1. Разделение газовых систем (очистка газов)
Промышленная очистка газов от взвешенных в них твердых или жидких частиц проводится для уменьшения загрязненности воздуха, улавливания из газа ценных продуктов или удаления из него вредных примесей, отрицательно влияющих на последующую обработку газа, а также разрушающих аппаратуру.
Очистка отходящих промышленных газов является одной из важных технологических задач большинства химических производств. Поэтому разделение газовых неоднородных систем относится к числу широко распространенных основных процессов химической технологии.
В промышленных условиях пыль может образовываться в результате механического измельчения твердых тел (при дроблении, истирании, размалывании, транспортировке и т. д.), при горении топлива (зольный остаток), при конденсации паров, а также при химическом взаимодействии газов, сопровождающемся образованием твердого продукта. Получаемая в таких процессах пыль состоит из твердых частиц размерами 3-70мкм (ориентировочно). Взвеси, образующиеся в результате конденсации паров (нефтяные дымы, туманы смол, серной кислоты и др.), чаще всего состоят из очень мелких частиц размерами от 0,001 до 1мкм.
Различают следующие способы очистки газов:
осаждение под действием сил тяжести (гравитационная очистка);
осаждение под действием инерционных, в частности центробежных сил;
фильтрование;
мокрая очистка;
осаждение под действием электростатических сил (электрическая очистка).
На практике требуемая степень очистки газа не всегда может быть достигнута в одном газоочистительном аппарате. Поэтому в ряде случаев применяют двухступенчатые и многоступенчатые установки, включающие аппараты одного и того же или разных типов.
1.1 Инерционные пылеуловители
Действие пылеуловителей такого типа основано на использовании инерционных сил, возникающих при резком изменении направления газового потока, которое сопровождается значительным уменьшением его скорости. Устанавливая на пути движения запыленного газа (например, в газоходе) отражательные перегородки или применяя коленчатые газоходы, изменяют направление движения газа на 90 или 180º. При этом частицы пыли, стремясь сохранить направление своего первоначального движения, удаляются из потока. Для эффективного улавливания пыли скорость потока газа перед перегородками должна составлять не менее 5-15м/с.
Инерционные пылеуловители отличаются простотой устройства, компактностью и не имеют движущихся частей, однако в них достигается невысокая степень очистки (примерно 60%) пыли (размер удаляемых частиц более 25мкм). К недостаткам инерционных пылеуловителей относятся также сравнительно большое гидравлическое сопротивление, быстрый износ и забивание перегородок.
1.2 Циклоны
1.2.1 Конструктивное оформление циклонов нииогаз
В циклонах используется центробежная сила, развивающаяся при вращательно-поступательном движении газового потока. Под действием центробежной силы частицы золы или пыли подводятся к стенке циклона и вместе с частью газов попадают в бункер. Попавшая в бункер часть газов, освободившись от пыли, возвращается в циклон через центральную часть пылеотводящего отверстия, давая начало внутреннему вихрю очищенного газа, покидающего аппарат. Отделение частиц от попавших в бункер газов происходит под действием сил инерции при перемене направления движения газов на 180º. По мере движения этой части газов в сторону выхлопной трубы к ней постепенно присоединяются порции газов, не попавших в бункер. Последнее не вызывает значительного увеличения выноса пыли в выхлопную трубу, так как распределенное по значительному отрезку длины циклона перетекание газов происходит со скоростью недостаточной для противодействия движению частиц к периферии циклона. Несравненно большее влияние на полноту очистки газов оказывает их движение в области пылеотводящего отверстия навстречу сыплющейся пыли.
Из вышеизложенного следует: в принципе циклоны могут нормально работать при любом их положении в пространстве, но чрезвычайно чувствительны к присосам через бункер из-за увеличения объемов газов, движущихся навстречу пыли; бункер участвует в аэродинамике циклонного процесса, поэтому использование циклонов без бункера или с уменьшенными против рекомендуемых размерами бункеров приводит к ухудшению эффективности аппаратов.
В свое время из-за отсутствия стройной теории процесса циклонной очистки газов в поисках оптимальной по металлоемкости, гидравлическому сопротивлению и эффективности геометрии циклонов было создано неоправданно большое количество типов этого вида пылеулавливающей аппаратуры.
