Модель предназначена для расчета параметров и выбора типоразмера классического вертикального циклона. С ее помощью можно рассчитать циклон стандартной конструкции или нестандартного исполнения.

 

 

Общие сведения

Принципиальная схема циклона представлена на рис. 1. Циклон состоит из кониче­ской части 1, цилиндрической части 2, выхлопной трубы 3, винтообразной крышки 4, газохода очищенных газов 5, улитки для вывода газа 6 (возможно исполнение циклонов без улитки), входного патрубка 7, пылевыпускного от­верстия 8, бункера 9, пылевого затвора 10.

Рис. 1. Обший вид циклона.

Газовый поток со взвешенными в нем твердыми частицами вводится с большой скоростью по касательной к стенке цилиндрической части циклона, где делает несколько спиральных витков в сторону пылеотводящего отверстия, а затем по внутренней спирали движется к выхлопной трубе. При входе в ци­клон взвешенные в потоке частицы по инерции движутся по своим первона­чальным траекториям, а затем под воздействием аэродинамических сил их тра­ектории искривляются. Те из частиц, масса которых достаточно велика, успе­вают достичь стенок циклона, т.е. отделяются от потока. Под влиянием силы тяжести и увлекающего действия осевого движения отделившиеся частицы опускаются и через пылевыпускное отверстие поступают в бункер, где они осе­дают.

Циклоны различных серий (рис. 2) имеют набор отличительных признаков, характеризующих эффективность улавливания ими пыли различного происхождения и размера, с разной концентрацией. Модель CyclonePro содержит в своем составе характеристики следующих стандартных типов циклонов: ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15у, ЦН-24, СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34, СК-ЦН-22, СЦН-40. Она позволяет также позволяет учитывать наличие раскручивателя на выходной трубе циклона, способ компоновки для групповых и мультициклонов, работу циклона в условиях выхода газов в трубу или выхлопа в атмосферу.

Рис. 2. Типы циклонов (слева направо):

ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15у, ЦН-24, СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34, СК-ЦН-22, СЦН-40.

В результате исследований установлено, что из цилиндрических циклонов НИИОгаз наиболее эффективен циклон ЦН-11, поэтому этот циклон включен в унифицированный ряд для изготовления. Циклон удобен для компоновки в группы, имеет небольшие размеры. Циклон «Матрешка» наименее эффективен для улавливания пыли, кроме того, он наиболее металлоемкий и сложный в из­готовлении. В промышленности строительных материалов применяют циклоны различных типов: НИИОгаз, ЦКТИ, ЛИОТ, СИОТ и ВЦНИИОТ. В настоящее время наибольшее распространение получили циклоны НИИОГАЗ, которые могут быть цилиндрическими и коническими.

К цилиндрическим циклонам НИИОГАЗ относятся аппараты типа ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У и ЦН-24. Их отличительной особенностью является удлинен­ная цилиндрическая часть корпуса, расположение крышки входного патрубка соответственно под углами 11, 15 и 24° к горизонтали. Циклоны ЦН-15У имеют несколько меньшую высоту и более низкие технико-экономические показатели по сравнению с другими аппаратами типа ЦН.

К коническим циклонам относится циклон СИОТ и циклоны НИИОгаз типа СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34 и СК-ЦН-34М. Они отличаются от циклонов типа ЦН длиной конической части, наличием спирального входного патрубка и ма­лым отношением диаметров выхлопной трубы и корпуса циклона (соответст­венно 0,334, 0,340 и 0,22). Циклон СК-ЦН-34М применяют для улавливания пыли с высокими абразивными свойствами или слипаемостью. Потери давле­ния в этом циклоне значительно выше, чем в других конических циклонах.

