АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦИКЛОННЫХ ПЫЛЕСБОРНИКОВ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ХЛОПКА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

АННОТАЦИЯ

В работе было проведено параметрическое исследование различных факторов, включая эффективность улавливания циклона, количество эффективных оборотов пылевых частиц, объемный расход циклона и необходимую мощность циклона. Все эти факторы были определены как отношение высоты циклона к его диаметру. Согласно параметрическому исследованию, существует предел увеличения отношения высоты циклона к диаметру. Выявлены критерии, которые являются функциями размеров циклона, к которым относятся: высота входного отверстия, ширина входного отверстия, диаметр выходного канала газа, длина выходного канала, высота цилиндра, высота циклона, и диаметр выхода пыли.

ABSTRACT

In this paper, a parametric study was conducted on various factors, including the cyclone collection efficiency, the number of effective dust particle revolutions, the cyclone volume flow rate, and the required cyclone power. All these factors were defined as the ratio of the cyclone height to its diameter. According to the parametric study, there is a limit to increasing the cyclone height to diameter ratio. The criteria that are functions of the cyclone dimensions were identified, which include: inlet height, inlet width, gas outlet diameter, outlet length, cylinder height, cyclone height, and dust outlet diameter.

Ключевые слова: циклон, пыль, очистительный эффект, хлопок, запыленный воздух, атмосфера.

Keywords: cyclone, dust, cleaning effect, cotton, dusty air, atmosphere.

Введение: Прогнозируется, что мировое производство хлопка будет расти 1,5% в год и достигнет почти 30 млн. тонн к 2029 году [1]. Рост объемов производства хлопка требует создания нового поколения экологически чистых технологий по его переработке. Технологический процесс первичной переработки хлопка вызывает значительные выбросы пыли в атмосферу и производственные помещения. Пыль оседает и загрязняет производственные помещения и территорию завода, затрудняя работу людям и оборудованию. Производственные помещения и отдельные пылеулавливающие устройства обеспыливаются для обеспечения нормальной санитарно-гигиенической среды.

Вытяжной запыленный воздух также очищается от пыли до того, как он выбрасывается в атмосферу [2-4]. Вычислительная гидродинамика (CFD) недавно использовалась для определения характеристик поля потока и траектории частиц для проектирования новых циклонов [5,6]. Тем не менее, точное прогнозирование и оптимизация работы циклонов новой геометрии, представляет собой чрезвычайно сложную и утомительную задачу. Число измерений, необходимых для определения геометрической конфигурации, обычного тангенциального циклона с прямоугольным входным отверстием, восемь (в том числе а; б; D_с; h; h_c; В; S; D_e). Сложные трехмерные вихревые турбулентные потоки и турбулентность неопределенной структуры, возникающие в циклонах, трудно проверить численно и экспериментально.

