사이클론 분리

지배적인 사이클론 분리기가 있는 부분적으로 파괴된 공장

사이클론 분리는 필터를 사용하지 않고 소용돌이 분리를 통해 공기, 가스 또는 액체 흐름에서 미립자를 제거하는 방법입니다.액체에서 미립자 물질을 제거할 때는 하이드로사이클론이 사용되고, 가스에서 나오는 동안에는 가스 사이클론이 사용됩니다.회전 효과와 중력은 고체와 유체의 혼합물을 분리하는 데 사용됩니다.이 방법은 기체 흐름에서 미세한 액체 방울을 분리하는 데도 사용할 수 있습니다.

고속 회전 (공기) 흐름은 사이클론이라고 불리는 원통형 또는 원뿔형 용기 안에 확립됩니다.공기는 사이클론의 상단(넓은 끝)에서 시작하여 하단(좁은 끝)에서 끝나는 헬리컬 패턴으로 흐른 후 사이클론의 중심을 통과하여 상단으로 직류하여 사이클론을 빠져나간다.회전하는 스트림의 더 큰(더 밀도가 높은) 입자는 너무 많은 관성을 가지므로 스트림의 좁은 곡선을 따라갈 수 없으며, 따라서 외벽에 부딪힌 후 사이클론 바닥으로 떨어져 제거할 수 있습니다.원추형 시스템에서는 회전류가 사이클론의 좁은 끝을 향해 이동함에 따라 흐름의 회전반경이 작아져 입자가 점점 작아진다.사이클론 형상은 체적 유속과 함께 사이클론의 절단 지점을 정의합니다.이는 50%의 효율로 스트림에서 제거되는 입자의 크기입니다.절단점보다 큰 입자는 더 효율적으로 제거되며, 작은 입자는 더 어렵게 분리되거나 공기 소용돌이가 ^[1]출구 방향으로 역방향으로 이동할 때 재진입될 수 있다.

표준 수직 위치에 있는 에어로다인 사이클론의 공기 흐름도.벽면 마모를 줄이기 위해 2차 공기 흐름이 주입됩니다.

대체 설계로 수평 위치에 있는 에어로다인 사이클론의 공기 흐름도.2차 공기 흐름이 주입되어 벽면 마모를 줄이고 포집된 미립자를 호퍼로 이동하여 추출할 수 있습니다.

대체 사이클론 설계는 사이클론 내부의 2차 공기 흐름을 사용하여 수집된 입자가 벽에 부딪히는 것을 방지하고 마모로부터 보호합니다.미립자를 포함한 1차 기류는 사이클론 바닥에서 유입되어 정지된 스피너 베인에 의해 나선 회전에 강제됩니다.2차 기류는 사이클론 상부에서 유입되어 하부로 이동하며 1차 공기의 미립자를 차단합니다.또한 2차 공기 흐름은 선택적으로 수집기를 수평으로 장착할 수 있습니다. 이는 미립자를 수집 영역 쪽으로 밀어내고 이 기능을 수행하기 위해 중력에만 의존하지 않기 때문입니다.

대규모 사이클론은 제재소에서 뽑아낸 공기에서 톱밥을 제거하기 위해 사용된다.사이클론은 정유 공장에서도 기름과 가스를 분리하는 데 사용되며 시멘트 산업에서도 가마 예열기의 구성 요소로 사용됩니다.가정에서 사이클론이 점점 더 많이 사용되고 있으며, 휴대용 진공 청소기와 중앙 진공 청소기의 핵심 기술로 사용되고 있습니다.사이클론은 또한 산업 ^[2]및 전문 주방 환기에 사용되어 배출 후드의 배기에서 그리스를 분리합니다.작은 사이클론은 분석을 위해 공기 중의 입자를 분리하는 데 사용됩니다.일부 제품은 옷에 잘라서 착용할 수 있을 정도로 작으며 나중에 분석하기 위해 호흡 가능한 입자를 분리하는 데 사용됩니다.

유사한 분리기가 정유 산업(예: 유체 촉매 균열)에서도 반응 가스 및 ^[3]증기에서 촉매 입자를 빠르게 분리하기 위해 사용됩니다.

액체에서 입자 또는 고체를 분리하는 유사한 장치는 하이드로사이클론 또는 하이드로클론이라고 불립니다.이것들은 폐수 및 하수 처리의 물과 고체 폐기물을 분리하는 데 사용될 수 있다.

