Циклон

Изобретение относится к области пылеулавливания в центробежном поле и может найти применение в химической, нефтехимической, металлургической, горноперерабатывающей, строительной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки дымовых газов и вентиляционных выбросов. Циклон содержит корпус, по оси которого расположен цилиндрический барабан, имеющий возможность свободного вращения, с лопастями, расположенными по внутренней поверхности барабана, и прикрепленный к нижней части барабана цилиндр. Лопасти выполнены по всей высоте барабана в виде винтовой спирали. На внешней поверхности барабана в его верхней части на уровне подачи газа в корпус равномерно по окружности установлены лопатки. Цилиндр выполнен из крупноячеистой сетки с диаметром, составляющим 0,92-0,96 от диаметра цилиндрической части корпуса. Технический результат: увеличение степени очистки запыленного газа за счет возрастания эффективности улавливания мелких частиц в кольцевом зазоре между барабаном и корпусом. 2 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к области пылеулавливания в центробежном поле и может найти применение в химической, нефтехимической, металлургической, горноперерабатывающей, строительной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки дымовых газов и вентиляционных выбросов.

Известна конструкция фильтра-циклона для очистки газов, включающая вертикальный цилиндрический корпус с коническим днищем, снабженным штуцером для удаления пыли, штуцер для подачи в аппарат загрязненного газового потока, расположенный тангенциально к корпусу, крышку, выхлопную трубу, одновременно выполняющую функцию фильтра и штуцера для отвода очищенного газа и представляющую собой сборную конструкцию, частично изготовленную из пористого материала, ветряное колесо, к которому присоединены штанги с лопастями, вращающимися совместно с ветряным колесом вокруг фильтровального элемента. (Патент РФ №2251445, B01D 46/26; В04С 9/00, 2005 г.)

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная степень очистки запыленного газа от частиц тонкодисперсной фазы из-за отсутствия вращения газового потока вблизи стенки корпуса и резкого уменьшения в связи с этим центробежных сил, отбрасывающих эти частицы к стенке.

Известна конструкция пылеуловителя вихревого, содержащего цилиндрическую камеру, размещенные в ее нижней части пылесборник и осевой ввод запыленного газа с отбойной шайбой, расположенные в верхней части камеры, периферийный ввод очищаемого газа, установленный по оси камеры, и снабженный приводом вращения ротор в виде тела вращения, который снабжен лопастью, укрепленной на ее поверхности, имеющей направление навивки, совпадающее с направлением вращения газа, при этом свободный конец ротора размещен в осевом вводе первичного потока запыленного газа, а в осевом патрубке для вывода очищенного газа размещен фильтрующий элемент, выполненный в виде шайбы. (Патент РФ №2260470, B01D 45/12, В04С 3/06, 2005 г.).

К причинам, препятствующим достижению заданого технического результата, относятся высокое гидравлическое сопротивление из-за необходимости установки фильтрующего элемента для улавливания частиц тонкодисперсной фазы и, как следствие, для преодоления этого гидравлического сопротивления необходимость установки привода. Это усложняет и удорожает конструкцию и стоимость очистки.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является конструкция циклона по патенту РФ №2180260, B01D 47/06, 2002 г., который содержит корпус, по оси которого расположен цилиндрический барабан с лопастями, внутри которого установлен распылитель жидкости, при этом барабан имеет возможность свободно вращаться под действием потока жидкости из распылителя, выполненного в виде распылительных патрубков, установленных в верхней части барабана, на лопасти, равномерно расположенные по внутренней поверхности барабана на уровне распылителя жидкости, а к нижней части барабана прикреплен цилиндр с равномерно перфорированной боковой поверхностью для обеспечения равномерного разбрызгивания капель жидкости в корпусе под действием центробежной силы.

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся недостаточная степень очистки запыленного газа от частиц тонкодисперсной фазы из-за отсутствия вращения газового потока вблизи стенки корпуса и резкого уменьшения в связи с этим центробежных сил, отбрасывающих эти частицы к стенке. Кроме того, улавливаемые мокрые частицы, оседающие на стенки корпуса, прилипают к нему, что усложняет удаление этих частиц со стенок корпуса. Проблема при эксплуатации известной конструкции циклона связана также с необходимостью создания потока жидкости и дополнительной сушки уловленных мокрых частиц, что усложняет и удорожает процесс очистки газа.