Циклон СЦН-40 является цилиндро-коническим циклоном НИИОгаз и об­ладает более высокой степенью очистки по сравнению с известными циклона­ми типа ЦН-15, ЦН-11, СК-ЦН-34, УЦ-38. Вынос пыли из циклона СЦН-40 в 2,5 раза меньше, чем из циклона ЦН-15 и в 1,5 раза меньше по сравнению с ци­клонами СК-ЦН-34 и УЦ-38 при равных энергозатратах. Циклоны СЦН-40 имеют относительно высокую скорость газа в пристенной зоне (до 24 м/с), по­этому при улавливании липкой пыли менее подвержены забиванию конуса ци­клона. Абразивный износ циклона СЦН-40 при одинаковых производительно­сти и сопротивлении в 1,25 раза ниже, чем у циклона ЦН-15. Длина цилиндри­ческой и конической части циклона равна 1,6 диаметра. В последнее время длину конической части циклона принимают равной 2,0 диаметра.

Циклоны СЦН-40 целесообразно устанавливать в тех случаях, когда тре­буется повышенная степень очистки газов и гидравлическое сопротивление не лимитируется. Например, степень очистки воздуха в циклоне диаметром 1,0 м от кварцевой пыли с медианным размером частиц 10 мкм, плотностью 2,6 г/см при плановой скорости 1,6 м/с и температуре 20 С составляет 93 % при начальной запыленности до 1000 г/м³.

Цилиндрические циклоны относятся к высокопроизводительным, а кони­ческие - к высокоэффективным аппаратам. Диаметр цилиндрических циклонов обычно не превышает 2000 мм, а диаметр цилиндрической части конических - 3000 мм. Циклоны изготовляют правого и левого вращения газового потока.

Согласно ГОСТ 9617-67 для циклонов принят следующий ряд диаметров: 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2400 и 3000 мм.

 

Исходные параметры

Параметр CycloneDefinition позволяет выбрать способ задания циклона из вариантов: Standard и UserDefined.

Значение Standard указывает на то, что рассчитываемый циклон является стандартным и подчиняется одной из предустановленных типоразмерных схем (марок), определяемых параметром CycloneType.

Значение UserDefined указывает на нестандартный тип циклона и дает пользователю возможность самостоятельно задать набор параметров, специфичных для пользовательского типа циклона.

Параметр CycloneType позволяет выбрать марку (тип) циклона из числа предустановленных типов: CN_11 (ЦН-11), CN_15 (ЦН-15), CN_15y (ЦН-15у), CN_24 (ЦН-24), SDK_CN_33 (СДК-ЦН-33), SK_CN_34 (СК-ЦН-34), SK_CN_22 (СК-ЦН-22), SCN_40 (СЦН-40). Соотношение размеров стандартных циклонов показано ниже на рисунках.

Циклоны ЦН-11 (Рис. 3) предназначены для сухой очистки газов, выделяющихся при технологических процессах (сушка, обжиг, агломерация, сжигание топлива и т. д.), а также для очистки аспирационного воздуха. Широко используются на предприятиях черной и цветной металлургии, химической, нефтяной промышленности, промышленности строительных материалов, в машиностроении, энергетике и других отраслях. Применение в обычном исполнении недопустимо в условиях взрывоопасных сред. Не рекомендуется применение для улавливания сильнослипающихся пылей, особенно при малых диаметрах циклонов.

Концентрация пыли в очищаемом газе: для слабослипающихся пылей – не более 1000 г/м³, для среднеслипающихся пылей – не более 250 г/м³. Температура очищаемого газа не более 400 °С. Давление (разрежение) не более 5 кПа. Рекомендуемая скорость газа 2,5-3,5 м/с.

   

Рис. 3. Геометрические размеры циклона ЦН-11.

Циклоны ЦН-15 (Рис. 4) предназначены для сухой очистки газов, выделяющихся при технологических процессах (сушка, обжиг, агломерация, сжигание топлива и т. д.), а также для очистки аспирационного воздуха. Широко используются на предприятиях черной и цветной металлургии, химической, нефтяной промышленности, промышленности строительных материалов, в машиностроении, энергетике и других отраслях. Применение в обычном исполнении недопустимо в условиях взрывоопасных сред. Не рекомендуется применение для улавливания сильнослипающихся пылей, особенно при малых диаметрах циклонов.

