Учебное пособие 2244

Рис. 96. Внешний вид циркуляционного сепаратора [7]

Под действием центробежной силы, возникающей вследствие вращения крыльчатки 6, средние частицы отбрасываются к периферии и по стенке сползают вниз, так же как и крупные. Мелкие частицы через распределительную головку 8 выносятся в циклоны 3, где они осаждаются, образуя тонкий продукт. Очищенный воздух из циклонов через коллектор и воздуховод 9 засасывается вентилятором и вновь нагнетается в камеру сепарации через кольцевые щели 10, при этом дополнительно извлекаются мелкие частицы из осаждающегося грубого продукта. Таким образом, здесь имеется вспомогательная зона разделения в выполненная по схеме рис. 87, з. Регулирование границы разделения осуществляется на ходу с помощью дросселя, устанавливаемого на перепускном воздуховоде, либо путем изменения числа оборотов крыльчатки с разбрасывающим диском.

Достоинства этого сепаратора: КПД внешнего вентилятора значительно выше, чем КПД вентилятора, встроенного в обычный сепаратор; износ вентилятора намного меньше, так как он установлен на линии очищенного воздуха, вынесенные циклоны могут быть выполнены в оптимальных форме и размерах, а поэтому степень очистки в них значительно выше. За счет этого стало возможным увеличить удельную нагрузку в камере сепаратора и сократить ее размер. Сепараторы этой подгруппы являются новейшими и появились в последние годы.

Техническая характеристика некоторых сепараторов приведена в табл.17

180

4.4.3. Расчет сепараторов

Процесс движения частиц в двухфазном потоке теоретически и экспериментально мало изучен из-за его сложности. Строгой методики расчета воздушных сепараторов различных типов не имеется. Поэтому после выбора принципиальной схемы сепаратора определение типоразмера и разработку конструкции следует производить на основании имеющихся экспериментальных данных и опыта эксплуатации сепараторов сходных конструкций, а расчет параметров – по приближ нным теоретическим формулам, вводя поправочное коэффициенты, которое могут быть получены в результате испытаний модели или опытного образца сепаратора.

На первой стадии проектного расчета, после выбора сепаратора, необходимо, задавшись производительностью, определить его диаметр. Это можно сделать по следующей эмпирической формуле:

где D – диаметр сепаратора, м;

G– производительность сепаратора, т/ч;

а– коэффициент, постоянный для сепараторов с одинаковой схемой основной зоны разделения (см. рис. 87) и не зависящий от конструктивных особенностей сепаратора;

ß– коэффициент, который для сепараторов с одинаковой схемой основной зоны разделения зависит главным образом от дисперсности тонкого продукта, а также вида обрабатываемого материала, его влажности и формы частиц.

Так, при получении цемента, характеризуемого остатком 7–10 % на сите № 0090, у циркуляционных сепараторов с поперечнопоточной зоной разделе-

181

ния (см. рис. 87, з) α=0,375 и ß=1,194–1,20, а с противоточной центробежной зоной разделений (см. рис. 87) α =0,31 и ß –1,5.

Ориентируясь на эти данные можно по заданной производительности выбрать диаметр сепаратора и число оборотов ротора, затем сделать корректированный пересчет, используя следующие зависимости, справедливые в общем случае для геометрически подобных сепараторов:

где ≈ – знак пропорциональности; П – производительность т/ч;

n – число оборотов ротора, об/мин;

N– потребляемая мощность, кВт.

5.Аппараты для очистки воздуха и газов от пыли

5.1.Общие сведения

Впылевоздушной смеси, выходящей из воздушных сепараторов, а также в отходящих газах из тепловых агрегатов (вращающиеся печи, сушильные барабаны и пр.) содержатся пылевидные частицы, являющиеся ценным материалом, который необходимо выделить. Вместе с тем при измельчении образуется много пыли, которую также необходимо отделить от воздуха и газов во избежание засорения ею окружающего воздуха.

Для отделения пыли от воздуха (газов) применяются следующие методы: механическая сухая очистка, при которой частицы выделяются под действием центробежных сил и сил тяжести; механическая очистка осу-

ществляется в так называемых центробежных циклонах;

очистка смеси с помощью матерчатых фильтров, задерживающих взвешенные в газе (воздухе) твердые частицы;

электрическая очистка газов (воздуха) путем осаждения твердых частиц в электрическом поле высокого напряжения; электрическая очистка производится в электрофильтрах, коэффициент полезного действия которых достигает 99 – 99,5 %; мокрая очистка газов.

