projekt cyklonu
Post on 28-Dec-2015
61 Views
Preview:
TRANSCRIPT
POLITECHNIKA OPOLSKA 8.07.1997
Wydział: MECHANICZNYKierunek studiów: INŻYNIERIA ŚRODOWISKARok akademicki: 2 Semestr: 4Wykonały: Dominika SZEJOK
Projekt z aparatury ochrony środowiska
Temat : Projekt cyklonu
CZĘŚĆ TEORETYCZNA
Jedną z najprostszych metod odpylania gazów jest grawitacyjne wydzielanie cząstek
aerozolowych ze strumienia gazu. Jest to metoda skuteczna dla cząstek dużych rozmiarów i tylko w
niektórych przypadkach może być stosowana jako ostateczna - samodzielna - metoda odpylania
gazu. Stanowi więc ona zwykle wstępny etap oczyszczania gazu.
W odpylaczach odśrodkowych - cyklonach - wykorzystuje się bardziej efektywny
mechanizm odpylania polegający na działaniu sił odśrodkowych na cząstki aerozolowe. Odpylacze
odśrodkowe znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle ze względu na prostą i zwartą budowę,
brak części ruchomych, możliwości pracy w warunkach wysokiej temperatury i dużego ciśnienia,
niewielkie koszty wykonania oraz nieskomplikowaną obsługę. zasadniczą wadą cyklonów jest
znaczny spadek ciśnienia gazu niezbędny do efektywnego odpylania.
Zasada odpylania gazów w cyklonie - wprowadzenie strumienia aerozolu w ruch
obrotowy - nie uległa zmianie od 1885 r., kiedy to opatentowano ją w Niemczech i USA. Ilościowe
badania procesu odpylania w cyklonie przeprowadził van Tongeren dużo później, bo w latach 1929
- 1939. Nadal są prowadzone prace nad usprawnieniem odpylania przez modyfikację konstrukcji
cyklonów w celu bardziej efektywnego wykorzystania energii strumienia gazu, bowiem coraz
większe są wymagania odnośnie stopnia odpylania gazów - nie tylko odlotowych.
Strumień aerozolu można wprowadzać w ruch obrotowy (wirowy) kilkoma
sposobami. W konstrukcjach klasycznych cyklonów strumień aerozolu jest wprowadzany stycznie
do cylindrycznej części aparatu. W innych rozwiązaniach ruch wirowy następuje wskutek
przepływu strumienia aerozolu przez nieruchomy wirnik, którego łopatki mają zarys linii śrubowej
lub w wyniku wirowania wirnika.
W cyklonach klasycznych z rewersyjnym przepływem gazu (zmiana kierunku
przepływu o 180 stopni), gaz wpływa stycznie do części cylindrycznej, a następnie spiralnie spływa
w dół do wierzchołka części stożkowej, gdzie zmienia kierunek na przeciwny. Poruszając się dalej
ruchem wirowym spiralnym wzdłuż osi cyklonu do góry, opuszcza cyklon centralnie umieszczoną
rurą odlotową.
W cyklonach z wlotem osiowym przed wlotem do części cylindrycznej gaz
przepływa przez zespół prostych lub profilowanych łopatek nachylonych pod odpowiednim kątem
do poziomu lub przez pełny element śrubowy, gdzie następuje zmiana ruchu z prostoliniowego na
wirowy.
W cyklonach przelotowych gaz po wprowadzeniu w ruch wirowy nie zmienia już
swego kierunku przepływu.
Odpylacze odśrodkowe z wirującym wirnikiem mają ograniczone zastosowanie ze
względu na małą sprawność odpylania oraz szybkie zużywanie się łopatek wirnika w wyniku
erozji, szybką utratę stabilności dynamicznej i wiele innych niedogodności.
Szerzej omówimy dwa rodzaje cyklonów :
- cyklon wspomagany zewnętrznym polem elektrycznym,
- cyklon z wirującą przegrodą separacyjną.
1.Cyklon wspomagany zewnętrznym polem elektrycznym.
