به نام خدا جدا کننده های سیکلونی Cyclone Separators cyclone

مکانیسمهای جمع آوری ذرات مقدمه مکانیسمهای جمع آوری ذرات 1- ته نشینی ثقلی 2- برخورد سانتریفیوژی 3- برخورد اینرسی 4- برخورد مستقیم 5-پخش(Diffusion) 6-اثرات الکترواستاتیک cyclone

5 نوع اصلی تجهیزات کنترل ذرات 1-Gravity settling 2-Cyclone Separators 3-Wet Collectors 4- Fabric Filter 5- Electrostatic Precipitators cyclone

داده های مورد نیاز برای طراحی و انتخاب دستگاه خصوصیات فیزیکی و شیمیایی ذرات میزان بار گذاری ذرات درجه حرارت و فشار جریان رطوبت میزان جریان حجمی گاز خصوصیت گاز از نظر حلالیت و خوردگی میزان خروجی مورد نظر cyclone

سیکلون Cyclone دستگاهی است که با نیروی گریز از مرکزی که در اثر گاز ورودی به علت شکل دستگاه تولید می شود ذرات جامد یا مایع را از گاز جدا می کند گاز وارد دستگاه می شود و به علت نیروی گریز از مرکز گاز در داخل دستگاه چرخش پیدا میکند و از دهانه خروجی خارج میشود ولی ذرات بزرگتر به علت بیشتر بودن وزن و نیرو مومنتوم نمی تواند همراه گاز چرخش کنند و با برخورد به دیواره رسوب می کنند cyclone

نمایی از سیکلون cyclone

تقسیم بندی سیکلون سیکلون از نظر ورود گاز به محفظه به سه دسته تقسیم می شوند 1- سیکلون مماسی(فوقانی) 2- سیکلون محوری 3- سیکلون تحتانی cyclone

سیکلون مماسی این نوع سیکلون اغلب در مناطق صنعتی ،شهرکها و در کارخانجات سیمان ، برق و قدرت ، ریخته گری و در دیگر فرایند های صنعتی به کار می رود cyclone

سیکلون محوری در این نوع سیکلون جریان گاز به صورت موازی از محورهای بالای بدنه سیکلون وارد می شود و جریان گاز بوسیله پره های مرکزی از ابتدا به صورت الگوی گردابی می باشند. این سیکلونها معمولا به صورت چندتایی استفاده می شود تا راندمان بالایی داشته باشند cyclone

سیکلون تحتانی از نظر اندازه این سیکلون بزرگتر از بقیه ساخته می شود و اغلب بعد از اسکرابرها ی تر برای جمع آوری ذراتی که با قطرات آب آمیخته شده اند استفاده می شوند. cyclone

تقسیم بندی دیگر از انواع سیکلون(موازی یا سری) سیکلون های موازی این واحدها برای کاهش بار ورودی به سیستم طراحی می شوند و حجم بیشتری از گاز را پالایش می کند . cyclone

سیکلون های سری این واحدها برای افزایش راندمان سیستم طراحی می شود اما افت فشار در این سیستمها بیشتر از سیستم های موازی است cyclone

ساختمان سیکلون سیکلون داری 5 قسمت اصلی به شرح زیر است 1- بدنه : استوانه ای شکل بوده و قطر آن از 10 میلیمتر در آزمایشگاه ها تا 5000 میلیمتر در کارخانجات و صنایع متغیر است 2- مخروطی ناقص: این قسمت در دنباله استوانه قرار میگیرد شیب مخروطی به شکلی است ذرات از دیواره آن به سوی پایین سر بخورند شیب مناسب 7تا8درجه نسبت به بدنه ی اصلی می باشد 3- قسمت ورودی گاز 4- قسمت خروجی گاز 5- قسمت خروجی ذرات : این قسمت در انتها مخروط قرار گرفته و طوری ذرات را به خارج هدایت می کند که هوا به داخل سیکلون نفوذ نمی کند cyclone

