CC BY
27УДК 66.045.1
МУЛЬТИЦИКЛОН. Хван В.С., Русинов Д.С.
ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского», Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение), Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181.
Аннотация. В данной работе представлен принципиально новый, эффективный, компактный пылеулавливающий аппарат, который может быть использован в системах вытяжной вентиляции и кондиционирования воздуха. Мультициклон состоит из цилиндрического корпуса, нижняя часть имеет коническую форму, внутри корпуса установлена выхлопная труба. Корпус аппарата снабжен входным патрубком. Через него осуществляется тангенциальный ввод загрязненного газа в аппарат на очистку, при этом угол наклона патрубка составляет 15°. Фланцевое соединение, имеющееся на конической части корпуса позволяет соединять его с шламосборником. Через выхлопную трубу выводится очищенный газовый поток. Внутри выхлопной трубы размещено устройство для распыления воды. В шламосборнике аккумулируется шлам. В свою очередь шламосборник снабжен патрубком, предназначенным для отвода шлама. В верхней части выхлопной трубы закреплен каплеуловитель, предназначенный для улавливания уносимых газовым потоком капель воды со связанными частицами пыли. Устройство для распыливания воды состоит в свою очередь из подводящей водяного трубопровода, соединяющегося с коллектором, к последнему присоединены ответвления. Форсунки размещены в нижней части ответвлений. Аппарат способен эффективно улавливает не только пылевидные частицы, но и токсичные компоненты вредных газов из вентиляционных выбросов.
Ключевые слова. мультициклон. аппарат. система. пыль. газ. вентиляция. корпус. труба. каплеуловитель. форсунка. теплообмен. вода. устройство. шламосборник. коллектор.
Введение.
В настоящее время повышению эффективности пылегазоочистки уделяется очень большое внимание со стороны разработчиков и проектантов технологического оборудования.
В качестве направления научных исследований выбрано совершенствование конструкции циклона таким образом, чтобы в нем можно было использовать двухступенчатую очистку вентиляционных газовых выбросов. На первой ступени использовать все преимущества сухого способа очистки (осаждение фракций пыли размером более 5-10 мкм), а на второй ступени - все преимущества мокрой очистки (осаждение фракций пыли размером менее 5-10 мкм, а также очистка токсичных газовых компонентов, таких как аммиак
ЫЫз , оксиды азота Ы^Оз, диоксид серы SO2 и
т.д., хорошо растворяются в воде )
Достаточно большое количество известных устройств лишены таких качеств, они либо очищают загрязненный газовый поток по сухому способу, либо по мокрому.
Анализ публикаций.
Известны устройства циклонов НИИОгаза (цилиндрические и конические), которые получили широкое распространение. К цилиндрическим относятся циклоны типа ЦН-11, ЦН-15: ЦН-15У и ЦН-24 [1,3,4,6,10]. Характерными особенностями аппаратов этой группы являются:
- наличие удлиненной цилиндрической
части;
- угол наклона крышки и входного патрубка равен соответственно 11°, 15° и 24°;
- одинаковое отношение диаметра выхлопной трубы к диаметру циклона, равное 0,59.
Однако они очищают вентиляционные вредности только по сухому.
Известна конструкция полого
газопромывателя [2,7,8,9].
Аппарат представляет собой колонну круглого или прямоугольного сечеиия, в которой осуществляется контакт между очищаемыми газами и каплями жидкости, распыливаемой форсунками. По направлению движения газов и жидкости полые скрубберы делятся на противоточные, прямоточные и с поперечным подводом жидкости.
Однако этот аппарат очищает газовый поток только мокрым способом.
Цель и постановка задачи исследований.
Цель работы. Повышение эффективности системы пылегазоочистки.
Поставленная цель достигается за счет обеспечения последовательной двухстадийной очистки вредностей в циклоне, причем на первой стадии очистка загрязненного газового потока от пылевидных частиц производится сухим способом в межтрубном пространстве аппарата по традиционной технологии, а вторая стадия очистки загрязненного газового потока от пылевидных частиц и от токсичных газовых компонентов мокрым способом в полости внутренней трубы. Таким образом на первой стадии очистки осаждается крупная и средняя фракции пыли
размером 5...10 мкм и более, а на второй стадии мокрым способом осаждается мелкая фракция пыли размером менее 5.10 мкм и токсичные компоненты газовых вентиляционных выбросов. В результате эффективность очистки повышается с 75-85% до 97%.
