2.2 Расчет циклона

Циклоны относятся к сухим пылеуловителям – аппаратам, в которых отделение частиц примесей от воздушного потока происходит механическим путем за счет сил гравитации, инерции, Кориолиса.

Циклоны бывают двух типов: цилиндрические и конические. Принцип действия циклона основан на том, что газовый поток вводится в аппарат через патрубок по касательной к внутренней поверхности корпуса и совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса к бункеру. Под действием центробежной силы частицы пыли образуют на стенке циклона пылевой слой, который вместе с частью газа попадает в бункер. Частицы пыли отделяются от газа в бункере за счет поворота газового потока на 1800. газовый поток, освободившийся от пыли, образует вихрь и выходит из бункера и дает начало вихрю газового потока, который выходит из циклона через выхлопную трубу. Бункер должен быть герметичен, так как при разгерметизации бункера за счет подсоса наружного воздуха происходит вынос пыли с потоком через выхлопную трубу.

Для очистки пылегазовоздушной смеси при заданных условиях конические циклоны не подходят, так как значение действительной скорости в циклоне отклоняется от значения оптимальной больше, чем на 15%.

Для разрабатываемой установки выбираем цилиндрический циклон ЦН-15У.

2.2.1 Схема цилиндрического циклона показана на рисунке 2.4

Рисунок 2.4 – Схема цилиндрического циклона

Для циклонов принят следующий ряд внутренних диаметров D, мм: 200, 300, 400, 500, 600, 700,800. Размер диаметра бункера D_б берется равным 1,5 D; высота бункера 0,8D; днище бункера выполняется с углом 60° между стенками; выходное отверстие имеет диаметр 250 или 300мм.

2.2.2 Определяем оптимальную скорость газа Wг_опт в сечении циклона по данным, приведенным в таблице 4.2.

Таблица 4.2

Тип циклона	ЦН-2У	ЦН-15У	ЦН-15	ЦН-11	СК-ЦН-34м	СК-ЦН-34
Wгопт , м/с	4,5	3,5	3,5	3,5	2,0	2,5

Wг_опт = 3,5 (м/с)

2.2.3 Расчёт циклона ведем при наличии данных d_m и lg _r методом последовательных приближений в следующем порядке.

d_m = 20 мк м

lg _r = 0,283

Таблица 4.3

Тип цик - лона	ЦН 2У	ЦН -15У	ЦН -11	СДК-ЦН-33	СК-ЦН-34	СК-ЦН34М	ЦН-15
d50T	8,5	6,0	5,65	4,31	4,95	5,3	6,5
Lgr	0,308	0,283	0,352	0,364	0,308	0,340	0,352

2.2.4 Вычисляем диаметр циклона по формуле:

D =  4V₁ /  Wг _опт, _. (м) (4.19)

D =  (4*1,73 / 3,14 * 3,5) =(6,92/10,99) = 0,79(м)

Полученное значение D округляем, до ближайшего значения внутреннего диаметра циклона: D м: 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7,0,8.

Принимаем значение D циклона = 0,8 м

2.2.5 Находим действительную скорость газа в циклоне, м/с

W = 4V₁ /  n D², (4.20)

W = 4*1,73 / 3,14 *1*0,8² = 6,92/2,0096 = 3,44 (м/с)

n – число параллельно установленных циклонов.

Действительная скорость в циклоне не должна отклоняться от оптимальной более чем на ±15%.

Проверка:

3,5 – 100%

3,44 – Х

Х = 98,28; 100 - 98,28 = 1,72%

2.2.6 Определяем коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона:

 = K₁ * K₂ * ₅₀₀, (4.21)

где K₁ – поправочный коэффициент на диаметр циклона (таблица 4.5).

Таблица 4.5

Тип циклона	Значение К1 для D (в мм)
	150	200	300	400	500
ЦН-11	0,94	0,95	0,96	0,99	1,0
ЦН-15 ,ЦН-15У, ЦН-24 СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34	0,85	0,90	0,93	1,0	1,0
СК-ЦН-34М	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0

К₁ = 1,0

K₂ - поправочный коэффициент на запыленность воздуха (таблица 4.6).