دیمانسیون سیکلون شفرد و لاپل تحقیقات بسیاری برای دیمانسیون سیکلون انجام دادند و ابعادی را که عملکرد بهینه سیکلون نشان می داد، ارائه کردندو به پیروی از این ابعاد، این سیکلون را سیکلون استاندارد نامیدند تمام ابعاد بر اساس قطر بدنه سیکلون می باشد . جدول اسلاید بعدی به سه نوع از ابعاد سیکلون اشاره کرده است cyclone

cyclone

چگونگی عمل سیکلون گاز حامل ذرات از راه ورودی وارد قسمت استوانه ای شده و با حرکت دورانی مارپیچی بسوی پایین جریان می یابد. نیروی گریز از مرکز که به علت گردش گاز بر ذرات وارد می شود آنها را به سوی بدنه سیکلون می راند وموجب جداشدن آنها از گاز و نشست بر دیواره سیکلون می شود. وقتی گاز با حرکت مارپیچی خود به انتهای مخروط رسید ناچار جهت خود را تغییر میدهد و از پایین به بالا با پیچشی با شعاع کوچک تر از میانه ی مارپیچ اولیه به حرکت در می آید و از خروجی گاز که در محور استوانه قرار دارد خارج می شود. سیکلون معمولا برای ذرات بیشتر از 10 میکرون به کار برده میشود اما برای ذرات 15-20 میکرون راندمان نزدیک به 90 درصد دارد cyclone

cyclone

تئوری و طراحی سیکلون cyclone

تفاوت نیروی سانتریفوژ و نیروی ثقل نسبت نیروی سانتریفوژ به نیروی ثقل cyclone

طراحی سیکلون یک مدل بسیار ساده برای تعیین راندمان سیکلون وجود دارد که به شرح زیر است برای تعیین تعداد چرخش های برآوردی حلقه بیرونی(N) از رابطه زیر استفاده می شود. که در سیکلون های معمولی این پارامتر برابر 4 می باشد.(A) cyclone

برای جمع آوری ، ذرات در مدت زمانی که گاز در حلقه بیرونی حرکت می کند باید به دیواره برخورد کنند. این مدت زمان گاز در حلقه بیرونی از رابطه زیر استفاده می شود.(B) cyclone

دورترین فاصله ای که ذره حرکت می کند برابر است با عرض ورودی کانال(W) دورترین فاصله ای که ذره حرکت می کند برابر است با عرض ورودی کانال(W). و سرعت رانش که در زمان Δt ،ذره به دیواره سیکلون برسد و از گاز جدا شود برابر است با ((C cyclone

سرعت رانش تابع اندازه ذره می باشد بافرض رژیم جریان استوکس نیروی دراگ برابر با وبا فرض کروی بودن ذرات نیروی سانتریفوژ برابر است با cyclone

با توجه به اینکه r=D/2 و v= و معادله استوکس معادله زیر بدست می آید(D) cyclone

با جایگزین کردن رابطه B در C و حذف Δt و سپس قرار دادن رابطه C و D این معادله بدست می آید . cyclone

با توجه به معادله فوق قطر کوچکترین ذره که با 100% راندمان جمع آوری شده با ویسکوزیته گاز و عرض کانال ورودی رابطه مستقیم و با تعداد چرخش ها ی موثر، سرعت گاز ورودی و اختلاف دانسیته بین ذرات و گاز رابطه عکس دارد . البته این مدل دارای نقص می باشد چرا که در عمل همه ی ذرات بزرگتر از قطر مورد نظر با راندمان 100% حذف نمی شود و این به این دلیل است که تمام داده ها تخمین زده شده است . cyclone

تنها تفاوت با معادله قبلی وجود عدد 2 در مخرج است . لاپل در سال 1951 با استفاده از آزمایشات نیمه تجربی قطر ذراتی با بازدهی 50% را به دست آورد تنها تفاوت با معادله قبلی وجود عدد 2 در مخرج است . cyclone

لاپل یک منحنی عمومی برای سیکلون استاندارد رسم کرد که راندمان جمع آوری ذرات برای هر اندازه ذره نشان می داد cyclone

در سال 1980 تئودور و دی پائولا برای منحنی لاپل یک معادله جبری نوشتند که بسیار راحتر و کاربردی تر می باشد. cyclone