Степень очистки газа в циклоне зависит не только от размеров отделяемых частиц и скорости вращения газового потока, но от конфигурации основных элементов и соотношения геометрических размеров циклона. Кроме циклонов НИИОГАЗ существует большое число разновидностей циклонов, в которых повышение степени очистки достигается за счет усложнения конструкции и соответственно – повышения гидравлического сопротивления аппарата. Поэтому для очистки промышленных газов наиболее широко применяются циклоны конструкции НИИОГАЗ. Однако для очистки вентиляционного воздуха часто используют более простые по конструкции, но менее эффективные циклоны.
В циклонах НИИОГАЗ с диаметром корпуса от 100 до 1000мм степень очистки газов от пыли составляет 30-85% (для частиц диаметром 5мкм) и с увеличением диаметра частиц повышается до 70-95% (для частиц диаметром 10мкм) и далее до 95-99% (для частиц диаметром 20мкм). При этом содержание пыли в очищаемом газе не должно превышать 0,2-0,4кг/м³. Лишь для циклонов диаметром 2000-3000мм допускается увеличение начальной концентрации пыли в газе до 3-6кг/м³. Теоретический расчет циклонов весьма сложен. Поэтому их рассчитывают упрощенно по гидравлическому сопротивлению аппарата.
Циклоны из углеродистой стали (нормализованные) применяются для очистки газов, имеющих температуру не более 673ºК (400ºК). Газы с более высокими температурами очищают в циклонах, изготовленных из жаропрочных материалов; в этих случаях корпус циклона часто футеруют изнутри термостойкими материалами (шамотным кирпичом, огнеупорными плитками и др.). Наиболее низкая температура газов, поступающих на очистку в циклон, должна быть не менее чем на 15-20ºС выше их точки росы, чтобы не происходили конденсация паров влаги и образование шлама, что вызывает резкое ухудшение очистки.
Степень очистки газа в циклонах зависит от значения фактора разделения и может быть повышена либо путем уменьшения радиуса вращения потока запыленного газа, либо путем увеличения скорости газа. Однако повышение скорости газа вызывает значительное возрастание гидравлического сопротивления циклона и увеличение турбулентности газового потока, ухудшающей очистку газа от пыли. Уменьшение радиуса циклона приводит к снижению его производительности. Поэтому часто для очистки больших количеств запыленных газов вместо циклона большого диаметра применяют несколько циклонных элементов значительно меньшего диаметра (их монтируют в одном корпусе). Такие циклоны называются батарейными циклонами, или мультициклонами.
Батарейные циклоны выделены в отдельную разновидность аппаратов из-за конструктивных особенностей, связанных с раздачей потока по многим одинаковым элементам циклонного типа. Поэтому я рассмотрю их в отдельной главе.
Различают цилиндрические и конические циклоны НИИОГАЗ. К цилиндрическим циклонам НИИОГАЗ в первую очередь относятся аппараты типа ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У и ЦН-24. Отличительной особенностью этих аппаратов является наличие удлиненной цилиндрической части корпуса, наклон крышки и входного патрубка соответственно под углом 11, 15 и 24º, а также одинаковое отношение диаметра выхлопной трубы к диаметру циклона. В зависимости от типа, циклоны ЦН имеют различные соотношения внутреннего диаметра к их длине, ширине и высоте входного патрубка, диаметру выхлопной трубы и другим определяющим размерам. В таблицах приведены соотношения размеров для циклонов ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У и ЦН-24.
На основании этих размеров могут быть разработаны циклоны ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У любых размеров в пределах от 200 до 2000мм и циклоны СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34 и ЦН-24 в пределах от 400 до 3000мм. Согласно ГОСТу 9617 – 67 для циклонов приняты следующие размеры диаметров (в мм): 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2400, 3000. Однако для цилиндрических циклонов в одиночном исполнении этот ряд диаметров рекомендуется ограничивать значением 2000мм, а в групповом исполнении 1800мм. Кроме того, для ограничения числа типоразмеров групповых циклонов сборки из аппаратов с диаметрами 300, 500 и 700мм рекомендуется по возможности не применять, а заменять их равноценными по производительности группами из циклонов других диаметров.