Задачи. Разработать конструкцию мультициклона, в котором реализуются последовательно два способа очистки (по сухому и мокрому способами), разработанный аппарат превращается в мультициклонный пылеуловитель.
Методика исследований.
Для решения поставленных задач сравнивались конструктивные особенности пылеуловителя, в частности, аналога. Оценивались недостатки известных аппаратов, в результате разработано новое конструктивное решение мультициклона.
Результаты исследований.
Разработан принципиально новый аппарат оригинальной конструкции. На рис. 1 представлена конструкция мультициклона.
_1? 7 ,
¿3
Рис. 1. Конструкция мультициклона: 1- цилиндрический корпус аппарата; 2 -нижняя коническая часть корпуса; 3 - выхлопная труба; 4 - входной патрубок; 5 - фланцевое соединение для крепления корпуса аппарата с шламосборником; 6 - загрязненный газовый поток; 7 - очищенный газовый поток; 8 - устройство для распыления воды; 9 - шламосборник; 10 - шлам; 11
- патрубок для отвода шлама из шламосборника; 12
- каплеуловитель; 13 - коллектор; 14 - ответвления от коллектора; 15 - подводящий водяной трубопровод; 16 - форсунки.
На рис. 2 представлен разрез мультициклона по линии 1-1.
На рис. 2. Разрез по линии 1-1.
Мультициклон состоит из цилиндрического корпуса 1, нижняя часть имеет коническую форму 2, внутри корпуса 1 установлена выхлопная труба 3. Корпус аппарата 1 снабжен входным патрубком 4. Через него осуществляется тангенциальный ввод загрязненного газа 6 в аппарат на очистку, при этом угол наклона патрубка составляет 15°. Фланцевое соединение 5 , имеющееся на конической части 2 корпуса 1 позволяет соединять его с шламосборником 9. Через выхлопную трубу 3 выводится очищенный газовый поток 7. Внутри выхлопной трубы размещено устройство для распыления воды 8. В шламосборнике 9 аккумулируется шлам 10. В свою очередь шламосборник 9 снабжен патрубком 11, предназначенным для отвода шлама 10. В верхней части выхлопной трубы закреплен пылеуловитель 12, предназначенный для улавливания уносимых газовым потоком капель воды со связанными частицами пыли. Устройство для распыливания воды 8 состоит в свою очередь из подводящей водяного трубопровода 15, соединяющегося с коллектором 13, к последнему присоединены ответвления 14. Форсунки 16 размещены в нижней части ответвлений 14.
Мультициклон работает следующим образом.
Очистка загрязненного газового потока от пылевидных частиц и токсичных газовых компонентов в аппарате производится в две стадии. Первая стадия очистки производится сухим способом как в обычном циклоне. При этом загрязненный газовый поток 6 через входной патрубок 4 со скоростью 15 м/с поступает в межтрубное пространство аппарата, оно расположено между цилиндрической частью корпуса 1 и выхлопной трубой 4, при этом загрязненный поток 6 закручивается по спирали в направлении вниз устройства, этому способствует угол наклона входного патрубка под углом 15°, тангенциальный ввод газа, а также скорость ввода. При закручивании загрязненного газового потока 6 по спирали в нем возникает центробежная сила, которая воздействует на крупные и средние по размеру частицы пыли (более 5.. 10 мкм) и выталкивает их на периферию, а именно на внутреннюю стенку корпуса 1. Где частицы ударяются о внутреннюю поверхность корпуса 1, теряют кинетическую энергию, этому также способствует сила трения между частицами пыли и внутренней поверхностью корпуса 1, и падают под
собственным весом, за счет силы гравитации, в нижнюю коническую часть 2 корпуса 1. затем они через нижнее отверстие попадают в шламосборник 9. В нижней части корпуса, в его конической части 2, газовый поток 6 зачищенный от крупных и средних частиц пыли меняет направление движения на 180°, при этом скорость его движения составляет порядка 5 м/с. В это время содержание пылевидных частиц в газовом потоке составляет порядка 10 - 15% от первоначального содержания и преимущественно мелкой фракции пыли (менее 5 мкм).
