Разделение неоднородных систем в циклонах

Циклоны. Распространенными аппаратами для центробеж­ного разделения газовых суспензий являются циклоны. В нефтепереработ­ке циклоны применяют на установках каталитического и термического крекинга, при производстве технического углерода (сажи), сушке твердых материалов в потоке нагретых газов, измельчении, пневмотранспорте и др.

Циклоны широко используются для улавливания мелких частиц катализатора в реакторах и регенераторах установок каталитического крекинга с псевдоожнженным слоем катализатора.

Для этого применяют циклоны диаметром до 1600 мм, последовательно соединяя их в две или три ступени для лучшего улавливания катализатора; с этой же целью уменьшают диа­метр циклона второй или третьей ступени по сравнению с диаметром первой. Уловленный циклонами катализатор возвращают обратно в псевдоожиженнын слой.

На нижних концах стояков циклонов установлены клапаны (захлопки), которые от­крываются под давлением слоя катализатора в стояке и предотвращают проход паров по стояку в циклон. Для защиты от эрозии циклоны этих установок обычно футеруют изнутри износостойким бетоном.

Устройство и действие циклона рассмотрим на примере аппарата кон­струкции Научно-исследовательского института по санитарной и промыш­ленной очистке газа (НИИОгаз), представленного на рис. XIV-11. Запылен­ный газ поступает со скоростью 15÷25 м/с в цилиндроконический корпус циклона 3 по тангенциальному патрубку, расположенному под утлом 15° относительно горизонтали, и вращается в кольцевой щели между корпусом и центральной выхлопной трубой 2. При этом на частицы пыли или ка­пельки жидкости действует центробежная сила, и они движутся к стенке корпуса. Достигнув стенки, пыль скользит по ней вниз в бункер 4 (жид­кость стекает по стенке), а газ, совершив несколько оборотов, поворачи­вает вверх и уходит по центральной трубе. Внутри циклона возникают два вращательных потока — нисходящий на периферии и восходящий в цент­ральной части. Для преобразования вращательного движения очищенного газа в прямолинейное в верхней части циклона установлена камера очищенного газа в форме "улитки" 1.

Для хорошей работы циклона большое значение имеет его конструк­тивная форма и соотношение размеров. В НИИОгазе разработано несколь­ко моделей циклонов. В пределах каждой модели циклоны разных разме­ров геометрически подобны, все их конструктивные размеры выражены через один определяющий размер — диаметр корпуса D. Таким образом, при расчете циклона на заданную

производительность необходимо опреде­лить только его диаметр. В циклонах центробежная сила зависит от скорости вращения газа, в первом приближении равной скорости его входа в циклон, т.е. от объема газа и сечения вводного патрубка.

Рис. XIV-11. Конструкция циклона ЦН-15:

1 — камера очищенного газа в виде "улит­ки"; 2 — выхлопная труба; 3 — корпус; 4 — бункер;

5 — люк. Потоки: 1 — запы­ленный газ; II — очищенный газ; III — уловленные частицы

 

С ростом скорости газа степень его очистки в циклонах сначала рез­ко повышается, а затем почти перестает расти (рис. XIV-12) и в ряде случа­ев даже несколько снижается (пунктирная линия) вследствие интенсивного вихреобразования и уноса осажденной пыли.

 

Рис. XIV-12. Зависимость степени очистки и перепада давления от скорости газа в циклоне

 

Перепад давления в циклоне Др увеличивается пропорционально квадрату скорости газа. При выборе скорости газа в циклоне НИИОгаз рекомендует принимать значение Δр/ρ_г в пределах 55÷75 м, что позволяет при умеренном расходе энергии обеспе­чить сравнительно высокую степень очистки газа при его движении через циклон.

Под коэффициентом степени очистки η понимают отношение коли­чества пыли, уловленной в циклоне, G_yл к количеству пыли, поступившей в это же время в циклон, G_нач:

η =G_yл/G_нач·100.

Степень очистки газа в циклонах может составлять 65÷95 % и выше; конкретное ее значение зависит от фракционного состава пыли.

Для оценки работы циклона используют также коэффициент фракци­онной степени очистки η_фр. Он представляет собой отношение количества уловленной пыли данной фракции к количеству пыли той же фракции, поступившей в циклон за то же время:

η_фр =G_фр._yл /G_фр._нач·100.

Общая степень очистки газа может быть подсчитана по данным о фракционном составе пыли в газе и по фракционной степени очистки:

η = (η_фр1Ф₁ +η_фр2Ф₂+…+ η_{фр n} Ф _n )0,01

где n— число фракций пыли; η_фр1, η_фр2 … - коэффициенты фракционной

степени очистки газа в данном циклоне, %; Ф₁, Ф₂ ... — относительные количества пыли данных фракций (процентное содержание по отношению к общему количеству пыли).

В качестве примера на рис. XIV-13 приведены данные о фракционных коэффициентах степени очистки газа от пыли в циклоне ЦН-15 для неко­торого частного случая.

 

Рис. XIV-13. Зависимость коэффициента фракционной степени очистки газа в циклонах ЦН-15 от диаметра частиц d (при 0 = 600 мм, рч = 1930 кг/м3, Др/рг = = 75 м и начальной концентрации пы­ли 1,7 г/м3)

 

В геометрически подобных циклонах влияние сопротивлений всех ви­дов (местные и обуславливаемые трением) учитывают одним общим коэф­фициентом 𝞷, а вместо действительных скоростей газового потока на от­дельных участках циклона используют условную скорость W_yсл, равную отношению объема газа V _ц, проходящего через циклон, к его поперечному сечению π D ² /4.