Концентрация пыли в очищаемом газе: для слабослипающихся пылей - не более 1000 г/м³, для среднеслипающихся пылей – не более 250 г/м³. Температура очищаемого газа не более 400 °С. Давление (разрежение) не более 5 кПа. Рекомендуемая скорость газа 2,5-3,5 м/с.

Рис. 4. Геометрические размеры циклона ЦН-15 обычного (слева) и взрывобезопасного (справа) исполнения.

Циклоны ЦН-15у (Рис. 5) предназначены для сухой очистки газов, выделяющихся при технологических процессах (сушка, обжиг, агломерация, сжигание топлива и т. д.), а также для очистки аспирационного воздуха. Применяются на предприятиях черной и цветной металлургии, химической, нефтяной промышленности, промышленности строительных материалов, в машиностроении, энергетике и т. д. Отличаясь от других циклонов ЦН меньшей высотой, имеют несколько ухудшенные технико-экономические показатели. Поэтому их применение может быть оправдано только в тех случаях, когда имеются ограничения газоочистной установки по высоте. Их применение недопустимо в условиях взрывоопасных сред. Не рекомендуется применение для улавливания сильнослипающихся пылей (особенно при малых диаметрах циклонов).

Концентрация пыли в очищаемом газе: для слабослипающихся пылей - не более 1000 г/м³, для среднеслипающихся пылей – не более 250 г/м³. Температура очищаемого газа не более 400 °С. Давление (разрежение) не более 5 кПа. Рекомендуемая скорость газа 2,5-3,5 м/с.

             

Рис.. 5. Геометрические размеры циклона ЦН-15у.

Циклоны ЦН-24 (Рис. 6) предназначены для сухой очистки газов, выделяющихся при технологических процессах (сушка, обжиг, агломерация, сжигание топлива и т. д.), а также для очистки аспирационного воздуха. Применяются на предприятиях черной и цветной металлургии, химической, нефтяной промышленности, промышленности строительных материалов, в машиностроении, энергетике и т. д. Применение недопустимо в условиях взрывоопасных сред. Не рекомендуется применение для улавливания сильнослипающихся пылей, особенно при малых диаметрах циклонов.

Концентрация пыли в очищаемом газе: для слабослипающихся пылей - не более 1000 г/м³, для среднеслипающихся пылей – не более 250 г/м³. Температура очищаемого газа не более 400 °С. Давление (разрежение) не более 5 кПа. Рекомендуемая скорость газа 4,5 м/с.

  

Рис. 6. Геометрические размеры циклона ЦН-24.

Циклоны СДК-ЦН-33 (Рис.7) предназначены для улавливания твердых частиц после реакторов (технологический газ) и вспомогательных систем (пневмотранспорт, газотранспорт, аспирация, пневмоуборка). Производство технического углерода, установки каталитического крекинга нефтепродуктов, дегидрирования бутана. Обычно не применяются в групповом исполнении, т.к. при равной с циклонами типа ЦН производительности имеют большие габаритные размеры.

Концентрация пыли в очищаемом газе: для слабослипающихся пылей - не более 1000 г/м³, для среднеслипающихся пылей – не более 250 г/м³. Температура очищаемого газа не более 400 °С для циклонов с диаметром более 2000 мм, для циклонов с диаметром менее 800 мм рекомендуется не превышать температуру 120 °С, для остальных 300 °С. Давление (разрежение) не более 5 кПа. Рекомендуемая скорость газа 1,4-1,7 м/с.

 

Рис. 7. Геометрические размеры циклона СДК-ЦН-33.