С этого момента начинается вторая стадия очистки пылевидных частиц и токсичных газовых компонентов мокрым способом. При движении все еще загрязненного газового потока 6 вверх аппарата включается устройство для распыливания воды. При этом чистая вода по подводящему трубопроводу 15 под давлением подается на коллектор 13, откуда через ответвления 14 направляется на форсунки 16. Вода через форсунки 16 распыляется в виде капель размером (0,6...1,0)-10-3м. При этом величина удельного орошения составляет в пределах (0,8..8) )• 10-3м3 на 1 м3 газа. Распыление капель воды производится таким образом, что капельки вода заполняют значительный объем внутреннего пространства выхлопной трубы 3, причем разбрызгивание осуществляется на двух и более уровнях. При соприкосновении капель воды с частицами пыли, последние связываются каплями воды, намокают, впитывая влагу, утяжеляются, растворяются и падают в шламосборник 9. Недостаточно тяжелые капельки воды с частицами пыли могут уноситься вверх, однако для их улавливания вверху установлен каплеуловитель 12. В нем устроены щели угловатой формы, которые препятствуют свободному прохождению капель воды. Капли воды ударяются о поверхность щелевидных отверстий, теряют кинетическую энергию и растекаются по поверхности щели. Поскольку капли воды постоянно ударяются о щелевидные отверстия и растекаются, то в результате слияния мелких капель образуются более крупные капли, далее они отрываются от каплеуловителя 12 и летят под собственным весом вниз в шламосборник 9. Одновременно капельки воды при контакте с газовым потоком абсорбируют токсичные газовые компоненты из него, такие как
аммиак ЫЫ 3 , оксиды азота Ы2° 3 , диоксид серы
SO2 и т.д., которые хорошо растворяются в воде. Абсорбция газа основана на диффузионном процессе проникновении атомов газа в молекулярную структуру жидкости. Это становится возможным когда создаются соответствующие условия, характеризующиеся определенным давлением и температурой этих сред, а именно ни никое парциальное давление на границе двух сред при нормальной температуре процесса, происходит взаимное проникновение газов в жидкость. При этом токсичные газы внутри жидкости
удерживаются за счет молекулярных сил притяжения, однако эти связи между атомами газов и молекулами воды весьма неустойчивы и легко разрываются при повышении температуры жидкости, давления жидкости, или того и другого одновременно. Такой процесс называется десорбцией, как правило десорбция проводится за пределами пылеуловителя, на стадии отстоя шлама, после его вывода из шламосборника 9. Очищенный газовый поток 7 выводится из аппарата через выхлопную трубу 3.
Методика расчета и подбора мультициклона.
Методика расчета и подбора аппарата преставлена в [5,12].
1. Задаемся типом мультициклона. Принимаем к расчету конструкцию возвратно-поточный циклона типа ЦН-15. Принимаем величину оптимальной скорости потока в мультициклоне = 3.5м /с.
2. Рассчитываем необходимую площадь
2
сечения мультициклона, м :
(10)
3. Определяем диаметр мультициклона, м, задаваясь количеством мультициклонов №
(1.1)
0.785 ■ N
Диаметр мультициклона округляем до величины, стандартного размера циклона типа ЦН-15.
4. Вычисляем действительную скорость газа в мультициклоне:
0,785 ■ N ■ Б2
, м / с
(1.2)
Скорость в мультициклоне не должна отклоняться более чем на 15% от оптимальной. Отклонение составляет 5,7%
5. Рассчитываем коэффициент
гидравлического сопротивления одиночного мультициклона:
е = к ■ к2гс;(п> + Къ, па
(1.3)
где К1 - поправочный коэффициент на диаметр мультициклона;
К2 - поправочный коэффициент на начальную запыленность газов;
К3 - поправочный коэффициент на способ компоновки группы циклонов.
6. Определяем потери давления в мультициклоне, Па:
о ■ Ы Ар = , Па
(1.4)
о
м
ы =
7. Принимаем параметры Л 50 = 8,6 и 1&с] = 0,32 , характеризующие парциальную
эффективность выбранного типа мультициклона.
8. Определяем параметр х по формуле:
Ч 65
(1.5)
ф&С+Т&С д/0,322 + 0,26?
9. Далее определяем значение Ф(х), представляющее собой полный коэффициент очистки газа, выраженный в долях. Затем определяем степень очистки газа:
]] = 0,5 -[1 + Ф( х;
(1.6)
Расчет характеристик осаждения вредностей в мультициклоне на второй стадии очистки.
Расчеты параметров очистки мокрым способом для мультициклона производим, по аналогии с расчетом параметров очистки полых газопромывателей [3,11], с определением степени очистки по вероятностному методу выполняют в следующем порядке.