5.2.Циклоны

Различают пыли слипающиеся, среднеслипающиеся и неслипающиеся. К первой группе относятся гипсовая и алебастровая пыль, цементная пыль из влажного воздуха и др. При взаимодействии с влагой воздуха частицы пыли налипают на поверхность пылеосадителя, ухудшают его работу или даже могут забить выходной штуцер. К среднеслипающимся относятся окиси цинка, свинца, олова, сажа, цементная пыль из сухого воздуха и др. К неслипающимся или

182

слабослипающимся относятся глиноземная и угольная пыль, сланцевая пыль, сухая апатитовая и фосфоритная пыль и др.

Слипаемость пылей зависит от природы материала, тонины размола, содержания в воздухе влаги и других факторов, которые следует учитывать при выборе способа и условий извлечения пыли из пылегазовой смеси и при расчете соответствующей аппаратуры.

Другой характерной особенностью пылей является их гранулометрический состав: размер находящихся в пыли частиц и их содержание. Размер частиц, содержащихся в пыли, и их процентное содержание определяются особенностями измельчителя и степенью измельчения материала в размольном агрегате. Очевидно, чем крупнее частицы, тем легче они извлекаются из пылегазовой смеси. Третьей особенностью пылей является их огне- и взрывоопасность. Эта особенность присуща пылям органического происхождения (угольной, торфяной, древесной) и пылям органических пластмасс.

5.2.1. Конструкции и основные параметры

Из всех известных и применяемых способов извлечения пылей из пылегазовых смесей центробежно-гравитационный является наиболее распространенным, осуществляемым в специальных аппаратах – циклонах (рис. 97).

Рис. 97. Схема циклона:

1 – корпус; 2 – центральная труба; 3 – отводная улитка; 4 – входной штуцер; 5 – приемный бункер; 6 – пылеотводитель [4]

Циклон состоит из корпуса 1 с коническим дном, центральной трубы 2, газовыводной улитки 3, входного штуцера 4, приемного бункера 5 и пылеотводчика 6. Пылегазовая смесь поступает в циклон через входной штуцер 4 по касательной к корпусу 1. Благодаря такому положению входного патрубка и его наклону пылегазовая смесь приобретает спиральное движение в направлении вершины конуса циклона, т.е. вниз. Твердые частицы под действием центробежных сил движутся в радиальном направлении, и достигнув стенок кор-

183

пуса, опускаются через патрубок в вершине конуса циклона в приемный бункер 5. Из бункера через пылеотводчик 6 пыль выдается потребителю. Освобожденный от пыли газ выходит из циклона через центральную трубу 2 и газовую улитку 3.

Для центробежных осадителей типа циклона общей характеристикой является фактор разделения, или центробежный фактор, который показывает, во сколько раз центробежная сила, действующая на частицу, больше силы тяжести. Этот фактор определяется по формуле k = 2/ gR, где – скорость движения частицы по окружности радиусом R.

Для циклона скорость движения частицы можно принять равной скорости движения пылегазового потока, а радиус вращения частицы – равным радиусу циклона. В таких циклонах достигается высокая степень измельчения пыли из смеси. Например, извлечение пыли с размером частиц 5 мкм достигает 85 %, пыли с размеромчастиц 10мкм–до97 %, а пылисразмером частиц20мкм–до 99,5 %.

При ламинарном движении частиц сферической формы в газовой среде скорость осаждения этих частиц под действием силы тяжести находится по известной формуле Стокса. Чтобы найти скорость центробежной силы, необходимо скорость осаждения под действием силы тяжести умножить на центробежный фактор, т.е.

Из формулы (226) следует, что скорость осаждения частиц в циклоне при других равных условиях растет с увеличение входной скорости пылегазового потока в циклон и с уменьшением его радиуса. С уменьшением радиуса циклона его осадительная способность повышается, растет степень измельчения пыли из смеси, однако при этом увеличивается гидравлическое сопротивление и уменьшается производительность циклона.

Существуют еще три размера циклона, непосредственно связанные с осаждением частиц. Это – высота цилиндрической части циклона hц, расстояние между корпусом циклона и выходной трубкой l=(Dц – dт)/2 и угол наклона входного патрубка к горизонту φ.

Поступившая в циклон частица, кроме вращательного движения, перемещается также в радиальном направлении со скоростью осаждения о и в осевом. Скорость движения частицы в осевом направлении является составляющей скорости движения потока по спирали с углом наклона, равным углу наклона входного патрубка (рис. 98 ).

Если угол наклона входного патрубка равен φ, то осевую скорость движения частиц можно выразить через скорость входа газа в патрубок:

Рис. 98. Основные геометрические размеры циклона [4]

Из формулы (226) следует, что скорость осаждения частиц в циклоне – величина переменная, зависящая от радиуса вращения R.