Сопротивление циклона определяется из выражения

Δр = 𝞷 ρ_г (XIV.7)

Коэффициент сопротивления 𝞷, для циклонов стандартных конструк­ций находится в пределах от 75 до 300 в зависимости от модификации. Ди­аметр циклонов ЦН-15 НИИОгаза лежит в пределах 300÷1400 мм. В промы­шленности применяют также циклоны других конструкций диаметром до 4250 мм.

На основе уравнения (XIV.7) при выбранном значении Δр/ρ_г опреде­ляют условную скорость газа

W_усл = (XIV.8)

и при выбранном диаметре циклона находят секундную произво­дительность одного циклона V _ц:

V _ц = π D ² /4· W_ус.

При заданном общем секундном объеме V подлежащего очистке газа число параллельно работающих циклонов составит

п = V /V _ц .

Эффективность очистки газа в циклоне зависит от величины фактора разделения К_ц = W ² / gr, который может быть увеличен как за счет увеличения скорости W, так и за счет уменьшения радиуса г.

Как уже отмечалось выше, повышение скорости газа сопровождается значительным увеличением гидравлического сопротивления и поэтому в ряде случаев эффективность очистки повышают путем уменьшения диамет­ра циклона до 100÷250 мм, но тогда требуется параллельная работа десят­ков циклонов, так как пропускная способность каждого отдельного цикло­на невелика. В этом случае трудно объединить в параллельную группу де­сятки циклонов описанной выше формы. В промышленной практике для этих целей используется особая конструкция центробежных пылеуловите­лей — батарейные циклоны или мультициклоны.

Батарейный циклон представляет собой прямоугольную или цилиндрическую камеру с бункером для пыли. На рис. XIV-14 представлен батарейный циклон, состоящий из параллельно работающих циклонных элементов 2, смонтированных в общем корпусе 1 и закрепленных в двух трубных решетках 3 и 4. Каждый циклон оснащен закручивающим устройством в форме винтовой ленты 5 или лопастной розетки 6. Запыленный газ посту­пает в среднюю часть камеры и входит во все корпусы циклонов, парал­лельно, получая вращение благодаря винтовым лопастям. Осажденная в по­ле центробежной силы пыль спускается из всех корпусов циклонов в ниж­ний бункер, а очищенный газ, повернув вверх, выходит по выхлопным трубам, вновь соединяется в верхней части камеры и направляется дальше по назначению через выходной патрубок.

 

 

Рис. XIV-14. конструкция батарейного циклона:

а — продольный разрез; б — конструк­ции закручивающих устройств;

1—корпус; 2 — циклонные элементы; 3, 4 — трубные решетки; 5 — винтовая лента; в — лопастная розетка.

Потоки: I — запыленный газ; II — очищенный газ; I I I — уловленные частицы

 

В одной общей камере можно поместить примерно до 100—120 цик­лонных элементов. При большом их числе камеру разделяют вертикальны­ми стенками на параллельно работающие отсеки с самостоятельными вхо­дами и выходами газа и отдельными бункерами для пыли.

Расчет батарейных циклонов проводится аналогично расчету простых циклонов по уравнениям (XIV.7) и (XIV.8). Коэффициент сопротивления циклонных элементов, выполненных по нормалям НИИОгаза, составляет 65÷90. Конечное уравнение для батарейных циклонов запишется в виде

Задавшись диаметром корпусов, например 100, 150 или 200 мм, опре­деляют требуемое их число z.

Гидроциклоны. Циклоны, предназначенные для разделения жидких неоднородных систем (суспензий и нестойких эмульсий), называют гидро- циклонами. Они применяются для осветления жидкостей или обогащения суспензий, а также для разделения твердых частиц с различными размера­ми зерен. Гидроциклоны представляют собой цилиндроконический корпус с центральной выхлопной трубой, снабженной сверху тангенциально рас­положенным патрубком для ввода суспензии (нестойкой эмульсии), и прин­ципиально не отличаются от обычных циклонов.

На рис. XIV-15 представлены данные о фракционных коэффициентах степени очистки суспензий в гидроциклоне и тарельчатом сепараторе Аль­фа-Лав аль при различной его производительности.

                                                                               d , мкм

Рнс. XIV-15. Зависимость коэффици­ента фракционной степени очистки суспензии в гндроцнклоне и та­рельчатом сепараторе фирмы "Аль- фа-Лаваль" от диаметра частиц dr. 1—3 — тарельчатый сепаратор раз­личной производительности {1 — 60 м3/ч; 2 — 80 м3/ч; 3 — 100 м3/ч; 4 — гидроциклон)

 

Циклоны всех видов отличаются простотой конструкции и обслужива­ния, компактностью и низкой стоимостью. По сравнению с аппаратами, в которых отделение частиц пыли осуществляется под действием силы тяже­сти или инерционных сил, циклоны обеспечивают более высокую степень очистки газа и требуют меньших капитальных затрат.

К недостаткам циклонов следует отнести сравнительно большое гид­равлическое сопротивление, невысокую степень улавливания частиц разме­ром менее 10 мкм, истирание корпуса аппарата частицами пыли и чувстви­тельность к колебаниям нагрузки по газу.

 

Самостоятельно:

1. Электрическое осаждение и очистка газа

2. Инерционная и мокрая очистка газов

 

---

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 713; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!