Oczyszczenie powietrza atmosferycznego i gazów odlotowych z zanieczyszczeń
występujących w formie skondensowanej (cząstki fazy stałej lub kropel cieczy ) pozostaje
ważnym problemem technicznym.
Aczkolwiek opracowane dotąd sposoby oczyszczenia gazów pozwalają na dostateczne
wydzielenie cząstek aerozolowych z gazu, to ze względu na rosnące wymagania norm i
nowoczesnych technologii, ciągle trwają intensywne prace nad doskonaleniem oraz
opracowaniem nowych metod odpylania i konstrukcji odpylaczy.
Do oczyszczenia gazów z cząstek fazy stałej i cieczy obecnie powszechnie stosuje się
układy wielostopniowe. W takich układach przedłuża się czas pracy końcowych,
wysokosprawnych i najczęściej kosztownych urządzeń odpylających.
Jako odpylacze wstępne w wielostopniowych instalacjach odpylających stosuje się komory
osadcze. Służą one do usuwania zgrubnych frakcji cząsteczek, o średnicach powyżej 30 m.
Prędkości liniowe przepływu gazu przez tego typu urządzenia wynoszą 16-25 m/s. Innym
urządzeniem stosowanym na wstępnym etapie oczyszczenia jest cyklon. Cyklony zależnie od
budowy, mogą usuwać cząstki o średnicach progowych powyżej 5 m. Elastyczność konstrukcji
i prostota działania powodują, że zakres parametrów operacyjnych cyklonu jest szeroki.
W drugim stopniu oczyszczenia stosuje się odpylacze mokre, filtry ziarniste i tkaninowe.
Stężenie masowe pyłu podawanego na ten stopień są niższe niż na stopniu pierwszym i wahają
się w granicach od kilku do kilkunastu mg/m3.
W trzecim stopniu odpylania , gdzie usuwane są cząsteczki o rozmiarach submikronowych
stosuje się wysokosprawne filtry włókninowe i elektrofiltry.
Biorąc pod uwagę niskie koszty budowy prostotę działania i dużą elastyczność operacyjną
cyklonów urządzenia te jako wstępne separatory, są w dalszym ciągu obiektem badań. Ich
celem jest rozszerzenie zakresu rozmiarów cząstek usuwanych w cyklonie poniżej 5 m i
uzyskanie wyższych sprawności dla cząsteczek większych przy zachowaniu niskich oporów
przepływu gazu przez cyklon. Opisany tu będzie cyklon radialny wspomagany zewnętrznym
polem elektrycznym.
Cechy cyklonu jako separatora cząstek .
Dla prawidłowego zaprojektowania nowego cyklonu lub poprawy efektywności pracy
istniejącej konstrukcji należy dokładniej poznać charakter pracy urządzenia określany przez
sprawność odpylania i spadek ciśnienia. Istnieje szereg prób dla określania wpływu parametrów
operacyjnych i konstrukcyjnych cyklonu na wartości tych parametrów. Wszystkie wskazują na
istotę wpływu struktury przepływu gazu i ruchu cząstki na efekt pracy urządzenia.
Cyklony radialne ze statycznym wlotem zapylonego gazu są najczęściej stosowane do
oczyszczenia gazów w przemyśle. Zapylony gaz wprowadzony jest statycznie do cyklonu w celu
wytworzenia przepływu wirowego. W przepływie
Układ doświadczalny i sposób przeprowadzenia pomiarów.
Stanowisko pomiarowe do badania skuteczności odpylania oraz oporu przepływu gazu w
cyklonie wspomaganym zewnętrznym polem elektrycznym przedstawiono na rysunku 2.