1. Принимают скорость газов w в выхлопной трубе мультициклона около 5 м/с, перепад давления порядка 650...750 Па и выбирают
величину удельного орошения
К.
4 мкм ,6 ,5 ,0 ,3 0
& % 4 2,5 8 0 ,5
— W 2 — =—, м
(1.7)
Я = , —, м
(1.8)
Диаметр выхлопной трубы мультициклона: В = 2Я, м
Высота выхлопной трубы мультициклона: к = 2,5В, м
Температуру газов на выходе из выхлопной трубы, имевших начальную температуру 20....40°С и выше, при отсутствии специальных требований можно принимать на 100°С ниже начальной, а температуру ненагретых газов — равной начальной.
3. Определяют расход жидкости на орошение:
^ = гК= 5 -10-3 - 2,6, м3/с (1.9)
4. Определяют инерционные параметры у/ , для фракций частиц заданного состава:
В-рР ■ *> - С' (1.10)
У =
18]-/
где В- — диаметр частицы 1-й фракции, м;
р
- истинная плотность частиц, 1450 кг/м3;
в пределах
(0,5...8)-10-3 м3 на 1 м3 газа. Дисперсный состав пыли:
Р
Сi - поправка Каннингхема, 90;
/ - определяющий размер, 1,0-10-3 м;
]] - динамическая вязкость газа, 18,4-10-6
Па-с.
За определяющий размер при расчете полых скрубберов принимают диаметр капли орошаемой жидкости в пределах (0,6....1,0) • 10-3м.
5. Определяют коэффициент захвата частиц
определенных фракций Ц^п :
У
(1.11)
2. Определяют среднюю площадь выхлопной трубы в сечении, перпендикулярном направлению потока газов:
(у + 0,35)2
Если у = 150, то превышает 0,995;
при у более 170 можно принимать =1.
6. Определяют значения парциальных коэффициентов очистки для скрубберов с противоточным орошением по формуле:
где № — расход очищаемых газов, м3 / с , подсчитанный по температуре и давлению на выходе из аппарата.
Радиус аппарата в этом сечении определяем по формуле:
]р1 =1 - ехР
■ ] ( + )к
2]¥-Вг1г-м,г1г
(1.12)
Находим диаметр выхлопной трубы с противоточным орошением или эквивалентный диаметр для аппарата с поперечным орошением. Высоту аппарата с круглым поперечным сечением принимают порядка 2,5 диаметров, а с прямоугольным сечением — из конструктивных соображений.
где — скорость осаждения капли, м/с; ВКг — диаметр капли, м.
В выхлопной трубе мультициклона устанавливают форсунки грубого распыливания создающие капли диаметром (0,6...1,0)- 103м. Скорость осаждения таких капель можно найти по диаграмме рис 3.
По номограмме для определения диаметра Вр , мкм, частиц плотностью рр, кг/м3, по скорости
оседания ^р , см/с, с учетом температуры газа 1°С
50
X
7. По найденным парциальным (фракционным) коэффициентам очистки и заданному фракционному составу дисперсных загрязнителей определяют полный коэффициент
очистки :
N 2°3
SO2
N р.
(1.13)
Применения мультициклона со второй стадией очистки целесообразно.
Одновременно на второй стадии в выхлопной трубе мультициклона происходит абсорбирование токсичных газовых компонентов из загрязненного газового потока. В полом газопромывателе (абсорбере) жидкость распыливается форсунками. Эффективность газопромывателя зависит от количества распыляемой жидкости, угла конусности факела распыла, дисперсности капель и распределения их в сечении факела.
Производительность форсунки определяют по
3
формуле (в м /с):
V = £■/■ 0 Г,м3/с'
(1.14)
где Р — давление жидкости перед форсункой, 290000Па;
3
р — плотность жидкости, 1000кг/м ;
/— площадь выходного отверстия форсунки,
2
1,910-5 м ;
4 — коэффициент расхода жидкости, равный
0,2.0,3.
Диаметр капель = (0,6.1,0) •Ю-3 м распыливаемой воды.
Удельная поверхность капель равна:
6-и
и ■Б,
(1.15)
где и — плотность орошения, 0,48 м /(м с); и — абсолютная скорость капель, 2.2м/с,
и = ы ± ы (ы — скорость падения капли,
0 0
1.1м/с, ы — скорость газа, 3.3м/с).
Скорость осаждения капель воды можно определить из диаграммы рис. 3.2 в [1].