برای راندمان کلی که به عنوان عملکرد دستگاه نیز شناخته می شود به صورت میانگین وزنی راندمانهای جمع آوری برای اندازه های متفاوت ذرات بیان می شود cyclone

cyclone

cyclone

افت فشار Pressure Drop افت فشار یکی از پارامترهای مهم برای انتخاب سیکلون می باشد افت فشار با هزینه انرژی رابطه مستقیم دارد معمولا راندمان های جمع آوری بالاتر سبب افت فشارهای بیشتر می شوند . در طراحی سیکلون، برای داشتن راندمان بهینه دانستن افت فشار الزامی است cyclone

افت فشار یک سیکلون ناشی از فاکتورهای زیر می باشد افت فشاز ناشی از انبساط گاز در ورودی به سیکلون افت فشار ناشی از تشکیل جریان گردابی (Vortex) افت فشار ناشی از برخورد و اصطکاک با دیواره افت فشار ناشی از بازیافتن انرژی جنبشی حرکت چرخشی به عنوان انرژی فشاری فاکتور های 1، 2 و 3 مهمتر ازفاکتور 4می باشد در سال 1953 لینویا نشان داد که افت فشار ناشی از تشکیل جریان گردابی مهمتر از اصطکاک دیواره است cyclone

اغلب معادلات افت فشار برای سیکلون ها، افت فشار را به صورت تعداد افت های سرعت معادل افت ΔHبیان می کند سپس افت های سرعت معادل افت را می توان به افت فشار ΔP در ارتفاع سیال(آب) تبدیل کرد. cyclone

که ΔH از معادله زیر بدست می آید cyclone

اما معادله ای بسیار راحت و رایج تر معادله لاپل است که این میزان به صورت زیر است اگر مقدار افت فشار بر اساس اینچ آب باشد با توجه به سرعت ورودی مقدار ضریب ثابت K از 0.013 تا 0.024 متغیر است . که مقدار 0.024 معمول است . cyclone

افت فشار برای سیکلون ، با توجه به اندازه و نوع طراحی سیکلون متفاوت است سیکلون با راندمان پایین: 2 تا 4 اینچ آب (0.5 تا 1 kPa) سیکلون با راندمان متوسط 4 تا 6 اینچ آب (1تا 1.5 kPa) سیکلون با راندمان بالا : 8 تا 10 اینچ آب (2 تا 2.5 kPa) cyclone

بهره برداری و نگه داری Operation & Maintenance متغیرهای زیادی در عملکرد سیکلون تاثیر دارند که شامل مشخصه های گاز و ذره می شود . مشخصات گاز عبارتند از : دما (Temperature) فشار (Pressure) ترکیب گاز (Gas composition) مشخصات ذره شامل: اندازه (Size) توزیع اندازه (Size distribution) شکل (Shape) دانسیته (Density) غلظت (Concentration) . cyclone

وقتی دمای گاز افزایش یابد ، دانسیته کم می شود ولی ویسکوزیته افزایش می یابد اما با این حال مقدار دانسیته گاز نسبت به دانسیته ذره ناچیز است اثر چندانی در راندمان سیستم ندارد . دمای بالا سرعت ورودی و سرعت ذره را به سوی دیواره را افزایش می دهد و افزایش ویسکوزیته باعث کاهش سرعت ذره به سمت دیواره می شود اثر ویژه دما در دمای 40 تا 700 فارنهایت معمولا ثابت است .اگردما بیش از700 فارنهایت باشد سطح داخلی سیکلون را باید به وسیله ی آستری از آجر نسوز و قسمت های خروجی را بوسیله صفحات مقاوم در مقابل گرما با سرامیک پوشاند در دمای بالاتر از 1000 فارنهایت ویسکوزیته افزایش می یابد و باعث کاهش راندمان می شود . ترکیب گاز هم می تواند بر دانسیته و ویسکوزیته نیز اثر گذارد. cyclone