Циклоны ЦН-15У, 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. Циклоны ЦН могут применяться как в одиночном, так и в групповом исполнении. В группах циклоны компонуются в два ряда или имеют круговую компоновку в соответствии с рекомендациями.
Рис. 1. Примеры конструкций циклонов.
а иб– циклоны ЧССР;в– СИОТ;г– циклон Мельстроя;д– СВК ЦН-15;е– циклон Давидсона;ж– циклон с двойной стенкой;з– циклон с перфорированной выхлопной трубой;и– циклон с рециркуляцией;к– двойной циклон;л– циклон Сыркина;м– циклон ЛИОТ;н– циклон ВЦНИИОТ;оип– циклоны Гипродревпрома;р– циклон Полизиуса;с– циклон с обводом пыли.
Особое место среди цилиндрических циклонов НИИОГАЗ занимает аппарат ЦМС-27, специально разработанный для использования в малых котельных и для установок промышленной теплотехники, работающих на естественной тяге дымовой трубы (рис. 3). Гидравлическое сопротивление (но зато и эффективность) циклона ЦМС-27 существенно ниже, чем у любых других аппаратов рассматриваемого типа.
Рис. 2. Циклон ЦН.
Рис. 3. Циклон ЦМС-27.
В промышленной теплоэнергетике наряду с цилиндрическими циклонами НИИОГАЗ широкое распространение получили циклоны ЦКТИ (Ц), серийно выпускаемые в качестве золоуловителей для очистки дымовых газов котлоагрегатов паропроизводительностью от 2,5 до 6,5т/ч. По конструкции и технико-экономическим показателям циклоны типа Ц почти не отличаются от циклонов типа ЦН-15. Золоуловители с циклонами Ц изготавливаются Кусинским машиностроительным заводом и поставляются блоками, включающими от четырех до шести аппаратов (рис. 4).
Рис. 4. Блок циклонов типа Ц (такую же компоновку могут иметь блоки циклонов ЦН).
К коническим циклонам НИИОГАЗ относятся аппараты типа СДК-ЦН-33 и СК-ЦН-34. Они отличаются удлиненной конической частью, спиральным входным патрубком и малым отношением диаметра трубы к диаметру цилиндрической части циклона, равным 0,33 и 0,34 (рис. 5). Конические циклоны при равных производительностях с цилиндрическими отличаются от последних большими габаритами и поэтому обычно не применяются в групповом исполнении.
Рис. 5. Спирально-конический циклон ЦН.
Применительно к установкам каталитического крекинга нефтепродуктов, дегидрирования бутана, а также производства сажи были разработаны модернизированные конические циклоны НИИОГАЗ типа СК-ЦН-34М. Эти циклоны применимы для улавливания пылей, обладающих очень высокой абразивностью частиц или их высокой слипаемостью. Однако потери давления в этих циклонах примерно в 2 раза больше, чем в конических циклонах СДК-ЦН-33 и СК-ЦН-34. Можно предполагать, что область их промышленного применения будет расширяться, в частности, представляется перспективным их применение для улавливания угольной пыли на центральных пылезаводах, а также в индивидуальных системах пылеприготовления с шаровыми мельницами.
Циклоны могут выполняться как для «правого» вращения газового потока, так и для левого вращения. «Правым» принято называть вращение газового потока в циклоне по часовой стрелке, если смотреть со стороны выхлопной трубы; «левым» - вращение против часовой стрелки. Конструктивная схема циклонов ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-11, ЦН-24 представлена на рис. 6.
□к
Вид циклона с правым Вид циклона с левым
вращением газа. вращением газа.
Рис. 6. Конструктивная схема циклонов ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24 с правым и левым вращением газов.
1– цилиндрическая часть;2– коническая часть корпуса;3– крышка винтообразная;4– труба выхлопная;5– стенка входного патрубка передняя;6– стенка входного патрубка задняя;7– стенка входного патрубка верхняя;8– стенка входного патрубка нижняя;9– фланец опорный;10– косынка.
Основные размеры циклона ЦН-11, который я буду рассчитывать в курсовой работе, приведены в таблице 3.