Циклоны СК-ЦН-34 (Рис. 8) предназначены для улавливания твердых частиц после реакторов (технологический газ) и вспомогательных систем (пневмотранспорт, газотранспорт, аспирация, пневмоуборка) реакторов сажевого производства, технического углерода. Предназначены для очистки от твердых частиц сажегазовой смеси после реакторов сажевого производства, газовоздушной смеси систем пневмотранспорта, аспирации и пневмоуборки. Применяются в производстве технического углерода, установках каталитического крекинга нефтепродуктов, дегидрирования бутана. Возможно использование во взрывоопасной, коррозионной среде. Обычно не применяются в групповом исполнении, т.к. при равной с циклонами типа ЦН производительности имеют большие габаритные размеры.

Концентрация пыли в очищаемом газе: для слабослипающихся пылей - не более 1000 г/м³, для среднеслипающихся пылей – не более 250 г/м³. Температура очищаемого газа не более 400 °С для циклонов с диаметром более 2000 мм, для циклонов с диаметром менее 800 мм рекомендуется не превышать температуру 120 °С, для остальных 300 °С. Давление (разрежение) не более 5 кПа. Рекомендуемая скорость газа 1,4-1,7 м/с.

 

 

Рис. 8. Геометрические размеры циклона СК-ЦН-34.

Циклоны СК-ЦН-22 (Рис. 9) предназначены для улавливания твердых частиц после реакторов (технологический газ) и вспомогательных систем (пневмотранспорт, газотранспорт, аспирация, пневмоуборка). Могут использоваться в производстве технического углерода, установках каталитического крекинга нефтепродуктов, дегидрирования бутана. Применимы для улавливания пылей, обладающих высокой абразивностью частиц или их высокой слипаемостью. Обычно не применяются в групповом исполнении, т.к. при равной с циклонами типа ЦН производительности имеют большие габаритные размеры.

Рекомендуемая скорость газа 2 м/с.

      

Рис. 9. Геометрические размеры циклона СК-ЦН-22.

Циклоны СЦН-40 (Рис. 10) предназначены для очистки газов и аспирационного воздуха от мелкой и среднедисперсной пыли, в том числе пыли с повышенной абразивностью. Обычно используются в химической и смежных отраслях промышленности. Рекомендованы для применения в качестве выносной ступени очистки в установках каталитического крекинга.

Рекомендуемая скорость газа 1,4 м/с.

          

Рис. 10. Геометрические размеры циклона СЦН-40.

 

Параметр, определяющий размеры циклона. Позволяет сделать выбор между двумя способами расчета циклона: Diameter или Efficiency.

Значение Diameter дает возможность назначить строгое значение диаметра циклона, а эффективность улавливания пыли при заданном диаметре будет рассчитана.

Значение Efficiency позволяет назначить строгое значение эффективности улавливания пыли. Диаметр, при котором достигается заданная эффективность улавливания пыли будет рассчитан.

Вспомогательный параметр, определяющий тип пыли, характер которой близок к той, которая будет улавливаться в рассчитываемом случае. Выбор может быть сделан из числа 5 предустановленных типов пыли: Cement (цемент), Quartz (кварц), Metall (металл), Alumina (глинозем), Coal (уголь).  Под характером пыли понимаются: ее происхождение, распределение по крупности, слипаемость и форма частиц.

Параметр DustPowderType определяет значение стандартного отклонения функции распределения для улавливаемой пыли, которое принимает значения:

Alumina : = 0.352

Cement : = 0.468

Coal : = 0.334

Metall : = 0.214

Quartz : = 0.405

Составное свойство, определяющее состав и толщину футеровки (тепловой изоляции) циклона. Используется при расчете потерь тепла в окружающую среду через наружные стенки циклона. Поддерживается расчет многослойных футеровок.

Параметр, определяющий толщину металлического корпуса циклона. Используется при расчете массы циклона.

Температура окружающего воздуха в месте установки циклона. Используется при расчете потерь тепла в окружающую среду через наружные стенки циклона.