Układ doświadczalny składa się z trzech bloków funkcjonalnych. W bloku przygotowania
powietrza sprężone powietrze po dodatkowym oczyszczeniu w filtrze HEPA rozdzielane jest na
dwa strumienie. Jeden strumień dochodzi do generatora aerozolu, a drugi po pomiarze natężenia
przepływu natężenia przepływu w rotametrze kierowany jest do komory rozcieńczania, w której
ustala się stężenie masowe cząstek w powietrzu kierowanym do cyklonu. Aerozol testowy
wytwarzany w bloku generacji aerozolu otrzymano w ciśnieniowym atomizerze De Villbisa
przez rozprężenie zawiesiny cząstek pyłu testowego w wodzie przepływającej przez dyszę
generatora. Rozpylona mgła zawierająca cząstki fazy stałej kierowana była do mieszalnika, dalej
do osuszacza. Aerozol testowy o ustalonym wstępnie w badaniach stężeniu przepływał przez
cyklon. Stężenie czastek przed i za cyklonem mierzone było za pomocą optycznego licznika
cząstek ROYCO model 220. W tym celu próbki aerozolu pobierano przez sondy izokinetyczne i
kierowano do licznika. W wyniku pomiaru określono stężenie liczbowe i masowe cząstek
odpowiednich rozmiarów. Cząstki fazy stałej tworzącej aerozol testowy stanowił pył
krzemionkowy o średnicach w zakresie od 1 do 20 m.
Na podstawie pomiaru stężenia cząstek za i przed filtrem określono iloraz tych wielkości
definiujący penetrację P, cząstek przez cyklon. Sprawność separacji definiowana jest jako =(1-
P). Opory przepływu przez cyklon mierzono za pomocą mikromanometru. Są one miarą różnicy
ciśnień gazu na wlocie do cyklonu i na wylocie z rury centralnej aparatu. Obiektem badań był
model cyklonu radialnego zaprojektowany dla nominalnych przepływów gazu przez aparat
rzędu 10 m3/h. Korpus cyklonu zbudowano z PCV. W stosunku do klasycznych, badany cyklon
zmodyfikowano w ten sposób że zewnętrzna ścianka aparatu wyłożona była od wewnątrz
pierścieniem metalowym stanowiącym jedną z elektrod podczas gdy metalowa rura wylotu gazu
była drugą elektrodą układu cyklonu wspomaganego zewnętrznym polem elektrycznym.
Schemat układu badawczego przedstawiono na rys. 1, a wymiary poszczególnych części podano
w tablicy 1.
Wymiar Wielkość
[mm]
d 49,8
de 15,1
ds 8,0
h 82,0
hr 60,0
s 58,5
a 22,0
b 10,0
le 50,0
We wstępie prac doświadczalnych określono wpływ długości zanurzenia lr centralnej rury
wylotu gazu z cyklonu na sprawność odpylania cyklonu. Jak wykazały pomiary ma ona istotny
wpływ zwłaszcza na penetrację aerozolu przez cyklon, poprzez zmianę udziału części wirowej
przepływu gazu przez cyklon oraz zmianę objętości obszaru oddziaływania pola elektrycznego
na cząstki aerozolowe. Na podstawie wstępnych pomiarów ustalono optymalną ze względu na
skuteczność odpylania, wartość le=4,8 cm przy zachowaniu pozostałych wymiarów
geometrycznych cyklonu. Pozostałe pomiary prowadzono dla tej wartości le. W trakcie
pomiarów zmieniono natężenie przepływu gazu przez cyklon, natężenie pola elektrycznego
wytwarzanego pomiędzy elektrodami cyklonu oraz kierunek polaryzacji zewnętrznego pola
elektrycznego. Dodatkowo badano wpływ wstępnego naładowania cząstek aerozolowych
ładunkiem elektrycznym na skuteczność odpylania. W tym przypadku wytworzony aerozol po
przejściu przez osuszacz kierowano do komory ładowania, gdzie w polu wyładowania
koronkowego cząstki uzyskiwały kierunek głównie w skutek absorpcji wytworzonych jonów.
Wstępne obserwacje rozkładu depozytów w cyklonie pokazywały, że w przypadku braku pola
elektrycznego cząstki pyłu osadzają się głównie na zewnętrznej ściance cyklonu na obszarze
wyznaczonym głębokością zanurzenia rury centralnej a więc w rejonie silnych oddziaływań
bezwładnościowych. Ponadto obserwowano osadzanie się cząstek na zewnętrznej ściance
centralnej rury wylotu gazu w jej dolnej części. Spowodowane to było głównie przez silne
zaburzenia przepływu gazu w tym obszarze powodowane gwałtowną zmianą kierunku
przepływu gazu i wzmożonej lokalnej burzliwości przepływu. W przypadku stosowania
zewnętrznego pola elektrycznego obserwowano dodatkowo intensywną depozycją cząstek na
wewnętrznej ściance rury wylotowej.