مسیر لوله هایی که گاز را به سیکلون آورده و یا از آن دور می کنند باید حتی الامکان مستقیم باشد. شیر کشویی و شیر پروانه ای نیز نباید در قسمت های ورودی و خروجی گروه سیکلون ها قرار گیرند تا بدین ترتیب تعادلی که بین مقاومت های آئرودینامیکی موجود است، به هم نخورد. اگر گاز دارای سایش باشد، جداره های سیکلون را می توان با استفاده از مواد ضد سایش نظیر آجر های بازالتی در مقابل سایش مقاوم ساخت . در مولتی سیکلون ها در قسمت ورودی باید گاز را بطور یکنواخت در بین سیکلون ها توزیع کرد. cyclone

تاثیر نیروی ثقل بر جداسازی ذرات ناچیز است بدین معنی که موقعیت و وضعیت سیکلون در هر حالتی نباید در میزان جمع آوری تاثیری بگذارد .یک سیکلون خوب باید درهر شرایطی راندمان مناسبی داشته باشد اما تجربه نشان داده که سیکلون به طور عمودی راندمان بهتری نسبت به وضعیتهای دیگر دارد . برای بهره برداری موثر قسمت جمع کننده ذرات باید نسبت به هوا نفوذ ناپذیر باشد ودر فواصل بین فلنج ها از واشر استفاده کرد تمام درزها ، شیارها و سوراخ ها را برای جلوگیری از خارج شدن ذرات باید درزگیری کرد. کوچکترین نشت در بدنه سیکلون سبب خروج مقدار زیادی از ذرات به خارج از سیکلون می شود، نفوذ هوا به میزان 10-15 درصد حجم گاز می تواند بازدهی غبارگیری سیکلون را به صفر کاهش دهد. cyclone

نکته: قیف تخلیه هیچ گاه نباید از ذرات جمع آوری پر شوند تخلیه متناوب ذرات جمع آوری شده در سیکلون: هرگاه ذرات در قسمت مخروطی سیکلون انباشته شود، جریان گاز داخل سیکلون مجددا غبار را به همراه خود خواهد برد که آن نیز به نوبه ی خود در بازدهی سیکلون اثر منفی خواهد گذاشت. باید در فواصل معین ویا به طور دائم با استفاده از دستگاههای تخلیه ذرات که در زیر سیکلون قرار داده شده است، ذرات جمع آوری شده تخلیه شوند. نکته: قیف تخلیه هیچ گاه نباید از ذرات جمع آوری پر شوند cyclone

پیدا کردن نشت در سیکلون کار پیچیده ای نیست چرا که با تاباندن نور از بالا به کف سیکلون می توان هر گونه خوردگی ، نشت واشرها و شکستگی ها در نقاط اتصال را پیدا کرد. نشت یابی در سیکلون اهمیت بسیاری دارد زیرا از کاهش راندمان به طور موثری جلوگیری می کند راندمان سیکلون با افت فشار و سرعت ورودی تعیین میشود . افت فشار با تغییر قطر بدنه و میزان جریان حجمی افزایش یا کاهش می یابد . اگر سیکلون با جریان کم بهره برداری می شود باید از damper برای افزایش سرعت گاز استفاده کرد. میزان سازی دقیق جریان سیکلون ها به علت نداشتن قطعات متحرک بسیار مشکل است تنها در سیکلون های محوری وجود پره های مارپیچی توانایی کنترل جریان آن هم به صورت محدود را دارد . cyclone

این جدول تغییرات در عملکرد مشخصه های سیکلون را بخوبی نشان می دهد. cyclone

خلاصه ای از تغییرات و اثر آنها بر روی بهره برداری سیکلون cyclone

اطلاعاتی از هزینه سیستم EPA در سال 1995 با توجه به سیکلون استاندارد و با فرضیات زیر هزینه های سیکلون را برآورد کرد. با فرض میزان جریان بین 0.5 تا 12 مترمکعب بر ثانیه بار ورودی 2.3 تا 230 بر مترمکعب و نگه داشتن راندمان در حالت 90 درصد هزینه سرانه : 4200 تا 5100 دلار به ازای هر مترمکعب جریان بر ثانیه هزینه O & M : 2400 تا 27800 دلار به ازای هر متر مکعب جریان بر ثانیه هزینه ی سالیانه : 2800 تا 28300 دلار بهازای هر متر مکعب جریان بر ثانیه هزینه وبهره وری : 0.45 تا 460 دلار به ازای هر 1000کیلوگرم آلاینده cyclone