Таблица 4.6

Тип циклона	Значение К2 при Свх, г/м3
	10	20	40	80	120	150 и выше
ЦН-11	0,96	0,94	0,92	0,90	0,87	0,5
ЦН-15	0,93	0,92	0,91	0,90	0,87	0,86
ЦН-15У	0,93	0,92	0,91	0,89	0,88	0,87
ЦН-2У	0,95	0,93	0,92	0,90	0,87	0,86
СДК-ЦН-33	0,81	0,78	0,78	0,77	0,76	0,745
СК-ЦН-34	0,98	0,947	0,93	0,915	0,91	0,90
СК-ЦН-34М	0,99	0,97	0,95	0,915	0,91	0,90

К₂ = 0,93

₅₀₀ – коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона диаметром 500 мм (таблица 4.7).

Таблица 4.7

Тип циклона	Значение 500		Тип Циклона	Значение 500
	При выхлопе в атмосферу	При выхлопе в гидравлическую часть		При выхлопе в атмосферу	При выхлопе в гидравческую часть
ЦН-11	250	245	СДК-ЦН-33	600	520
ЦН-15	163	155	СК-ЦН-34	1150	1050

₅₀₀ = 163

 = 1,0 * 0,93 * 163 = 151,6

2.2.7 Гидравлическое сопротивление циклона вычисляем по формуле:

P =  * (_r * W²/2), (Па). (2.22)

P = 151,6 * (1,25 * 3,44² / 2) = 1121,23 (Па)

2.2.8 Эффективность очистки газа в циклоне определяем по формуле:

₁= 0,5 * [1 + Ф (х)], (2.23)

Ф (х)=0,8849

₁= 0,5 * [1 +0,8849] = 0,94

где Ф (х) – табличная функция от параметра х, равного:

х = (lg * (d_m/d₅₀)) / lg²_r + lg²_n. (2.24)

х = (lg (20/5,8)) / 0,283²+0,334² = 1,125

Величина d₅₀ определяется по уравнению

d₅₀= d₅₀^T(D/D_T)(_пт/_п)(/_т)( _т/) ,

где d₅₀^T и lg_r для каждого циклона приведены в таблице 4.3

Таблица 4.3

Тип цик - лона	ЦН 2У	ЦН -15У	ЦН -11	СДК-ЦН-33	СК-ЦН-34	СК-ЦН34М	ЦН-15
d50T	8,5	6,0	5,65	4,31	4,95	5,3	6,5
Lgr	0,308	0,283	0,352	0,364	0,308	0,340	0,352

d₅₀= 6,0 (0,8/0,6)(1930/2800)(22,23*10^-6/22,2*10^-6)(3,5/3,44) = 6,0(1,33*0,69*1,001*1,02)=5,8

D_T = 0,6 м ; _пт = 1930 кг/м³; _т = 22,2 * 10^-6 Па*с; _т = 3,5 м/с.

D, _п, ,  - полученные параметры для рассчитываемого циклона.

Значения Ф (х) определяем по полученным значениям х (таблица 4.4).

Таблица 4.4

Х=	-2,70	-2,0	-1,8	-1,6	-1,4	1,2	-1,0	-0,8
Ф (х)=	0,0035-	0,0228	0,0359	0,0548	0,0808	0,1151	0,1587	0,2119
Х = -0,6 -0,4 0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Ф (х)= 0,2743 0,3446 0,4207 0,5000 0,5793 0,6554 0,7257 0,7881 Х= 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,7 Ф (х)= 0,8413 0,8849 0,9192 0,9452 0,9641 0,9772 0,9965

2.3.1 Определяем теоретический диаметр частиц, которые полностью осаждаются:

d_min = 3 * _г (R₂ – R₁) / *n*_n*Wг, м;

d_min = 3 * 22,23*10^-6(0,4 – 0,3)/3,14*2*2800*3,5 = 3*(0,000002223/61544) =18,03 (мк м)

где n=2; R₁ и R₂ - соответственно радиусы выхлопной трубы и циклона, м;

R₁ = 0,3 м

R₂ = 0,4 м

W = 3,44 м/с,

2.3.2 Промежуточное значение эффективности циклона определяем по формуле:

h_i =d_i²/ d²

d1 = 1 мк м

d2 = 5 мк м

d3 = 10 мк м

d4 = 15 мк м

d5 = 18 мк м

h1 = 1²/18,03² = 0,3%

h2 = 5²/18,03² = 7,7%

h3 = 10²/18,03² = 30,8%

h4 = 15²/18,03² = 69,21%

h5 = 18²/18,03² = 100%

2.3.3 Построим график h,% от d (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 – График теоретической зависимости η от d.