Этускоростьможно определить как производную пути по времени oc=dR/dτ, откуда время осаждения частицы от центральной трубы с наружным радиусом rт до внутреннейповерхностициклонарадиусомRц будетвыражатьсяинтегралом:

Rц dR

р . (229)

т oc

Если в подынтегральное выражение подставить значение oc из формулы (229) и проинтегрировать его, то время движения частицы в радиальном направлении будет равно

Чтобы рассматриваемая частица за время движения в вертикальном направлении на участке высотой hц могла осесть на стенку циклона раньше, чем е увлечет поток в центральную трубу, должно соблюдаться условие: τр ≤ τh или

Формула (233) связывает основные факторы, определяющие процесс извлечения твердых частиц из пылегазовой смеси в поле центробежных сил. Если известны геометрические размеры циклона Dц , dт, hц и φ, то размеры частиц, которые можно улавливать в этом циклоне, определяются скоростью пылегазового потока, вязкостью газа и разностью удельных весов твердой и газовой фаз в смеси.

Пользуясь этой формулой, можно приближенно решать разнообразные задачи, связанные с осаждением твердой фазы в циклонах. Рассмотрим в качестве примера одну из них.

Пример. Какого минимального размера частицы твердой фазы удельного веса ρт=24кН/м можно извлечь из пылегазовой смеси с помощью циклона, имеющегоследующую характеристику : Dц = 600 мм; dт = 360 мм; hц = 906 мм; φ =15°; удельный вес газа ρг = 12,4 Н; вязкость μ = 0,018 сПз; входная скорость пока = 18,5 м/с.

Из формулы (233) определяем диаметр частиц, м,

или

d 0,65 10 10 8,1мкм.

Для повышения осадительной способности циклона, иначе говоря, для понижения размера извлекаемых в циклоне частиц, необходимо уменьшить диаметр циклона и углы наклона входного патрубка или увеличить высоту цилиндрической части циклона и входную скорость пылегазового потока.

Формула (234) описывает идеальный случай циклонного процесса. На практике этот процесс сложнее – местные сопротивления в циклоне, турбулизация потока, непостоянство состава твердой фазы в смеси, а также отклонение реальной формы циклона от идеальной. Это привело к необходимости опытных исследований работы циклонов, определения эмпирических коэффициентов и получения расчетных формул для циклона данной конструкции.

Для удовлетворения разнообразных нужд промышленности создан ряд типоразмеров циклонов производительностью по газу в одиночном циклоне от

20 до 90000 м3/ч.

186

В табл. 18 приведены типоразмеры циклонов, применяемых в нашей стране.

Нормальные циклоны НИИОгаз. К числу нормальных циклонов НИИОгаз относятся циклоны ЦН-15, ЦН-15у и ЦН-11 диаметром до 800 мм и ЦН-24 диаметром до 1000 мм. В табл. 19 приведены основные размеры нормальных циклонов, а в табл 20 – дополнительные в долях от диаметра циклона. Допускаемое содержание твердой фазы в пылегазовой смеси зависит от слипаемости частиц твердой фазы и диаметра циклона. В соответствии с нормами НИИОгаз для слабослипающихся частиц можно пользоваться следующими зависимостями:

Для частиц средней слипаемости допускаемое содержание твердых частиц уменьшается в два раза, а для сильно слипающихся – в четыре раза. Превышение этих норм может привести к забиванию нижнего штуцера циклона.

187

Из всех типов ЦН наиболее употребительными на практике является ЦН - 15. При ограниченных габаритах по высоте применяются ЦН - 15 у (ускоренный), но при этом несколько снижается коэффициент извлечения. Для извлечения твердой фазы, состоящей из крупных частиц, при больших концентрациях в газе, например при пневмотранспорте, выносе пыли из мельниц и т.п., в качестве первой ступени извлечения применяют высокопроизводительные циклоны ЦН - 24. У рассмотренных циклонов значительно меньше коэффициент гидравлического сопротивления, но меньше и коэффициент извлечения. Для осаждения твердых части размером 5–10 мкм рекомендуется устанавливать циклоны типа ЦН - 11.

Для извлечения твердой фазы применяют одиночные циклоны и групповые, состоящие из 2, 3, 4, 6 и 8 циклонов. Циклонная группа из восьми циклонов диаметром 800 мм может обеспечивать производительность по газу до 50000 м3/ч, а группа извосьми циклоновдиаметром1000мм– производительность 100000 м3/ч.

На рис. 99 показаны циклонные батареи.

Рис. 99. Циклонные батареи:

а) – из двух циклонов; б) – из трех циклонов [8]

На рис. 100 показан ненормализованный циклон типа ЦН - 15, а в табл. 21 приведены технические характеристики этих циклонов.

188

Рис. 100. Циклон НИИОгаз ненормализованный [8]

Циклоны ЦККБ. На рис.101 показан циклон ЦККБ с размерами, отнесенными к размеру входного штуцера, а в табл. 22 приведены технические характеристики этих циклонов.

Рис. 101. Циклон ЦККБ [8]

189