Влияние радиальных размеров, таких как D_c и D_e, циклонов с тангенциальным потоком изучалось Кимом и Ли, которые сообщили, что уменьшение D_e значительно повысит эффективность сбора циклонов (Kim, 1990) [7].   Кенни и Гюссман заявили, что помимо D_с геометрические факторы могут играть важную роль в работе циклона. Они отметили, что конструкция выпускных и впускных отверстий обычно влияет на производительность циклонов с коротким или малым конусом (Ho/D_c), в то время как производительность циклонов с длинным или широким конусом обычно зависит от размера конуса (Kенни, 2000) [8]. Изменяя диаметр дна конуса (B), Сиян, Парк и Ли исследовали влияние размеров конуса на эффективность сбора частиц. Их результаты показали, что эффективность улавливания циклонов значительно возрастает по мере уменьшения B до тех пор, пока оно не станет равным D_e, в то время как соответствующее изменение перепада давления незначительно (Xiang, 2001) [9]. Лейт и Мехта сравнили 6 конструкций циклонов и обнаружили, что циклоны с высокой эффективностью, как правило, имеют меньшую площадь входного отверстия (a b/D_c) и небольшое значение D_e/D_c по сравнению с конструкциями с высокой производительностью (Leith D. &., 1973) [10]. Что касается продольных размеров циклона, то результаты, полученные Иозией и Лейтом, не показали постоянной разницы между эффективностью короткого (Н_с/D_c=0,5) и длинного (Н_с/D_c=2,5) циклонов, но падение давления в длинном циклоне было несколько ниже[11]. Büttner обнаружил, что размер отсечки (d₅₀) не зависит от высоты циклона для чрезмерных высот. Однако, если высота циклона уменьшилась до менее критического значения, d₅₀ уменьшилось до другой критической высоты (Büttner, 1988) [12]. Эта критическая высота тесно связана с максимальной высотой циклона, и Yang et al. Предположили, что естественная длина вихря играет основную роль в определении этого значения (Yang, Effect of the inlet dimensions on the maximum-efficiency cyclone height, 2013) [13]. Исследовали влияние h и S на эффективность сбора частиц и пришли к выводу, что разница между ростом тела и длиной (Н_с/S_o) имеет решающее значение для определения эффективности. Они обнаружили, что оптимальное значение (Н_с S_o)/D_c составляет около 1,0. Падение давления существенно уменьшалось по мере увеличения h или сокращения S_o (Zhu, 1999) [14], что сходно с выводами Iozia и Leith. Однако Лиден и Гудмундссон показали, что d₅₀ не зависит от расстояния (H_с) для D_e/D_cZ₀, на основе объединения своих экспериментальных результатов и обширного обзора опубликованных данных (Lidén, 1997) [15] (включая работы Бюркхольца для D_e /D_c=0,33 и (H_с S_o)/D_c=0,33–6 (Burkholz, 1985) [16], (Mothes, 1988) [17] для D_e/D_c=0,38 и (H_с S_o )/Dc=0,95–2,9 (Mothes, 1988), [17], (Büttner, 1988) [12].для D_e /D_c=0,43 и (H_с S_o)/D_c=2,1–19,3 (Büttner, 1988) [12].и Иозия и Лейт для D_e/D_c=0,5 и (H_с S_o)/D_c=2,5–4,5 (Iozia, 1990) [11]. Результаты этих исследований различных геометрических эффектов ценны для проектирования и оптимизации циклонов с тангенциальным потоком.

Материал и методы исследования. Классическая конструкция циклона: Процедура проектирования циклона, называемая в дальнейшем классическим проектированием циклона, была разработана Лапплом в 1950-х годах [18].

Некоторые инженеры считают классический процесс проектирования циклонов, известный как модель Лаппла, стандартным. Во-первых, классический процесс проектирования циклона не учитывает скорость на входе в циклон при определении размеров циклона. Было отмечено, что существует «идеальная» скорость на входе, обеспечивающая оптимальную производительность циклона для различных конструкций циклона. Во-вторых, классическая конструкция циклона не может предсказать количество вихрей, или оборотов, происходящих внутри различных типов циклонов. Из-за неправильной кривой относительной эффективности, созданной классическим методом проектирования циклонов, общая эффективность предсказана неверно [19]. Все основные размеры циклона классифицируются по диаметру барабана циклона (D_c)(рис.1).

Рисунок 1. Конфигурация циклона:

D_c — диаметр корпуса циклона; Z_c+L_c — общая высота циклона; L_c — высота корпуса циклона;  Z_c — высота конуса циклона; B_o — диаметр нижней части конуса; H_c — высота входа; B_c — ширина ввода; D_o — диаметр выходного отверстия.

В основном центробежные сепараторы служат прототипом циклонного пылеуловителя. Они просто создают вихрь внутри корпуса циклона, чтобы преобразовать силу инерции пыльных частиц в центробежную силу. Воздух с частицами проходит через тело по касательной в верхней части. Это образует вихрь. Когда центробежные силы ударяют о стенки, частицы теряют импульс и падают на опору циклона. Воздух начинает поступать в ось снизу, а затем выходит вверх. Таким образом, центробежная сила:

                                                                 (1)

где F- центробежная сила, ρ_p - плотность частиц, (кг/м³); d_p-диаметр частиц (мкм);  -тангенциальная скорость частицы (м/с); r- радиус поворота (м). Производительность циклона зависит от трех основных переменных: эффективности, критического диаметра среза и перепада давления. [10]

Критический диаметр среза: Размер частиц, собранных с эффективностью сбора 50%, определяет диаметр среза циклона. Это мера того, как широк может быть диапазон размеров частиц, которые можно собрать. Сведение об эффективности для диапазона размеров частиц делает этот метод определения удобным.