2. Cyklon z wirującą przegrodą separacyjną.
Wzrastające wymagania, dotyczące czystości gazów przemysłowych powodują, że stale
prowadzone są prace nad modyfikacją i poszukiwaniem nowych rozwiązań konstrukcyjnych
odpylaczy. Prace te dotyczą m.in. odpylaczy cyklonowych oraz odpylaczy typu wirówkowego
[1]. W Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla prace nad wysokosprawnymi odpylaczami gazu
rozpoczęły się równolegle z badaniami dotyczącymi fluidalnego reaktora pirolizy z
cyrkulującym złożem karbonizatu w związku z wymaganiami wysokiej sprawności układu
odpylania gazu popirolitycznego. W trakcie prowadzonych prac wypróbowano wiele rozwiązań
konstrukcyjnych odpylaczy, z których dwa należy uznać jako rozwojowe. Jednym z nich jest od-
pylacz typu cyklonowego z wirującą przegrodą separacyjną, drugim odpylacz poziomy z
wirującą przegrodą [1, 2].
Budowa odpylacza typu cyklonowego z wirującą przegrodą separacyjną
Odpylacz typu cyklonowego z wirującą przegrodą separacyjną przedstawiono na rysunku 1.
Proporcje podstawowych wymiarów odpylacza a/Dz 0,5, b/Dz = 0,2, Dw/Dz = 0,5 przyjęto
zgodnie z proporcjami zalecanymi przez Stairmanda dla cyklonów wysokosprawnych [3]
Zestawienie obu odpylaczy przedstawiono na rysunku 2.
Doprowadzenie zapylonego gazu do aparatu, jak również odbiór pyłu, odbywa się
analogicznie, jak w przypadku cyklonów tradycyjnych. Zasadniczym elementem, różniącym
badany odpylacz od cyklonów, jest wirująca przegroda separacyjna —2, która ma kształt walca z
wyciętymi na jego powierzchni bocznej szczelinami przepływowymi (rys. 3).
Średnica walca jest równa średnicy przewodu odprowadzającego oczyszczony gaz. Przegroda
napędzana jest silnikiem — 1, umieszczonym w górnej części urządzenia. Drugim elementem,
charakterystycznym dla tej konstrukcji, jest sposób odprowadzania gazu oczyszczonego.
Przewód odlotowy —3 przechodzi bowiem praktycznie przez całą długość odpylacza w jego
wnętrzu i odprowadza oczyszczony gaz dołem. Pomiędzy wirującym koszem a przewodem
odprowadzającym gaz oczyszczony zastosowano uszczelnienie pneumatyczne w celu uniknięcia
przedostawania się zapylonego gazu bezpośrednio do przewodu odprowadzającego z
pominięciem wirującej przegrody. Powietrze doszczelniające doprowadzane jest króćcem — 4
do przestrzeni międzyrurowej przewodu odprowadzającego gaz oczyszczony. Fragment
szczeliny pomiędzy wirującą przegrodą, a przewodem odlotowym przedstawia rysunek 4.
Pomiarów wpływu doszczelnienia pneumatycznego na sprawność odpylania dokonano dla
dwóch natężeń przepływu gazu na wlocie do odpylacza: 135 m3/h i 180 m3/h (vWL = 13,3 i 17,8
m/s) przy n = 1000 obr/min.
Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, ze natężenie przepływu powietrza
doszczelniającego w niewielkim stopniu wpływa na wartości sprawności odpylania. Wzrost
sprawności wynosi od 0,3 do 0,4%. Sprawność uzyskuje wartość maksymalną dla przepływu
doszczelniającego około 1 m3/h, co odpowiada prędkości w szczelinie równej 2,1 m/s.
W związku z powyższym — w trakcie pomiarów utrzymywano stałą wartość przepływu
doszczelniającego, równą 1 m3/h.