Таблица 2.2.2 – Геометрические характеристики циклона

Геометрические характеристики (в долях от внутреннего диаметра циклона)	Обозначение	Числовое значение
Высота цилиндрической части	Нц	2,11
Высота заглубления выхлопной трубы	hт	2,11
Высота конической части	Нк	1,75
Внутренний диаметр выхлопной трубы	d	0,59
Внутренний диаметр пылевыпускного отвер­стия	d1	0,3
Высота внешней части выхлопной трубы	hв	0,4
Высота установки фланца	hфл	0,1
Высота входного патрубка	hп	1,11
Длина входного патрубка	l	0,6

3.4 Расчет скруббера Вентури

Расчет скруббера определяется геометрическими параметрами трубы Вентури. Схема скруббера Вентури представлена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 - конфузор; 2 - горловина; 3 - диффузор; 4 - скрубер центробежного типа (сепаратор); 5 - отстойник; 6 - бак для осветления жидкости; 7 – насос.

3.4.1 Диаметр горловины:

d_г = 4*V₁ / *₁ (м),

где V₁ - расход очищаемого газа, м³/с;

₁ - скорость очищаемого газа в горловине трубы, лежит в широких пределах, ₁ = 60150 м/с. ₁ = 100 м/с

d_г = 4*1,73/ 3,14*100 = 0,148 м

3.4.2 Длина горловины – ℓ_г = 1,25 dг (м).

ℓ_г = 1,25*0,148 = 0,185 м

3.4.3 Диаметр входного сечения конфузора и выходного диффузора:

D_K = 1,12* V₁/₂ , D_Д = 1,12 * V₁/₃ , (м),

D_K = 1,12 * 1,73/17 = 0,36 м; D_Д = 1,12 * 1,73/23 = 0,31 м

где ₂,₃ - скорость газа на входе в конфузор, лежит в пределах ₂ = 1520 м/с соответственно, на выходе из диффузора, лежит в пределах ₃ = 2025 м/с.

4.4.5. Диаметр форсунки

d_ф = 4*_ж *L_ж / n_ф *2*P ,

d_ф =4*0,73*1000*0,005/3,24*2*3,14*150000 = 0,0022 м

n_ф = 0,36²/0,2² = 3,24

где n_ф - число форсунок - принимается из расчета, что максимальный диаметр орошения – 200 мм, т.е. при D_к > 200 мм количество форсунок определяется: n_ф = Dк² / 0,2² - округляется до целого числа.

ξ – коэффициент расхода жидкости, ξ=0,73;

Lж - расход раствора через форсунку, м³ /с определяется по формуле:

Lж = (m V₁);

Lж = (0,003*1,73) = 0,005

m - удельный расход жидкости, (m = 0,001 – 0,003 м³/ м³);

3.4.6 Параметры: ℓ₃ = 1 1,5 Dк;

ℓ₄ = 0,51,0 Dд.

ℓ₃ = 1,5*0,36 = 0,54 м

ℓ₄ = 1,0*0,31 = 0,31 м

3.4.7 Диаметр сепаратора

D_c = 1.12 V_1*(1+m) / _c (м),

где _с - скорость смеси, _с = 1,5  3 м/с.

D_c = 1.12  1,73* (1 + 0,003) / 2 = 1,043 м

4.4.8 Гидравлическое сопротивление скруббера определяется сопротивлением трубы Вентури:

P = 0.12 *( _г*²₁/2) + 0,6 * (m*_ж*²₃/2), (Па)

P = 0.12 *( 1,25*100²/2) + 0,6 * (0,003*23²/2) = 750,48 (Па)

4.4.9 Эффективность очистки скруббера Вентури определяем по формуле:

= 1-e^-En,

где n - коэффициент, n = 0,28;

E = P + Р_ж*m*ρ_ж_с² / 2,

E = 750,48 + 150000*0,003*1000*2²/2 = 900750,48

где -  _ж. - плотность жидкости при соответствующей температуре, кг/м³ ;

 _ж.= 1000 кг/м³; Р - давление жидкости перед форсункой;

Р = 150000 Па;

Эффективность очистки скруббера:

5 Расчет охладителя газа

В качестве охладителя газа используется кожухотрубчатый теплообменник.

Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ другим.