사이클론 이론

사이클론은 기본적으로 2상 입자-유체 시스템이기 때문에 유체 역학과 입자 수송 방정식을 사용하여 사이클론의 거동을 설명할 수 있다.사이클론 내의 공기는 처음에 $V_{in}$ $V_{in}$ n $({$ in $V_{in}$ 로 사이클론으로 접선 방향으로 유입된다. 입자가 구형이라고 가정하면 임계 분리 입자 크기를 계산하는 간단한 분석이 가능하다.

사이클론 중심축에서 회전반경r(\ $displaystyle$ r $)$ 로 $r$ 사이클론 상부 원통형 성분의 주위를 선회하는 단리입자를 고려할 경우 입자는 드래그, 원심력 및 부력을 받게 된다.유체 속도가 나선형으로 움직이면 가스 속도는 접선 $V_{t}$ 인 V $V_{t}$ t { $displaystyle V_{t$ 과(와) 외부 $V_{r}$ 속도 $성분$ V $V_{r}$ r {\ $displaystyle$ V_ ${r$ 의 두 가지 구성 요소로 나눌 수 있습니다. 스토크스의 법칙을 가정하면 O에 반대되는 외부 반경 방향의 드래그 힘입구 흐름의 모든 입자에 대한 외향 속도는 다음과 같습니다.

F_{d}=-6\pi r_{p}\mu V_{r

$\rho _{p}$ p \ $displaystyle \rho$ _ ${p}$ 을 $\rho_p$ 입자의 밀도로 사용하여 외측 반경 방향의 원심성분은 다음과 같다.

F_{c}=m{\frac {V_{t}^2}}:{r}

= specfrac {4}{3}\pi \rho _{p}r_{p}^3}{\frac {V_{t}^2}}{r}.

부력 구성요소는 안쪽 반경 방향에 있습니다.주변 유체에 비해 부족한 유체의 부피 위에 있기 때문에 입자의 원심력과 반대 방향입니다.유체 밀도로 $\rho _{f}$ f {\ $displaystyle \rho$ _ ${f}}$ 를 $\rho_f$ 사용하면 부력은 다음과 같습니다.

F_{b}=-V_{p}\rho _{f}{\frac {V_{t}^2}}{r}

=-{\frac {4\pi r_{p}{3}}{\frac {V_{t}^2}}{r}\rho _{f}.

이 경우 V $V_{p}$ { $display V$ _ { $p$ }는 $V_{p}$ 입자 부피와 같습니다(속도와는 반대).각 입자의 외향 반지름 운동을 결정하는 방법은 뉴턴의 운동 제2법칙을 다음과 같은 힘의 합과 동일하게 설정함으로써 찾을 수 있습니다.

{{displaystyle m440frac {dV_{r}}{dt}}=F_{d}+F_{c}+F_{b}}

이를 단순화하기 위해 고려 중인 입자가 "말단 속도"에 도달했다고 가정할 수 있습니다. 즉, 가속 ${\frac {dV_{r}}{dt}}$ ${\frac {dV_{r}}{dt}}$ r ${\frac {dV_{r}}{dt}}$ ${\frac {dV_{r}}{dt}}$ \ $display$ style \ $frac$ { $dV$ _ { $r$ } { $dt}$ }는 ${\frac {dV_{r}}{dt}}$ 0입니다.이는 반경 속도가 원심력과 부력에 대항할 수 있는 충분한 드래그력을 발생시킨 경우에 발생합니다.이 심플화를 통해 방정식이 다음과 같이 변경됩니다.

$F_{d}+F_{c}+F_{b}=0$

그 결과, 다음과 같이 확장됩니다.

{\displaystyle -6\pi r_{r}+{\frac {4}{p}{3}{\frac {V_{t}{2}}{r}\rho_{p}-{4}{3}\pi r_{p}{{p}{{frac}{{{}}}}{frac}{{{frac}{{}}}}{frac}{{{}}}}{{frac}{{frac}}}}}{frac}}{f}{f}{f}}}}}}}{

$V_{r}$ r을 $V_{r}$ 해결 방법(\ $displaystyle V_{r})$ 은 $V_{r}$ 다음과 같습니다.

