Separação ciclônica - Cyclonic separation

Uma fábrica parcialmente demolida com separadores ciclônicos dominantes

A separação ciclônica é um método de remoção de particulados de uma corrente de ar, gás ou líquido, sem o uso de filtros , por meio de separação em vórtice . Ao remover partículas do líquido, um hidrociclone é usado; enquanto do gás, um ciclone de gás é usado. Os efeitos rotacionais e a gravidade são usados ​​para separar misturas de sólidos e fluidos. O método também pode ser usado para separar gotículas finas de líquido de uma corrente gasosa.

Um fluxo rotativo de alta velocidade (ar) é estabelecido dentro de um recipiente cilíndrico ou cônico denominado ciclone. O ar flui em um padrão helicoidal , começando na parte superior (extremidade larga) do ciclone e terminando na extremidade inferior (estreita) antes de sair do ciclone em um fluxo direto pelo centro do ciclone e saindo pelo topo. Partículas maiores (mais densas) na corrente em rotação têm muita inércia para seguir a curva fechada da corrente e, portanto, atingem a parede externa e caem no fundo do ciclone, onde podem ser removidas. Em um sistema cônico, conforme o fluxo rotativo se move em direção à extremidade estreita do ciclone, o raio de rotação da corrente é reduzido, separando assim as partículas cada vez menores. A geometria do ciclone, junto com a vazão volumétrica , define o ponto de corte do ciclone. Este é o tamanho da partícula que será removida do fluxo com uma eficiência de 50%. Partículas maiores que o ponto de corte serão removidas com maior eficiência, e partículas menores com menor eficiência, pois se separam com mais dificuldade ou podem ser submetidas a re-arrastamento quando o vórtice de ar inverte a direção para se mover na direção da saída.

Diagrama de fluxo de ar para o ciclone Aerodyne na posição vertical padrão. O fluxo de ar secundário é injetado para reduzir a abrasão da parede.

Diagrama de fluxo de ar para o ciclone Aerodyne na posição horizontal, um design alternativo. O fluxo de ar secundário é injetado para reduzir a abrasão da parede e para ajudar a mover as partículas coletadas para a tremonha para extração.

Um projeto alternativo de ciclone usa um fluxo de ar secundário dentro do ciclone para evitar que as partículas coletadas atinjam as paredes, para protegê-las da abrasão. O fluxo de ar primário contendo as partículas entra pela parte inferior do ciclone e é forçado a uma rotação espiral por aletas giratórias estacionárias. O fluxo de ar secundário entra pela parte superior do ciclone e desce em direção à parte inferior, interceptando o particulado do ar primário. O fluxo de ar secundário também permite que o coletor seja opcionalmente montado na horizontal, pois empurra o particulado em direção à área de coleta, e não depende apenas da gravidade para realizar esta função.

Ciclones de grande escala são usados ​​em serrarias para remover a serragem do ar extraído. Os ciclones também são usados ​​em refinarias de petróleo para separar óleos e gases e na indústria de cimento como componentes de pré-aquecedores de fornos . Os ciclones são cada vez mais usados ​​em casa, como a tecnologia principal em tipos sem saco de aspiradores portáteis e aspiradores centrais . Os ciclones também são usados ​​na ventilação de cozinhas industriais e profissionais para separar a gordura do ar de exaustão em exaustores. Ciclones menores são usados ​​para separar partículas suspensas no ar para análise. Alguns são pequenos o suficiente para serem usados ​​presos à roupa e são usados ​​para separar partículas respiráveis ​​para análise posterior.

Separadores semelhantes são usados ​​na indústria de refino de petróleo (por exemplo, para craqueamento catalítico de fluidos ) para obter uma separação rápida das partículas de catalisador dos gases e vapores que reagem.

Dispositivos análogos para separar partículas ou sólidos de líquidos são chamados de hidrociclones ou hidroclones. Eles podem ser usados ​​para separar os resíduos sólidos da água em águas residuais e tratamento de esgoto .

Teoria do ciclone

Como o ciclone é essencialmente um sistema de partículas-fluido de duas fases, a mecânica dos fluidos e as equações de transporte de partículas podem ser usadas para descrever o comportamento de um ciclone. O ar em um ciclone é inicialmente introduzido tangencialmente no ciclone com uma velocidade de entrada . Supondo que a partícula seja esférica, uma análise simples para calcular os tamanhos de partícula de separação crítica pode ser estabelecida. ${\ displaystyle V_ {in}}$

Se considerarmos uma partícula isolada circulando no componente cilíndrico superior do ciclone em um raio de rotação do eixo central do ciclone, a partícula é, portanto, sujeita a arrasto , forças centrífugas e de empuxo . Dado que a velocidade do fluido está se movendo em espiral, a velocidade do gás pode ser dividida em duas velocidades componentes: um componente tangencial , e um componente de velocidade radial para fora . Assumindo a lei de Stokes , a força de arrasto na direção radial externa que se opõe à velocidade externa em qualquer partícula no fluxo de entrada é: ${\ displaystyle r}$${\ displaystyle V_ {t}}$${\ displaystyle V_ {r}}$

