of the outlet. An alternative cyclone design uses a secondary air flow within the cyclone to keep the collected particles from striking the walls, to protect them from abrasion. The primary air flow containing the particulates enters from the bottom of the cyclone and is forced into spiral rotation by stationary spinner vanes. The secondary air flow enters from the top of the cyclone and moves downward toward the bottom, intercepting the particulate from the primary air. The secondary air flow also allows the collector to optionally be mounted horizontally, because it pushes the particulate toward the collection area, and does not rely solely on gravity to perform this function. Large scale cyclones are used in sawmills to remove sawdust from extracted air. Cyclones are also used in oil refineries to separate oils and gases, and in the cement industry as components of kiln preheaters. Cyclones are increasingly used in the household, as the core technology in bagless types of portable vacuum cleaners and central vacuum cleaners. Cyclones are also used in industrial and professional kitchen ventilation for separating the grease from the exhaust air in extraction hoods. Smaller cyclones are used to separate airborne particles for analysis. Some are small enough to be worn clipped to clothing, and are used to separate respirable particles for later analysis. Similar separators are used in the oil refining industry (e. g. for Fluid catalytic cracking) to achieve fast separation of the catalyst particles from the reacting gases and vapors. Analogous devices for separating particles or solids from liquids are called hydrocyclones or hydroclones. These may be used to separate solid waste from water in wastewater and sewage treatment.

Альтернативные модели

Вышеуказанные уравнения имеют ряд ограничений. Например, не учитывается геометрия сепаратора, предполагается, что частицы достигают стационарного состояния, а также игнорируется эффект инверсии вихря у основания циклона – все явления, которые вряд ли наблюдаются в циклоне при реальных рабочих условиях. Существуют более полные модели, так как многие авторы изучали поведение циклоновых сепараторов. Для типовых задач в технологических отраслях были разработаны упрощенные модели, позволяющие быстро проводить расчеты циклонов, хотя и с определенными ограничениями. Численное моделирование с применением вычислительной гидродинамики также широко используется для изучения поведения циклонов. Основным недостатком любой модели гидродинамики для циклоновых сепараторов является невозможность прогнозирования агломерации мелких частиц с более крупными, что существенно влияет на эффективность улавливания циклоном.