Задачей предлагаемого технического решения является создание центробежной силы вблизи стенки циклона, приводящей к увеличению скорости центробежного осаждения частиц на стенку.

Техническим результатом является увеличение степени очистки запыленного газа за счет возрастания эффективности улавливания мелких частиц в кольцевом зазоре между барабаном и корпусом.

Поставленный технический результат достигается тем, что в циклоне, содержащем корпус, по оси которого расположен цилиндрический барабан, имеющий возможность свободного вращения с лопастями, расположенными по внутренней поверхности барабана, и прикрепленный к нижней части барабана цилиндр, лопасти выполнены по всей высоте барабана в виде винтовой спирали, на внешней поверхности барабана в его верхней части на уровне подачи газа в корпус равномерно по окружности установлены лопатки, при этом цилиндр установлен с образованием кольцевого зазора с барабаном и выполнен из крупноячеистой сетки, причем диаметр цилиндра составляет 0,92 - 0,96 от диаметра цилиндрической части корпуса.

Выполнение лопастей по всей высоте на внутренней поверхности барабана в виде винтовой спирали позволяет создавать крутящий момент выходящим из барабана очищенным газом, вращающим барабан с угловой скоростью ω.

Дополнительная установка равномерно по окружности на внешней поверхности барабана в верхней его части на уровне подачи газа в корпус лопаток усиливает крутящий момент и увеличивает угловую скорость вращения барабана. Выполнение цилиндра из крупноячеистой сетки позволяет в кольцевом зазоре между цилиндром и барабаном создать центробежную силу

F=mω²r,

где m - масса частицы,

r - радиус траектории в кольцевом зазоре между цилиндром и барабаном.

Эта центробежная сила возрастает по мере увеличения радиуса траектории частиц, в отличие от центробежной силы в конструкции циклона по прототипу или обычного циклона

F=mυ² _ζ/r,

где υ² _ζ- тангенциальная скорость движения газа в циклоне,

в которых центробежная сила F и тангенциальная скорость движения газа в циклоне υ_ζ уменьшаются с ростом радиуса траектории частиц.

Особенно важно увеличить угловую скорость вращения с ростом радиуса r траектории для мелких частиц, имеющих малую массу и недостаточную силу инерции радиального движения к стенке корпуса.

В предлагаемой конструкции циклона центробежная сила возрастает с ростом радиуса траектории r, действует в кольцевом зазоре от диаметра D₁, соответствующего диаметру цилиндрического барабана, до диаметра d цилиндра, составляющего 0,92-0,96 долей от диаметра цилиндрической части корпуса D. Уменьшение нижнего предела, то есть увеличение кольцевого зазора между корпусом и цилиндром, где центробежная сила у стенки корпуса падает до нуля, приводит к уменьшению степени очистки пыли, особенно от частиц мелких фракций.

Увеличение верхнего предела, то есть уменьшение кольцевого зазора между корпусом и цилиндром, может привести к трению цилиндра о слой частиц, налипающих на стенку корпуса, его торможению и переходу работы циклона предлагаемой конструкции в режим работы обычных циклонов. При этом степень очистки пыли, особенно для частиц мелких фракций, будет уменьшаться. Поэтому целесообразно для циклонов большого диаметра выбирать отношение диаметра циклона к диаметру корпуса ближе к верхнему заявленному пределу 0,96, а для циклонов малого диаметра ближе к нижнему заявленному пределу. Последнее касается улавливания мокрых частиц и частиц, склонных прилипать к поверхности корпуса.

Выполнение цилиндра в виде крупноячеистой сетки позволяет частицам, двигающимся в центробежном поле в радиальном направлении, свободно проходить сквозь такие крупные ячейки к стенке корпуса.

Схема предлагаемой конструкции циклона представлена на фиг.1, на фиг.2 представлен вид сверху в разрезе.

Циклон содержит цилиндрический корпус 1, по оси которого расположен цилиндрический барабан 2 с лопастями 3, расположенными по внутренней поверхности барабана 2 и выполненными в виде винтовой спирали по всей высоте барабана. Барабан 2 установлен в корпусе 1 на подшипнике 4 с возможностью свободного вращения. На внешней поверхности барабана 2 в его верхней части на уровне подачи газа в корпус 1 по патрубку 5 дополнительно равномерно по окружности установлены лопатки 6. К нижней части барабана 2 прикреплен на спицах 7 цилиндр 8, выполненный в виде крупноячеистой сетки с диаметром цилиндра, составляющим 0,92-0,96 от диаметра цилиндрической части корпуса.