V_{r}={\frac {2}{9}}{\frac {r_{p}^{2}}{\mu }}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}(\rho _{p}-\rho _{f})

r

V_{r}={\frac {2}{9}}{\frac {r_{p}^{2}}{\mu }}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}(\rho _{p}-\rho _{f})

V_{r}={\frac {2}{9}}{\frac {r_{p}^{2}}{\mu }}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}(\rho _{p}-\rho _{f})

9

V_{r}={\frac {2}{9}}{\frac {r_{p}^{2}}{\mu }}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}(\rho _{p}-\rho _{f})

p

V_{r}={\frac {2}{9}}{\frac {r_{p}^{2}}{\mu }}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}(\rho _{p}-\rho _{f})

V_{r}={\frac {2}{9}}{\frac {r_{p}^{2}}{\mu }}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}(\rho _{p}-\rho _{f})

V

V_{r}={\frac {2}{9}}{\frac {r_{p}^{2}}{\mu }}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}(\rho _{p}-\rho _{f})

V_{r}={\frac {2}{9}}{\frac {r_{p}^{2}}{\mu }}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}(\rho _{p}-\rho _{f})

r (

V_{r}={\frac {2}{9}}{\frac {r_{p}^{2}}{\mu }}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}(\rho _{p}-\rho _{f})

p -

V_{r}={\frac {2}{9}}{\frac {r_{p}^{2}}{\mu }}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}(\rho _{p}-\rho _{f})

) {

displaystyle V

_ { r } =

flac

{

}

{

}

{ \ mu }

}

{ \

frac

{

V

_ {

t

} { { r } { { r

}

} { \

frac

{ { { { {

r

}

V_{r}={\frac {2}{9}}{\frac {r_{p}^{2}}{\mu }}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}(\rho _{p}-\rho _{f})

} } （ r

_ r

} }

유체의 밀도가 입자의 밀도보다 크면 회전 중심을 향해 움직임이 (-)이고 입자가 유체보다 밀도가 높으면 운동(+)이 중심에서 떨어진다는 점에 유의하십시오.대부분의 경우 이 솔루션은 분리기 설계에 지침으로 사용되며 실제 성능은 경험적으로 평가 및 수정됩니다.

반경 가속도가 0이 아닌 비균형 조건에서는 위로부터의 일반 방정식을 풀어야 합니다.취득한 조건의 재배치

({displaystyle {dV_{r}}{dt}+{\frac {9}{2}}{\rho_{p}{2}}V_{r}-\left(1-{\frac {rho_{f}}{\rho_{p}}}{{f}}}}{\frac}{\frac}{{\fr}{\frc}}}{\frc}{{\f}}}{\frc}{f}}}{\frac}}}}}{\frc}

$V_{r}$ r { $displaystyle$ V _ { $r$ } distance $V_{r}$ distance 、 x $x''+c_{1}x'+c_{2}=0$ + $x''+c_{1}x'+c_{2}=0$ $x''+c_{1}x'+c_{2}=0$ $x''+c_{1}x'+c_{2}=0$ $x''+c_{1}x'+c_{2}=0$ + $x''+c_{1}x'+c_{2}=0$ $x''+c_{1}x'+c_{2}=0$ $x''+c_{1}x'+c_{2}=0$ $x''+c_{1}x'+c_{2}=0$ { $x''+c_{1}x'+c_{2}=0$ \ $displaystyle$ x ' + $c$ _ { $1 }x$ ' + $c$ _ { 2 $x''+c_{1}x'+c_{2}=0$ = $0$ $x''+c_{1}x'+c_{2}=0$ 의 2차 미분방정식입니다.

실험적으로 회전 흐름의 속도 성분이 $r^{2}$ 2 $({$ r $^{2$ ^[4]에 비례한다는 것이 밝혀졌습니다. 따라서 다음과 같습니다.

(\displaystyle V_{t}\propto r^{2}).}

즉, 설정된 공급 속도는 사이클론 내부의 소용돌이 속도를 제어하며, 따라서 임의의 반지름에서의 속도는 다음과 같다.

U_{r}=U_{in}{\frac {r}{R_{in}}}}.

그 후 $V_{t}$ t $V_{t}$ { $display style$ V _ { $t$ } $V_{t}$ , 、 $V_{t}$ 각도와 컷오프 반경에 근거해 특정 입자 필터링 반경을 추정할 수 있으며, 그 이상의 입자는 가스 스트림에서 제거된다.