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

Usando como densidade da partícula, o componente centrífugo na direção radial externa é: ${\ displaystyle \ rho _ {p}}$

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

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

O componente da força de empuxo está na direção radial para dentro. Ele está na direção oposta à força centrífuga da partícula porque está em um volume de fluido que está faltando em comparação com o fluido circundante. Usando para a densidade do fluido, a força de empuxo é: ${\ displaystyle \ rho _ {f}}$

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

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

Nesse caso, é igual ao volume da partícula (em oposição à velocidade). Determinar o movimento radial para fora de cada partícula é encontrado definindo a segunda lei do movimento de Newton igual à soma dessas forças: ${\ displaystyle V_ {p}}$

${\ displaystyle m {\ frac {dV_ {r}} {dt}} = F_ {d} + F_ {c} + F_ {b}}$

Para simplificar, podemos assumir que a partícula em consideração atingiu a "velocidade terminal", ou seja, que sua aceleração é zero. Isso ocorre quando a velocidade radial causou força de arrasto suficiente para conter as forças centrífugas e de flutuabilidade. Essa simplificação muda nossa equação para: ${\ displaystyle {\ frac {dV_ {r}} {dt}}}$

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

Que se expande para:

${\ displaystyle -6 \ pi r_ {p} \ mu V_ {r} + {\ frac {4} {3}} \ pi r_ {p} ^ {3} {\ frac {V_ {t} ^ {2} } {r}} \ rho _ {p} - {\ frac {4} {3}} \ pi r_ {p} ^ {3} {\ frac {V_ {t} ^ {2}} {r}} \ rho _ {f} = 0}$

Resolvendo para nós temos ${\ displaystyle V_ {r}}$

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

Observe que se a densidade do fluido é maior que a densidade da partícula, o movimento é (-), em direção ao centro de rotação e se a partícula é mais densa que o fluido, o movimento é (+), para longe do centro . Na maioria dos casos, essa solução é usada como orientação no projeto de um separador, enquanto o desempenho real é avaliado e modificado empiricamente.

Em condições de não equilíbrio, quando a aceleração radial não é zero, a equação geral de cima deve ser resolvida. Reorganizando os termos que obtemos

${\ displaystyle {\ frac {dV_ {r}} {dt}} + {\ frac {9} {2}} {\ frac {\ mu} {\ rho _ {p} r_ {p} ^ {2}} } V_ {r} - \ left (1 - {\ frac {\ rho _ {f}} {\ rho _ {p}}} \ right) {\ frac {V_ {t} ^ {2}} {r} } = 0}$

Como é a distância por tempo, esta é uma equação diferencial de 2ª ordem do formulário . ${\ displaystyle V_ {r}}$${\ displaystyle x '' + c_ {1} x '+ c_ {2} = 0}$

Experimentalmente, verifica-se que o componente de velocidade do fluxo rotacional é proporcional a , portanto: ${\ displaystyle r ^ {2}}$

${\ displaystyle V_ {t} \ propto r ^ {2}.}$

Isso significa que a velocidade de alimentação estabelecida controla a taxa de vórtice dentro do ciclone e a velocidade em um raio arbitrário é, portanto:

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

Subsequentemente, dado um valor para , possivelmente com base no ângulo de injeção e um raio de corte, pode ser estimado um raio de filtragem de partículas característico, acima do qual as partículas serão removidas da corrente de gás. ${\ displaystyle V_ {t}}$

Modelos alternativos

As equações acima são limitadas em muitos aspectos. Por exemplo, a geometria do separador não é considerada, as partículas são assumidas para atingir um estado estacionário e o efeito da inversão do vórtice na base do ciclone também é ignorado, todos os comportamentos que são improváveis ​​de serem alcançados em um ciclone em condições reais de operação.

Existem modelos mais completos, visto que muitos autores estudaram o comportamento de separadores de ciclone. Modelos simplificados que permitem um cálculo rápido do ciclone, com algumas limitações, foram desenvolvidos para aplicações comuns em indústrias de processo. A modelagem numérica usando dinâmica de fluidos computacional também tem sido usada extensivamente no estudo do comportamento ciclônico. Uma das principais limitações de qualquer modelo de mecânica dos fluidos para separadores de ciclone é a incapacidade de prever a aglomeração de partículas finas com partículas maiores, o que tem um grande impacto na eficiência de coleta do ciclone.

Veja também

Notas

Referências

• Coleta de poeira horizontal de alta eficiência
• patente 2377524 (junho de 1945). link está quebrado
• link alternativo para a patente citada