Для сброса уловленных частиц в бункер в нижней конической части корпуса 1 установлен патрубок 9.

Циклон работает следующим образом.

Запыленный газ со скоростью υ_ζ по патрубку 5 подается в верхнюю цилиндрическую часть корпуса 1 и, вращаясь, опускается вниз, так как патрубок 5 установлен под углом и тангенциально к корпусу 1 как в обычных циклонах. Поток запыленного газа в верхней цилиндрической части корпуса 1 давит на лопасти 6, установленные равномерно по окружности на уровне подачи газа на внешней поверхности барабана 2, создает крутящий момент, заставляя барабан 2 вращаться в подшипнике 4 с угловой скоростью ω. Вместе с барабаном 2 с той же угловой скоростью ω вращается прикрепленный спицами 7 к барабану 2 цилиндр 8, выполненный из крупноячеистой сетки. Под действием центробежной силы частицы запыленного газа, двигающиеся в кольцевом зазоре между цилиндром 8, диаметром d и барабаном 2 диаметром D₁, отбрасывается к стенке корпуса 1, свободно проходя через ячейки крупноячеистой сетки цилиндра 8, ударяются о стенки корпуса 1 и оседают вниз под действием силы тяжести и выводятся из корпуса 1 в бункер (не показан) по патрубку 9. Очищенный газ, опустившись в коническую часть корпуса 1, поворачивает вверх и выходит из циклона по барабану 2. Так как на внутренней поверхности барабана 2 расположены лопасти 3, выполненные в виде винтовой спирали по всей высоте барабана 2, то очищенный газ, оказывая на них давление, создает дополнительный крутящий момент, заставляющий вращаться барабан 2 с цилиндром 8 с угловой скоростью ω в подшипнике 4.

Вращение барабана 2 с цилиндром 8 создает в кольцевом зазоре между ними центробежную силу

F=mω²r,

возрастающую по мере увеличения радиуса r траектории частицы массой m. Так как диаметр цилиндра d составляет 0,92-0,96 доли от диаметра D цилиндрической части корпуса 1, то эта сила разгоняет частицы. Они свободно проходят через большие по размеру ячейки крупноячеистой сетки цилиндра 8, долетают до стенки корпуса 1 и оседают вниз под действием силы тяжести к патрубку 9. В обычных циклонах и в циклоне, выбранном за прототип, центробежная сила

F=mυ² _ζ/r,

уменьшается с ростом радиуса траектории r, так как тангенциальная скорость потока газа v_г уменьшается по мере приближения траектории газа к стенке корпуса 1. Особенно плохо это для частиц тонких фракций, имеющих небольшую массу и быстро теряющих собственную скорость радиального движения при уменьшении центробежной силы.

В циклоне предлагаемой конструкции центробежная сила, действующая на частицы, разгоняет их в кольцевом зазоре между цилиндром 8 и барабаном 2 и полученной радиальной скорости оказывается достаточно чтобы, пройдя крупные ячейки цилиндра 8, частицы достигли стенки корпуса.

Таким образом, циклон предлагаемой конструкции позволяет увеличить степень улавливания частиц, особенно частиц тонкодисперсной фазы, за счет увеличения центробежной силы и ее роста с увеличением радиуса траектории газа в кольцевом зазоре между цилиндром и барабаном, не требует смачивания частиц для увеличения их массы перед разделением, упрощает сбор уловленных сухих частиц, что позволяет отказаться от дополнительной технологической операции их сушки. Все вышесказанное увеличивает эффективность работы циклона и снижает стоимость разделения газа в циклоне.

Циклон, содержащий корпус, по оси которого расположен цилиндрический барабан, имеющий возможность свободного вращения, с лопастями, расположенными по внутренней поверхности барабана, и прикрепленный к нижней части барабана цилиндр, отличающийся тем, что лопасти выполнены по всей высоте барабана в виде винтовой спирали, на внешней поверхности барабана в его верхней части на уровне подачи газа в корпус равномерно по окружности установлены лопатки, при этом цилиндр установлен с образованием кольцевого зазора с барабаном и выполнен из крупноячеистой сетки, причем диаметр цилиндра составляет 0,92÷0,96 от диаметра цилиндрической части корпуса.