대체 모델

위의 방정식은 많은 점에서 제한적이다.예를 들어, 분리기의 형상은 고려되지 않으며, 입자는 정상 상태를 달성한다고 가정하며, 사이클론 기저부의 소용돌이 반전 효과도 무시된다. 실제 작동 조건에서 사이클론에서 달성될 가능성이 낮은 모든 행동은 무시된다.

많은 저자들이 사이클론 분리기의 거동을 연구해왔기 때문에 프로세스 산업의 일반적인 ^[6]용도에 맞게 사이클론을 빠르게 계산할 수 있는 단순화된 모델이 존재한다.^[5]계산 유체 역학을 이용한 수치 모델링도 사이클론 ^[7]^[8]^[9]거동의 연구에 광범위하게 사용되어 왔다.사이클론 분리기에 대한 유체 역학 모델의 주요 한계는 더 큰 입자를 가진 미세 입자의 응집을 예측할 수 없다는 것입니다. 이는 사이클론 수집 ^[10]효율에 큰 영향을 미칩니다.

「」를 참조해 주세요.

메모들

^ "Solid Gas separation methods - Industrial dust collectors - cyclone - scrubbers - filtration - PowderProcess.net".
^ Jeven Oy. "How cyclone grease separators work". Archived from the original on 2017-04-21. Retrieved 2015-10-07.
^ Martin Huard, Cedric Briens, Franco Berruti, Tierry Gauthier, 2010, "급속 가스-고체 분리 기술의 리뷰", IJCRE, 8, R1.
^ Rhodes M. (1998). Introduction to particle technology. John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-98483-2.
^ Smith, J. L. Jr. (1959). PhD thesis: Experimental and Analytical Study of the Vortex in the Cyclone Separator (Thesis). Massachusetts Institute of Technology. hdl:1721.1/11792.
^ https://powderprocess.net/Equipments html^[permanent dead link]
^ Martignoni, W. P.; Bernardo, S.; Quintani, C. L. (2007). "Evaluation of cyclone geometry and its influence on performance parameters by computational fluid dynamics (CFD)". Brazilian Journal of Chemical Engineering. 24: 83–94. doi:10.1590/S0104-66322007000100008.
^ PhD Thesis: On the Potential of Large Eddy Simulation to Simulate Cyclone Separators (PDF). Archived from the original (PDF) on 2007-07-09. Retrieved 2009-06-20.
^ PhD Thesis: Droplet collection in a scaled-up rotating separator (PDF).^{[영구 데드링크]}
^ D. Benoni, C.L. Briens, T. Baron, E.Duccessne and T.M. Knowlton, 1994, "유동층에서의 입자 응집과 그것이 끼임에 미치는 영향을 측정하는 절차", 파우더 테크놀로지, 78, 33-42.

레퍼런스

[1] "Solid Gas separation methods - Industrial dust collectors - cyclone - scrubbers - filtration - PowderProcess.net".

[2] Jeven Oy. "How cyclone grease separators work". Archived from the original on 2017-04-21. Retrieved 2015-10-07.

[3] Martin Huard, Cedric Briens, Franco Berruti, Tierry Gauthier, 2010, "급속 가스-고체 분리 기술의 리뷰", IJCRE, 8, R1.

[Rhodes-4] Rhodes M. (1998). Introduction to particle technology. John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-98483-2.

[5] Smith, J. L. Jr. (1959). PhD thesis: Experimental and Analytical Study of the Vortex in the Cyclone Separator (Thesis). Massachusetts Institute of Technology. hdl:1721.1/11792.

[6] ttps://powderprocess.net/Equipments html^[permanent dead link]

[7] Martignoni, W. P.; Bernardo, S.; Quintani, C. L. (2007). "Evaluation of cyclone geometry and its influence on performance parameters by computational fluid dynamics (CFD)". Brazilian Journal of Chemical Engineering. 24: 83–94. doi:10.1590/S0104-66322007000100008.

[8] PhD Thesis: On the Potential of Large Eddy Simulation to Simulate Cyclone Separators (PDF). Archived from the original (PDF) on 2007-07-09. Retrieved 2009-06-20.

[9] PhD Thesis: Droplet collection in a scaled-up rotating separator (PDF).^{[영구 데드링크]}

[10] D. Benoni, C.L. Briens, T. Baron, E.Duccessne and T.M. Knowlton, 1994, "유동층에서의 입자 응집과 그것이 끼임에 미치는 영향을 측정하는 절차", 파우더 테크놀로지, 78, 33-42.

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