Для определения критического диаметра среза (d _pc ) используется частое выражение:

                                                            (2)

где, ρ_p -плотность частиц, (кг/м³); ρ_g -плотность газа, (кг/м³); -динамическая вязкость (Па‧с);  – ширина входа (м);  - эффективное число оборотов (5-10);  - скорость газа на входе (м/с).  - эффективное число оборотов должно быть известно, чтобы решить уравнение (2) для . Учитывая объемный расход в (м³/с), скорость на входе и размер циклона, можно легко рассчитать эффективное число оборотов. Значения числа эффективного оборотов могут варьироваться от 1 до 10, с типичными значениями в диапазоне 4÷5.

Законы Стокса предполагали, что когда конечная скорость частицы достигается, сила сопротивления, действующая на нее, и противодействующая сила сопротивления, равны центробежной силе. Это было сделано в процессе создания этой модели точки отсечения.

Расчет эффективности циклонов с учетом дисперсионного распределения. Значение количества оборотов, которые газ совершает при прохождении через внешний вихрь циклона, называется его эффективным оборотом. В результате увеличения количества оборотов воздушного потока достигается более высокий уровень эффективности сбора пыли. Модель Лаппла (Lapple, 1951) [10] была первой моделью, предложенной для определения количества эффективных оборотов:

                                                                 (3)

где L_c – высота корпуса; Z _c - высота конуса циклона; H _c – высота входа.

По уравнению (3) было рассчитано прогнозируемое число оборотов для различных конструкций циклонов [18]. Лучший способ улавливания или разделения зависит от размера частиц. Как уже говорилось, фракционная эффективность определяется как доля частиц определенного размера, собранных в циклоне, по сравнению с частицами этого размера, поступающими в циклон. Опыт показывает, что когда плотность и средний диаметр частиц увеличиваются, тангенциальная скорость газа увеличивается, диаметр циклона уменьшается, длина увеличивается и газ извлекается через ветви циклона вместе с твердыми частицами. Для прогнозирования эффективности сбора в циклонах используются корреляции [19] (5).

(4)

где C — величина безразмерного размерного коэффициента циклона; ψ — параметр удара; n — вихревой показатель.

Эффективность обычного циклона увеличивается с отношением. Мы обнаружили, что результаты эксперимента полностью подтверждают предыдущую корреляцию. Общую эффективность улавливания циклона можно определить, зная распределение частиц на входе по размерам. Это можно сделать, используя фракционную эффективность циклона (уравнение 5).

                                                                (5)

Для расчета относительной эффективности следует использовать следующую процедуру, приведенную ниже. Сумма произведений в крайнем правом столбце представляет собой общую эффективность циклонов. Зная, как распределяются частицы на входе по размерам, можно получить общую эффективность улавливания циклона, используя фракционную эффективность циклона. Среднее значение эффективности улавливания циклона для различных размеров, называется общей эффективностью улавливания циклона [20].

Таблица 1.

Эффективность пылеулавливания с учетом дисперсионного распределения пыли хлопкового сырца

Двумя основными критериями, используемыми для оценки производительности циклона, являются падение давления и эффективность сбора циклонов. Размеры циклона включают высоту входного отверстия, ширину входного отверстия, диаметр выхода газа, длину выходного канала, высоту цилиндра, высоту циклона и диаметр выхода пыли, как показано на рис. 1. Цель создания конструкции циклона состоит в том, чтобы регулировать эти размеры, для того, чтобы максимизировать эффективность при заданных эксплуатационных расходах (падении давления).

Запыленность воздуха от технологического оборудования в производственных цехах зависит от сорта, засоренности и влажности хлопка. При переработке хлопка-сырца сортов, несколько ниже, выделяется наибольшее количество пыли. Состав пыли из хлопка-сырца представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Дисперсионное распределение по весу размеров частиц (состав пыли в хлопке-сырце)

Следует отметить, что эффективность сбора циклона от размеров пылевых частиц увеличивается по мере увеличения размеров частиц. Тем не менее, крупные частицы пыли хлопка имеют меньшие концентрации, чем мелкие частицы пыли, значит дисперсионная эффективность циклона при сборе частиц пыли значительно ниже, чем у мелких частиц (рис.3).

Рисунок 3. Зависимость эффективности циклона от размеров пылевых частиц

Параметрические исследования показывают, что более высокая эффективность сбора циклона связана с меньшим диаметром циклона. Эффективность сбора циклона увеличивается с ростом его отношения к диаметру. Дело в том, что критический диаметр циклона уменьшается по мере увеличения отношения его высоты к диаметру (рис. 4).

