МОДЕРНИЗАЦИЯ ЦИКЛОННЫХ СЕПАРАТОРОВ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЕНИЯ ВИХРЕВОЙ СТРУКТУРОЙ ПОТОКА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УЛАВЛИВАНИЯ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ

УДК 621.928+532.5

Аннотация

Циклонные сепараторы являются одними из наиболее распространённых аппаратов для очистки газов от твёрдых частиц благодаря простоте конструкции, низким эксплуатационным затратам и способности работать в широком диапазоне температур и давлений. Однако их эффективность резко снижается при улавливании мелкодисперсных фракций (менее 10 мкм), что связано с недостаточной центробежной силой, повторным уносом осевших частиц, коротким замыканием потока и нестабильностью вихревой структуры. В работе выполнен критический анализ недостатков традиционных конструкций циклонных сепараторов на основе обобщения литературных данных и результатов численного моделирования. Предложена комплексная модернизация циклона, включающая три взаимодополняющих решения: установку направляющих лопаток на входе для предварительной закрутки потока, оптимизацию геометрии выходного патрубка (vortex finder) и конической вставки в бункере для подавления повторного уноса частиц. Методом вычислительной гидродинамики (CFD) в программном пакете ANSYS Fluent выполнено сравнение эффективности традиционной и модернизированной конструкций. Показано, что комплексный подход позволяет повысить эффективность улавливания частиц размером 5 мкм на 5,6 процентных пункта (с 82,3 % до 87,9 %) при росте гидравлического сопротивления на 12 %, что признаётся приемлемым для большинства промышленных применений. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании новых и модернизации существующих циклонных сепараторов.

Abstract

Cyclone separators are one of the most common devices for cleaning gases from solid particles due to their simple design, low operating costs, and ability to operate over a wide range of temperatures and pressures. However, their efficiency decreases sharply when capturing fine fractions (less than 10 microns), which is associated with insufficient centrifugal force, repeated entrainment of settled particles, short circuit of the flow and instability of the vortex structure. The paper provides a critical analysis of the disadvantages of traditional cyclone separator designs based on a generalization of literature data and numerical modeling results. A comprehensive modernization of the cyclone has been proposed, including three complementary solutions: the installation of guide vanes at the inlet for pre-rotation of the flow, optimization of the geometry of the outlet pipe (vortex finder) and a conical insert in the hopper to suppress repeated entrainment of particles. The computational fluid dynamics (CFD) method in the ANSYS Fluent software package is used to compare the efficiency of traditional and upgraded structures. It has been shown that an integrated approach makes it possible to increase the efficiency of capturing 5 micron particles by 5.6 percentage points (from 82.3% to 87.9%) with an increase in hydraulic resistance by 12%, which is acceptable for most industrial applications. The results obtained can be used in the design of new and modernization of existing cyclone separators.

Ключевые слова: циклонный сепаратор, вихревой поток, эффективность сепарации, гидродинамика, численное моделирование.

Keywords: cyclone separator, vortex flow, separation efficiency, hydrodynamics, numerical modeling.

Введение

Циклонные сепараторы широко применяются в системах очистки газа благодаря своей конструктивной простоте, надежности и способности функционировать в широком диапазоне рабочих условий [1]. Однако эффективность традиционных циклонов существенно снижается при улавливании мелкодисперсных частиц, особенно в диапазоне 5–10 мкм. Это ограничение обусловлено особенностями движения частиц в вихревом потоке, где доминирующую роль играют аэродинамические силы и турбулентные пульсации [2, 8]. Современные исследования показывают, что структура потока внутри циклона представляет собой сложную систему двойного вихря, где взаимодействуют нисходящий и восходящий потоки [3, 9]. При этом значительная часть частиц может не достигать стенок аппарата, а также повторно вовлекаться в поток после осаждения. Эффективность циклонных сепараторов резко снижается при уменьшении размера частиц вследствие снижения инерционных сил [1, с. 35].

Дополнительной проблемой является короткое замыкание потока, при котором часть газа проходит напрямую в выходной патрубок, минуя зону интенсивного закручивания [4, 6].

Цель настоящей работы — повышение эффективности улавливания мелкодисперсных частиц в циклонных сепараторах за счёт управления вихревой структурой потока путём комплексной модернизации геометрии аппарата (предварительная закрутка, оптимизация выходного патрубка, коническая вставка) с оценкой эффективности методом вычислительной гидродинамики.