انتخاب سیکلون درجه ی کوچکی ذراتی که باید جمع آوری شوند ، با روش مناسب و یا در جریان کار محاسبه شوند مقدار گازی که باید تصفیه شود در شرایط کار تعیین و تغییرات آن در فرایندهای مختلف مشخص شود. دانسیته ی گاز در شرایط استاندارد تعیین و برای شرایط کار محاسبه شود دانسیته ذرات تعیین گردد دمای گاز اندازه گیری شود افت فشار مورد قبول بر حسب اینچ آب پیش بینی گردد درصد بازدهی مورد نیاز برای ذرات در نظر گرفته شود مقدار بار ذرات گاز ورودی محاسبه و یا اندازه گیری شود cyclone

مقدار فشار(مکش) گاز در محل ورودی مدنظر قرا گیرد مقدار آب موجود در گاز تعیین شود در صورت لزوم برای جلوگیری از چگالش اقدام شود نوع و مقادیر گازها خورنده مانند اسید سولفوریک، اسیدکلریدریک، اسید فلوریدریک و غیره که علاوه بر خورندگی دیواره ی سیکلون بر نقطه شبنم گاز و انعقاد ذرات نیز اثر می گذارد تعیین گردد cyclone

مزایا هزینه سرانه کم نداشتن تجهیزات متحرک بنابراین نگهداری تجهیزات کم و هزینه بهره برداری کم افت فشار نسبتا پایین ( 0.5 تا 8 اینچ آب) دما و فشار در میزان جمع آوری تاثیری ندارد میزان آن تنها به ساختمان دستگاه بستگی دارد دفع و جمع آوری ذرات به صورت خشک احتیاج به فضای کم آسان بودن نصب و جایگزینی قطعات معیوب cyclone

مشکلات راندمان پایین برای ذرات کوچکتر از 10 میکرون متر در راندمانها بالا افت فشارهای بالا بدست می آید ناتوان درجمع آوری ذرات چسبناک حساس بودن راندمان جمع آوری به تغییرات میزان جریان گاز ، بار ورودی و توزیع اندازه ذرات هزینه نسبتا بالا بهره برداری در مولتی سیکلون ها cyclone

خلاصه ای از ویژگی ها انواع سیکلون : مماسی ، محوری و تحتانی میزان جریان گاز : 0.5 تا 15 مترمکعب بر ثانیه میزان بار ورودی : تا 400 گرم بر متر مکعب افت فشار : 0.5 تا 8 اینچ آب دمای بهره برداری : تا 1000 درجه فارنهایت کاربردها : در کارخانجات سیمان ، فرز کاری ، خشک کن های زغال گرمایی و همچنین کارخانجات دترجنت اندازه ذرات جمع آوری کننده :بیشترین راندمان(بالاتر از 10 میکرون) لیستی از شرکت های تهیه کننده : Advanced Combustion Systems Inc.; Alfa-Laval Separation Inc,; Bayliss-Trema Inc,; Beckert and Heister Inc.; Clean Gas Systems Inc,; Dresser Industries Inc.; Ducon Environmental Systems; Emtrol Corp.; Fisher-Klosterman Inc.; Hough International Inc.; cyclone

منابع 1- Cheremisinoff, Nicholas ”Handbook of air pollution prevention and control” Butterworth-Heinemann, 2002 2-liu. David , liptak. Bela “Environmental Engineers’ Handbook “CRC Press LLC, second edition, 1999 3- Theodore, Louis.” AIR POLLUTION CONTROL EQUIPMENT CALCULATIONS” John Wiley & Sons, 2008 4- غیاث الدین، منصور ” آلودگی هوا“، انتشارات دانشگاه تهران و مرکز توسعه فن آوری نیرو، 1385 5-www.adamscompany.com/airpollution/alley&copper 6-www.cycloneseperators.com 7- www.epa.gov cyclone

THANK YOU گردآورندگان : فرشید قنبری استاد راهنما : آقای دکتر متصدی farshidbeat@gmail.com cyclone