Скорость окружающего воздуха в месте установки циклона. Используется при расчете потерь тепла в окружающую среду через наружные стенки циклона.

Параметр определяет способ выхода газов из циклона.

Значение FreeVolume указывает на то, что из циклона газы выходят в атмосферу.

Значение LongPipe указывает на то, что после циклона газы продолжают движение по трубопроводу (гидравлической сети).

Параметр определяет тип групповой компоновки циклонов. Выбор осуществляется из вариантов: Individual (индивидуальный циклон, используется не в составе группы), DoubleRow (прямоугольная компоновка), Circle (круговая компоновка).

Параметр определяет наличие или отсутствие раскручивателя (завихрителя) на выходной трубе циклона. Значение Swiller – раскручиватель установлен, значение NoSwiller – раскручиватель не применяется.

Следующие параметры используются при задании пользовательского циклона: StandardDiameter, StandardGasVelocity, StandardGasViscosity, StandardGasViscosity, StandardParticleDensity, StandardParticleSize50, StandardLgSigma, OptimalGasVelocity, PressureLossCoeff500, OutletPressureDropCorrection, DiameterCorrection, DustContentCorrection.

 

Расчет зависимых свойств

Условная скорость газа, отнесенная к полному сечению циклона в плане рассчитывается по формуле:

,

(1)

где V_OG – объемный расход газа, соответствующий значениям температуры и давления газа на выходе из циклона;  - площадь сечения циклона в плане.

Размер частиц твердой фазы, улавливаемых в циклоне с эффективностью 50 %, рассчитывается для циклона заданных размеров при известных параметрах улавливания для стандартного циклона по формуле:

.

(2)

Эффективность улавливания пыли циклоном h при известном диаметре D рассчитывается с учетом эффективности улавливания отдельных фракций частиц по формулам:

;	(3)
,	(4)

где Ф(x) – нормальная функция распределения.

Полная высота циклона (суммарная высота цилиндрической и конической частей) рассчитывается по формуле:

.

(5)

Высота конической части циклона рассчитывается по формуле:

.

(6)

Мощность тепловых потерь через ограждения рассчитывается с учетом плотности теплового потока, вычисленной по формулам для многослойной стенки, и известных значениях площадей верхней торцевой, цилиндрической и конической поверхностей циклона.

Температура наружной поверхности стенки рассчитывается с учетом плотности теплового потока, вычисленной по формулам для многослойной стенки.

Потеря давления газа при прохождении циклона рассчитывается по формуле:

,

(7)

где x - коэффициент гидродинамического сопротивления циклона;  - плотность газа при значениях температуры и давления, соответствующих выходному сечению циклона.

Коэффициент гидродинамического сопротивления циклона

,

(8)

где К₁ - поправочный коэффициент на влияние диаметра циклона (см. Табл. 1); К₂ - поправочный коэффициент на влияние запыленности газа (см. Табл. 1); К₄ - поправочный коэффициент, учитываемый (не равный нолю) при выходе газов в атмосферу (см. Табл. 1); К₃ - поправочный коэффициент на влияние групповой компоновки цикло­нов, равный 35 при двухрядной компоновке, 60 при круговой компоновке и 0 для индивидуального циклона; K₅ – поправочный коэффициент, равный 0,8 при наличии раскручивателя и 1,0 в его отсутствии.

 

,	(9)
	(10)
	(11)

Концентрация пыли во входящем газовом потоке определяется как отношение массового расхода пыли к объемному расходу газа при рабочих условиях для входного сечения циклона.

Концентрация пыли в выходящем газовом потоке определяется как отношение массового расхода пыли к объемному расходу газа при рабочих условиях для выходного сечения патрубка выхода газов из циклона.

При известном значении эффективности очистки, внутренний диаметр циклона, при котором обеспечивается это значение, рассчитывается итерационным путем по формулам (1)-(4).