Można oczekiwać, że wraz ze zwiększeniem skali aparatu, wpływ doszczelnienia
pneumatycznego na sprawność odpylania będzie miał tendencję malejącą. Biorąc pod uwagę, że
układ doszczelnienia pneumatycznego komplikuje konstrukcję odpylacza, w zastosowaniach
przemysłowych uzasadnione jest odstąpienie od tego rodzaju doszczelnień.
Możliwości poprawy parametrów pracy odpylacza.
Z punktu widzenia przebiegu procesu separacji w odpylaczu z wirującą przegrodą
separacyjną (jednokierunkowy przepływ gazu) wysokość przedstawionego na rysunku 1 aparatu
mogła by być znacznie zredukowana bez wpływu na sprawność odpylania.
Wyniki prac Gauthiera i innych, dotyczące cyklonów przelotowych, wskazują, że
optymalną długością separacji , zdefiniowaną jako odległość pomiędzy pokrywą cyklonu a
płaszczyzną wlotu gazu do przewodu odlotowego, jest wielkość z zakresu 2-3 Dz (średnica
zewnętrzna cyklonu). Dalsze obniżanie strumienia wlotu gazu do przewodu odprowadzającego
gaz oczyszczony powoduje spadek sprawności odpylania. Efekt ten przypisywany jest malejącej
intensywności wiru. W przypadku odpylacza typu cyklonowego z wirującą przegrodą
separacyjną wpływ długości separacji na sprawność odpylania może zostać zniwelowana
poprzez dobór odpowiedniej prędkości rotora. Z tego punktu widzenia istnieją znaczne rezerwy
umożliwiające zwiększenie przepustowości i sprawności odpylacza. Dodatkowym efektem
wydłużenia wirującej przegrody będzie obniżenie spadków ciśnienia. Przebieg zmian sprawności
odpylania i strat ciśnienia w odpylaczu z wirującą przegrodą separacyjną w funkcji wysokości
przegrody przedstawiono na rys. 4.
Wdrożenie przemysłowe .
Prototyp aparatu o przepustowości 12000 m3/h zainstalowany został w ZC Racibórz w
układzie oczyszczenia spalin z kotła WR-2,5 (rys. .).
CZĘŚĆ OBLICZENIOWA
PROJEKT NR 28
Zaprojektować cyklon do odpylania V= 8,5 [m3/s] powietrza o temperaturze T=535 [K].
Stężenie pyłu w oczyszczonym powietrzu wynosi C1=5,5 [g/m3], a w powietrzu opuszczającym
cyklon nie może przekraczać wartości C2=1,0 [g/Nm3]. Analiza frakcyjna pyłu o gęstości =2300
[kg/m3] wykazała udział (w %) poszczególnych frakcji ziaren.
Zawartość frakcji ziaren di w pyle w %
di [m] 0-5 5-10 10-15 15-20 20-25
zawartość [] 20 20 25 20 15
Na podstawie danych wyjściowych składu ziarnowego sporządzono wykres sumarycznej
krzywej rozkładu wielkości średnic cząstek pyłu.
2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 15 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 22 2 3S red n ica fra k cji
0
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
7 0
8 0
9 0
1 0 0
Pro
cen
tow
y u
dzi
al m
asow
y
9 .5
Z wykresu dla udziału 50 odczytano wartość średnicy dm=9,5 m, która jest medialną
zbioru średnic cząstek pyłu (wartość, przy której masa wszystkich ziaren mniejszych lub większych
od dm stanowi 50). Wielkość odchylenia standardowego wynosi:
= U d di i m(lg lg ) 2
= 0,33
gdzie, Ui - udział masowy i-tej frakcji ziaren w pyle.