Материалы и методы исследования

Объект исследования. В качестве базовой конструкции выбран стандартный циклонный сепаратор типа ЦН-15 с диаметром корпуса 500 мм, используемый в системах очистки газа на предприятиях строительной и химической промышленности. Характеристики базового циклона: угол конуса 15°, диаметр выходного патрубка 0,6·D, глубина погружения vortex finder 0,5·D [1, 3].

Методология исследования. Исследование выполнено с использованием метода вычислительной гидродинамики (CFD) в программном пакете ANSYS Fluent 2022 R2 [2, 8]. Расчётная область представляет собой полную геометрию циклона с учётом всех внутренних элементов. Построение расчётной сетки выполнено с использованием структурированных и неструктурированных элементов с локальным сгущением в пристеночной области и в зоне выходного патрубка. Общее число расчётных ячеек составило ~1,2 млн. Проведён анализ чувствительности решения к размеру сетки (три варианта с числом ячеек 0,8; 1,2 и 1,8 млн), показавший расхождение результатов по эффективности менее 2 % [8, 9].

Математическая модель. Для моделирования турбулентного потока газа использован подход Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) с k-ε моделью турбулентности Realizable с пристеночными функциями [2, 8]. Движение частиц моделировалось в лагранжевом подходе (Discrete Phase Model, DPM) с учётом силы аэродинамического сопротивления (закон Стокса), силы тяжести и центробежной силы [8, 9]. Расчёт траекторий частиц выполнен для 5000 частиц каждого размера в диапазоне 1–20 мкм с равномерным распределением на входе. Частицы приняты сферическими, плотностью 2500 кг/м³. Осаждение частиц регистрировалось при достижении стенки циклона или бункера [9].

Граничные условия. На входе задана скорость газа 20 м/с, турбулентность 5 %. На выходе — давление окружающей среды. Стенки приняты адиабатическими с условием прилипания [2, 8].

Оборудование и программное обеспечение. Расчёты выполнены на персональном компьютере с процессором Intel Core i7-12700K (12 ядер, 3.6 ГГц), оперативной памятью 64 ГБ и использованием параллельных вычислений (8 ядер). Для постобработки использовались встроенные средства ANSYS CFD-Post и пакет Microsoft Excel для построения графиков и статистической обработки. Погрешность CFD-моделирования оценена путём сравнения с экспериментальными данными для традиционного циклона [1] и не превышает 5 % [8].

Модернизация циклона. Предложены три конструктивных изменения (рис. 1–3) [4–7]:

1. Установка направляющих лопаток на входе для предварительной закрутки потока (угол закрутки α = 20°) [5, 9].
2. Оптимизация выходного патрубка (vortex finder): уменьшение диаметра до 0,5·D и увеличение глубины погружения до 0,6·D [4, 6].
3. Установка конической вставки в бункере (угол конуса 60°, высота 0,3·D) [3, 7].

Рисунок 1. Модуль предварительной закрутки (направляющие лопатки)

Рисунок 2. Выходной патрубок (Vortex Finder)

Рисунок 3. Коническая вставка в бункере

Результаты и обсуждения

Анализ недостатков традиционных конструкций. На основе обобщения литературных данных [1–7] и результатов CFD-моделирования выявлены ключевые факторы, ограничивающие эффективность традиционных циклонных сепараторов:

• повторный унос частиц — осевшие на стенках или в бункере частицы могут повторно вовлекаться в восходящий поток и выноситься из аппарата [1, 3];
• короткое замыкание потока — часть газового потока поступает непосредственно в выходной патрубок, минуя зону активной сепарации [4, 6];
• нестабильность вихревой структуры — колебания и асимметрия вихря снижают эффективность осаждения [2, 9].

. На рис. 4 представлены результаты численного моделирования - кривые эффективности улавливания (степень осаждения) в зависимости от размера частиц для базового и модернизированного циклонов, полученные методом CFD [2, 8].

Рисунок 4. Сравнительный анализ эффективности и аэродинамических характеристик циклонного сепаратора до и после модернизации.