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

1) поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена;

2) теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

Значительно реже применяются в химической промышленности регенеративные теплообменники, в которых нагрев жидких сред происходит за счет их соприкосновения с ранее нагретыми твердыми телами (насадкой), заполняющей аппарат, периодически нагреваемой другим теплоносителем.

Кожухотрубчатые теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб (в трубном пространстве) ,а другая – в межтрубном пространстве. Среды обычно направляют противотоком друг другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, - в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании/охлаждении.

В качестве охладителя газа используется кожухотрубный теплообменник (Рисунок 2.4.1).

Рисунок 2.4.1. – Схема кожухотрубчатого теплообменника.

2.4.1 Уравнение теплового баланса и теплопередачи

Q= G_г * С_pг*(t_нг – t_{к г}) = G_в * C_pв (t_вк - t_вн) = К* F* t_cр. (.1)

2.4.2 Количество теплоты из уравнения

Q= G_г * С_pг*(t_нг – t_{к г}),

где – G_г = V₁*_г – расход газа;

С_рг – удельная изобарная теплоёмкость газа = 1 кДж/кг*град;

t_нг – температура входящего газа =218С;

t_кг – температура выходящего газа = 18,5С.

G_г = V₁*_г = 1,73м³/с * 1,25 кг/м³ = 2,16 кг/с

Q= 2,16 * 1 * (218 – 18,5) = 430000,92 (Дж/с)

5.3 Найдем расход воды из уравнения:

G_в = Q / C_pв (t_вк - t_вн),

G_в = 430000,92/ 4180 (33,5 + 15) = 2,12( кг/с).

5.4 Поверхность теплообмена:

F = Q / K*t_{ср ,} (5.2)

F = 430000,92/131,58* 9,9 = 330,11м

где - C_pв - удельная изобарная теплоемкость воды = 4,18 кДж/кг*град;

t_вк – температура воды на выходе 33,5 С,

t_вн - температура воды на входе = 15С,

t_ср–средний температурный напор,

K – коэффициент теплопередачи, Вт/м²*град.

K= 1 / (1/_в* d_н /d_в)+(1/*(ℓn (d_н/d_в))+(1/_н* d_в /d_н) , (5.3)

где - _в и _н – коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружных поверхностях трубок соответственно:

_в = 450 Вт / м²*град; _н = 2500 Вт / м²*гра

 - коэффициент теплопроводности;  = 45 Вт / м*град;

d_н – наружный диаметр трубки = 22 м; d_в – внутренний диаметр трубки = 18 м. (таблица 5.1).

Таблица 5.1

Размеры трубок, мм	Варианты
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
dн	14	16	18	20	14	16	18	18	22	20
dв	12	14	14	18	12	13	14	14,5	18	16

Рисунок 5.2–Схема движения теплоносителей

Средний температурный напор:

Dt_ср = (Dt_б - Dt_м )/ ℓn Dt_б / Dt_м; из рисунка 5.2

Dt_б = t_нг – t_вк, Dt_м = t_кг – t_вн. (5.4)

Dt_ср = (184,5 - 3,5)/ ℓn184,5/3,5 = 9,9

Dt_б = (218 - 33,5) = 184,5

Dt_м = 18,5 – 15 = 3,5

5.5. Определяем конструктивные параметры теплообменника

Коэффициент заполнения:

(5.5)

где – S₁ – площадь, занимаемая трубной решеткой; Sтр – площадь, занимаемая трубным пучком.

h_з = d_н² n / D²

отсюда n = D² * h_з / d_н² – количество трубок.

Количество трубок n можно определить, используя уравнения:

S_тр ^вн = pd_в² n /4; Wг = V₁/ S_тр ^вн ,

где Wг принимаем = 5м/с.

S_тр ^вн = V₁/ Wг = 1,73/5 = 0,346

n = 4*1,73/3,14*0,018²*5 = 6,92/0,005 = 1384

Коэффициент h_з находится в пределах от 0,7 до 0,82. Выбираем значение 0,76.

Определяем D теплообменника:

D = (dн²*n/h_з) =(0,022² * 1384/0,76) = 0,93(м)

Длина теплообменника: ℓ = F/p*d_н*n

ℓ = 33,11/ 3,14*0,022*1384 = 0,35 м

Ширина крышки:

H = 0,3D , м

H = 0,3 * 0,93 = 0,279 м