Obliczenia cyklonu prowadzi się metodą kolejnych przybliżeń. Do obliczeń przyjęto cyklon
typu CN - 11, którego główne wymiary są następujące:
- średnica wewnętrzna rury wylotowej D1 = 0,59D,
- średnica dolnego króćca D2 = (0,3 - 0,4)D,
- szerokość króćca wlotowego w cyklonie b = 0,2D,
- szerokość króćca wlotowego na jego wejściu bi = 0,26D,
- kąt pochylenia pokrywy i króćca = 11,
- wysokość króćca wlotowego h = 0,48D,
- wysokość rury wylotowej h1 = 1,56D,
- wysokość górnej części rury wylotowej h2 = 0,3D,
- wysokość części cylindrycznej h3 = 2,06D,
- wysokość części stożkowej h4 = 2,0D,
- wysokość całkowita cyklonu H = 4,38D.
Parametry pracy cyklonu CN - 11 :
- d50 = 3,65 [m],
- lg = 0,352,
- uop = 3,5 [m/s].
Wartość współczynnika oporu cyklonu CN - 11:
- 500s = 245.
Wielkość powierzchni przekroju przepływu gazu obliczono ze wzoru:
A V
uop
8 5
3 5
,
,2,43 [m2 ]
gdzie: V - natężenie przepływu gazu,
uop - optymalna prędkość przepływu.
Wielkość średnicy cyklonu określono z zależności:
D =4 *
*
A
N= 1,76[m]
gdzie, N - liczba cyklonów.
Przyjmuję do dalszych obliczeń D = 1,8 m.
Rzeczywistą prędkość gazu w cyklonie obliczono ze wzoru:
u V
ND
42 2
4 8 5
3 14 1 1 8
,
, ( , )3,34 [m/s]
Wielkość średnicy ziaren zatrzymywanych w 50 obliczono z zależności:
d d sD uD u
ss ss
s s s50 50 =3,65 18 1930 27 947 10 6 35
0 6 2300 22 2 10 6 334, , ,, , ,
6,65 [m]
w której indeks „s” odpowiada standardowym warunkom pracy cyklonu o średnicy Ds = 0,6
[m], gęstości ciała stałego ss = 1930 [kg/m3], lepkości gazu s = 22,2 10-6 [Pa s] i średniej
prędkości gazu us = 3,5 [m/s]. Dla zadanej temperatury T = 535 [K] lepkość gazu wynosi =
27,947•10-6 [Pa•s].
Współczynnik oporu cyklonu:
= K1 K2 500s + K3 =1•0,96•245 = 235,2
gdzie: K1 -współczynnik, którego wartość dla wybranego typu cyklonu o obliczonej
średnicy D = 1,8 m wynosi 1,
K2 - współczynnik którego wartość dla stężenia pyłu C1 = 5,5 [g/m3] wynosi 0,96,
K3 - współczynnik wyrażający dodatkowe straty ciśnienia związane z potrzebą połączenia
kilku cyklonów w jeden zespół, stąd dla pojedynczego cyklonu K3 = 0.
Aby móc określić skuteczność odpylania gazu, z równania:
p x 501
znaleziono wartość parametru x:
xd dm
lg /
lg lg
502 2
= lg , / ,
, lg ,
9 5 6 65
0 352 0 332 20,433
Dla x = 0,433 wartość funkcji rozkładu (x) = 0,67
stąd p = 50 • ( 1 + 0,67 ) = 83,5 []
Wymagana sprawność wynosi:
cC C
C 1 2
1=
5 5 1
5 5
,
,
= 0,818
Obliczona wartość p jest większa od wymaganej sprawności c , co świadczy o dokładności
pomiaru.
Spadek ciśnienia gazu w cyklonie obliczono z zależności:
pu 2 2
20653 334
22352, , ( , ) 857,69 [Pa]
W praktyce stosowane są cyklony, w których spadek ciśnienia nie przekracza 1000 Pa.
Wielkości potrzebne do zwymiarowania cyklonu
D = 1,8 [m]
D1 = 1,062 [m]
D2 = 0,63 [m]
b = 0,36 [m]
b1 = 0,468 [m]
h = 0,864 [m]
h1 = 2,808 [m]
h2 = 0,54 [m]
h3 = 3,708 [m]
h4 = 3,6 [m]
H = 7,884 [m]
= 11
SCHEMAT CYKLONU TYPU CN - 11
h2
h1
h4
D1
h3
h
HD
D2
b b1
top related