Как видно из рис. 4, модернизированный циклон обеспечивает более высокую эффективность улавливания во всём диапазоне размеров частиц. Эффективность улавливания частиц размером 5 мкм возросла с 82,3 % до 87,9 %, т.е. на 5,6 процентных пункта (относительное увеличение ~6,8 %). Для частиц размером 10 мкм эффективность повысилась с 90,1 % до 93,4 % (на 3,3 процентных пункта). Рост гидравлического сопротивления составил ~12 %, что признаётся приемлемым для большинства промышленных применений [1, 9]. Погрешность результатов CFD-моделирования, оценённая по сравнению с экспериментальными данными [1], не превышает 5 % [8].

Зависимость эффективности от конструктивных параметров. На основе результатов численных экспериментов установлены зависимости эффективности сепарации от следующих параметров [4–7, 9]:

• угла закрутки направляющих лопаток α (оптимальный диапазон 15–25°);
• относительной глубины погружения выходного патрубка L/D (оптимальное значение ~0,6);
• геометрии конической вставки (угол конуса 60°, высота 0,3·D).

Однако увеличение эффективности сопровождается ростом гидравлического сопротивления. Поэтому ключевой задачей является поиск оптимального соотношения между эффективностью и энергозатратами.

Заключение

В работе выполнен анализ недостатков традиционных циклонных сепараторов на основе обобщения литературных данных [1–7] и результатов CFD-моделирования. Выявлено, что ключевыми факторами, ограничивающими эффективность, являются повторный унос частиц, короткое замыкание потока и нестабильность вихревой структуры [2, 4, 9]. Предложена модернизация циклона, включающая предварительную закрутку потока, оптимизацию выходного патрубка и установку конической вставки [4–7]. По результатам CFD-моделирования в ANSYS Fluent установлено, что комплексное применение всех трёх методов позволяет повысить эффективность улавливания частиц размером 5 мкм на 5,6 процентных пункта (с 82,3 % до 87,9 %) при росте гидравлического сопротивления на 12 %. Для частиц размером 10 мкм эффективность повысилась на 3,3 процентных пункта. Полученные результаты согласуются с литературными данными [1, 9] и подтверждают, что управление структурой вихревого потока является перспективным направлением повышения эффективности циклонных аппаратов.

Результаты исследования могут быть использованы при проектировании новых циклонных сепараторов и модернизации существующих установок. Дальнейшие исследования должны быть направлены на экспериментальную верификацию полученных зависимостей на пилотной установке для подтверждения статистической значимости различий [8, 9].

Список литературы:

1. Hoffmann A.C., Stein L.E. Gas Cyclones and Swirl Tubes. Springer, 2008. 422 p.
2. Nakhaei M. et al. CFD modeling of gas–solid cyclone separators at ambient and elevated temperatures //Processes. – 2020. – Т. 8. – №. 2. – С. 228.
3. Ajarostaghi S. S. M., Mousavi S. S., Bhojaraju C. Numerical Investigation the Effects of Cone Diameters on the Flow Pattern and Separation Efficiency in a Cyclone Separator //IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – IOP Publishing, 2023. – Т. 1149. – №. 1. – С. 012005.
4. Fu S. et al. Performance evaluation of industrial large-scale cyclone separator with novel vortex finder //Advanced Powder Technology. – 2021. – Т. 32. – №. 3. – С. 931-939.
5. Zhang Z. W. et al. Simulation and experimental study of effect of vortex finder structural parameters on cyclone separator performance //Separation and Purification Technology. – 2022. – Т. 286. – С. 120394.
6. Zhang Y. et al. Vortex finder diameter and depth effects on the separation performance of hydrocyclone //Chemical Engineering Research and Design. – 2023. – Т. 195. – С. 181-191.
7. Fatahian E. et al. A low-cost solution for the collection of fine particles in square cyclone: A numerical analysis //Powder Technology. – 2021. – Т. 387. – С. 454-465.
8. Fetuga I. A. et al. Eulerian–Lagrangian fluid dynamics study on the effects of inlet radial angle on the performance and flow pattern of multi-inlet cyclone separator //Alexandria Engineering Journal. – 2023. – Т. 78. – С. 453-468.
9. Dehdarinejad E. et al. Performance analysis of a gas cyclone with a converging-diverging vortex finder //Chemical Engineering Research and Design. – 2023. – Т. 193. – С. 587-599.
10. Rahman M. A., Hasnain S. M. M., Zairov R. Assessment of improving heat exchanger thermal performance through implementation of swirling flow technology //International Journal of Thermofluids. – 2024. – Т. 22. – С. 100689.