В состав каждого одиночного циклона входят следующие узлы – циклон, бункер, люк на бункере, опорные лапы.
На рис. 7 представлена сборка одиночных цилиндрических циклонов типа ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24.
Вид
А.
Рис. 7. Сборка одиночных циклонов ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24.
1– циклон;2– коническая часть циклона;3– косынки;4– бункер;5– люк;6– лапы опорные.
Для всех одиночных циклонов бункера выполняются цилиндрической формы.
Рекомендуемые диаметры бункеров принимаются в соответствии с рядом диаметров по ГОСТу 1260 – 67, исходя из следующих соотношений:
D1 бункера = 1,5D(для цилиндрического циклона)
D1 бункера = 1,1 – 1,2D(для конического циклона)
Высота цилиндрической части бункера принимается 0,8D1, днище бункера выполняется по ГОСТу 1260 – 67 с углом наклона стенок 60º.
В отдельных случаях (при отсутствии необходимой площади для размещения бункера) разрешается уменьшение диаметра бункера до значения 0,8D(D- внутренний диаметр циклона), при обязательном сохранении расчетного объема.
Для установки на опорные конструкции бункера снабжаются лапами по МН 5128 – 63.
Тип опорных лап выбирается в зависимости от веса аппарата с пылью и условий его установки. Плоские крышки цилиндрических бункеров должны быть снабжены ребрами жесткости, размеры которых определяются, исходя из давления (разряжения) в аппарате и действующих нагрузок.
Для осмотра и чистки бункеров в них предусматриваются люки Ø250 или Ø500мм.
Отверстия для выгрузки пыли приняты в зависимости от емкости бункеров и производительности циклонов следующих размеров: dв =200,dв =300,dв =500.
В виде исключения для самых маленьких бункеров Ø300мм и Ø500мм приняты пылевыпускные отверстия соответственно dв 100 иdв 150. Размеры фланца на штуцере выгрузки пыли должны соответствовать присоединительным размерам пылевых затворов.
В отдельных случаях для снижения гидравлического сопротивления одиночные циклоны типа ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24 снабжаются лопастными раскручивателями. Раскручиватель приваривается к нижней части выхлопной трубы.
Группы чаще всего составляют из циклонов основной серии ЦН (ЦН-24, ЦН-15У, ЦН-15, ЦН-11). Как правило, группы циклонов имеют общий коллектор грязного газа, общий сборник очищенного газа и общий пылевой бункер. Пылевые бункера циклонных групп могут иметь либо круглую, либо прямоугольную форму. Для групп из двух и четырех циклонов применяют обе формы бункеров, а для групп из шести и восьми – только прямоугольные. Необходимые объемы пылевых бункеров определяются их назначением. Объем бункера, оборудованного устройствами для непрерывной выгрузки пыли, может быть выбран меньшим, чем объем бункера, предназначенного для накопления и периодической выгрузки пыли. Минимальное расстояние от оси циклона до стенки бункера не должно быть меньше 0,4D, гдеD– диаметр циклона. Высота прямоугольной части бункера (или цилиндрической) должна быть не менее 0,5D. Угол наклона стенок бункера к горизонту принимается не менее 60º. Конусы циклонов опускаются в бункер на глубину, равную 0,8 диаметра отверстия в них. Для уменьшения общей высоты бункера при непрерывной выгрузке пыли допускается устанавливать в одной группе циклонов несколько бункеров.
Отвод очищенного газа от циклонов группы выполняют либо через улитки, устанавливаемые на каждом циклоне и объединяемые общим коллектором (рис. 4), либо непосредственно через общий коллектор группы (рис. 8, в). Применение выходных улиток уменьшает необходимую высоту группы. Схема присоединения циклонов группы к подводящему коллектору грязного газа показана на рис. 4.
Рис. 8. Варианты конструктивного оформления отвода газов от циклонов.
а – улитка;б – колено;в – общий сборник для группы циклонов;г – выхлопная труба в атмосферу.
Для осмотра бункеров и объединяющих циклоны коллекторов предусматривают съемные люки диаметром 250 или 500мм. В некоторых случаях съемные люки устанавливают на выходных улитках циклонов.