Рисунок 4. Зависимость эффективности и дисперсионной эффективности циклона от размеров пылевых частиц хлопка-сырца

Следует отметить, что при диаметре циклона 1000 мм и отношении высоты к диаметру 6,0, наблюдалось аномальное снижение скорости, объемного расхода входящего в циклон воздушно-пыльного потока и эффективности сбора циклона. Это требует дополнительных параметрических исследований [21].

Выводы

1. Распределение дисперсии было обнаружено по весу размеров частиц пыли. Но крупные частицы пыли хлопка содержат меньше мелких частиц пыли. Таким образом, дисперсионная эффективность циклона при сборе частиц пыли значительно ниже, чем у мелких частиц.

2. Пaраметрические исследования падения давления и эффективности сбора циклонов — два основных критерия, используемых для оценки производительности циклона. Обa критерия являются функциями размеров циклона, к которым относятся: высота входного отверстия, ширина входного отверстия, диаметр выходного канала газа, длина выходного канала, высота цилиндра, высота циклона, и диаметр выхода пыли.

Список литературы:

1. Усманов Х.С. Инновационная технология очистки хлопка // Монография, 2024. LAPLAMBERT ACADEMIC PUBLISHING, Mauritius. с-6.
2. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. В 2-х ч. Ч.1: /Под ред. Калверта С., Инглунда Г.М. - М.: Металлургия, 1988.
3. Асламова, В. С. Прямоточные циклоны. Теория, расчет, практика / В. С. Асламова. – Ангарск: Ангарская гос. техн. акад., 2008. – 233 с.
4. Ужов, В. Н. Вальдберг М.Ю.,Подготовка промышленных газов к очистке /–М.: Химия, 1975. – 216 с.1.
5. Aдилова А.Ш. “Совершенствование конструкции циклонов на основе динамического анализа перемещения вредных примесей в потоке воздуха” //Диcсертация. Тошкент 2023 г.
6. Bahrami A., Ghorbani F., Mahjub H., Golbabei F., Aliabadi M. Application of traditional cyclone with spray scrubber to remove airborne silica particles emitted from stone-crushing factories // Industrial Health (2009) ISSN:0019-8366 47 (4). pp. 436-442.
7. Kim, J. L., Experimental study of particle collection by small cyclones. Aerosol Science and Technology, (1990).pp. 1003–1015.
8. Kenny, L. &., A direct approach to the design of cyclones for aerosol-monitoring applications. Journal of Aerosol Science (2000). pp.1407–1420.
9. Xiang, R. P., Effects of cone dimension on cyclone performance. Journal of Aerosol Science, (2001). pp. 549–561.
10. Leith, D. &.,Cyclone performance and design. Atmospheric Environment, (1973).pp 527–549.
11. Iozia, D. &.,The logistic function and cyclone fractional efficiency. Aerosol Science and Technology, (1990).pp.598–606.
12. Büttner, H., Size separation of particles from aerosol samples using impactors and cyclones. Particle and Particle Systems Characterization, (1988).pp 87–93.
13. Yang, J. S., Effect of the inlet dimensions on the maximum-efficiency cyclone height. Separation and Purification Technology, (2013). pp.15-23.
14. Zhu, Y. &., Experimental study on small cyclones operating at high flowrates. Journal of Aerosol Science, (1999). pp.1303–1315.
15. Lidén, G. &., Semi-empirical modelling to generalize the dependence of cyclone collection efficiency on operating conditions and. Journal of Aerosol Science, (1997).pp.853–874.
16. Burkholz, A., Approximation formulae for particle separation in cyclones. German Chemical Engineering, (1985). pp.351–358.
17. Mothes, H. &., Prediction of particle removal in cyclone separators. International Journal of Chemical Engineering,(1988). pp.231–240.
18. Lapple, C. E. (1951). Processes use many collector types. Chemical Engineering, 58(5), 144-151.
19. Kim, J. L. (1990). Experimental study of particle collection by small cyclones. Aerosol Science and Technology, 1003–1015.
20. Муродов О.Ж., Адилова А.Ш., Саидова Н.А., Сравнение сил, образующихся внутри циклона при отделении загрязнений пыли воздух//Фан ва технологиялар тараққиёти. Илмий-техникавий журнал- 2022.- №6-сон. Б. 4-15.
21. Муродов О.Ж, Адилова А.Ш., Изучение влияния скорости входящего потока на эффективность циклонов//Илм-фан ва инновацион ривожланиш илмий журнали 2022. №3 Б.28-35.