Использование разработанного устройства в качестве пылеуловителя в системах пылегазоочистки позволяет повысить эффективность очистки вентиляционных вредностей за счет двухстадийной очистки. В свою очередь двухстадийная очистка предполагает, что на первой стадии производится очистка крупной и средней фракций пыли размером 5.10 мкм и более сухим способом в межтрубном пространстве, а на второй стадии очистка мелкой фракции пыли размером менее 5.10 мкм и токсичных
МЫ 3
газовых компонентов таких, как аммиак
оксиды
азота , диоксид серы 2 и т.д. (хорошо
растворяются в воде) мокрым способом во внутреннем пространстве выхлопной трубы аппарата.
Выводы.
Разработанный теплообменный аппарат позволяет:
1. Обеспечить двухстадийную пылегазоочистку в аппарате, причем на первой стадии - очистка загрязненнего газового потока от крупной и средней фракций пыли осуществляется сухим способом в межтрубном пространстве, а на второй стадии - очистка загрязненнего газового потока от мелкой фракции пыли и токсичных газов осуществляется мокрым способом в выхлопной трубы аппарата.
2. Повысить эффективность очистки загрязненного газа от пыли в аппарате до 97%.
3. Обеспечить очистку загрязненного газа от токсичных газов, которые хорошо растворяются в абсорбенте (вода), например, газ аммиак (КН3), газ диоксид серы (802) и т.п.;
4. Повысить к.п.д. аппарата.
Список литературы.
1. Алиев Г.М. Устройство и обслуживание газоочистительных и пылеулавливающих установок - М.: Металлургия, 1983. - 368 с.
2. Ветошкин А. Г. Процессы и аппараты защиты атмосферы от газовых выбросов. - Пенза: Изд-во ПТИ, 2003. - 155 с.
3. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты газоочистки. Учебное пособие. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2006. - 201 с.
4. Гордон Г.М., Пейсахов И.Л. Пылеулавливание и очистка газов - М.: Металлургия, 1968. - 456 с.
5. Зиганшин М.Г., Колесник А.А., Заганшин А.М. Проектирование аппаратов пылегазоочистки: Учебное пособие. - 2-е изд., перераб. И доп. -СПб.: Издательство «Лань», 2014. - 544 с.
6. Денисов С.И. Улавливание и утилизация пылей и газов - М.: Металлургия, 1991. - 320 с.
7. Дубальская Э.Н. Очистка отходящих газов -М.,1991. - 148 с.
8. Коузов П.А., Мальгин А.Д., Скрябин Г.М. Очистка газов и пыли в химической промышленности. - 2-е изд., перераб. И доп. / А. П. Коузов, А.Д. Мальгин, Г.М. Скрябин. - СПб: Химия, 1993. - 320 с.
9. Охрана окружающей среды : Справочное пособие / Сост. Л.П. Шариков. - Л.: Судостроение, 1978. - 560 с.
10. Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха - 2-е изд., испр. и доп. - М.:Стройиздат,1981. - 296 с.
11. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов: Справ. изд. Алиев Г.М.-А, М.: Металлургия, 1986. - 544 с.
12. Штокман Е.А. Очистка воздуха - М.: Изд. АСВ, 1999. - 312 с.
2
а =
м
3
Khwan V. S. Rusinov D. S. MULTICYCLONE.
Abstract. This paper presents a fundamentally new, efficient, compact dust removal device, which can be used in systems of ventilation and air-conditioning. The multi-cyclone consists of a cylindrical body, the lower part has a conical shape, mounted inside the housing of the exhaust pipe. The Cabinet is provided with inlet spigot. Through the tangential entry of contaminated gas into the apparatus for cleaning, while the tilt angle of the nozzle is 15°. Flange connection, available on the conical part of the housing allows you to connect it with the catcher. Through the exhaust pipe appears purified gas stream. Inside the exhaust pipe is a device to spray water. Catcher in the accumulated sludge. In turn, the catcher is provided with a pipe designed for discharging the sludge. At the top of the exhaust pipe is fixed the droplet separator is designed to trap gas entrained stream of water droplets with associated dust particles. Device for the atomization of water is to turn from the feed water pipe connecting to the manifold, attached to the last branch. The nozzle placed at the bottom of the branches. The device is able to effectively catch not only dust particles, but also toxic components, harmful gases from exhaust air.
Key words. multicyclone. camera. system. dust. gas. ventilation. body. pipe. the droplet separator. atomizer. the heat exchange. water. device. the chip catcher. collector.
