Đề tài Tìm hiểu về thiết bị cyclone lắng bụi

Các thông số vật lý có ý nghĩa quan trọng nhất của bụi là hình dạng và kích thước hạt, trọng lượng và độ tích điện, các thông số này sẽ quyết định sự lựa chọn phương pháp xử lý bụi cũng

GIẢI TRÌNH

[1] Effect Of Air Density On Cyclone Performe And System Design _L Wang, M

D Buser, C B Parnell, B W Shaw Trang 9 dòng 8-26 ↓, trang 11 dòng 2-9 ↓

[2] Cyclone Separator _Chapter 3_ Assoc Prof Arslan SARAL, Assoc Prof Selami Demir Trang 2_dòng 8↓ -> trang 3_dòng12↓; Trang 6_dòng 22↓-> trang 6_dòng 42↓; Trang 7_dòng 60↓-> trang 8_dòng 9↓; Trang 10_dòng 22↓-> trang 23_dòng 21↓

[3] Theoretical Study Of Cyclone Design_ LingJuan Wang trang 79, dòng 2-15 ↓; trang 84, dòng 4-9 ↓, trang 85 dòng 3-10 ↓

[4] Gaseous Emission- Control Technologies ( Air- Quality Technology) _Nazaroff

& Alvarez-Cohen, Section 7.C, Mihelcic & Zimmeman, Section 12.7 Trang 9 -> trang 11; Trang 6_dòng 7-> hết trang 6

[5] The Effect Of Particle Size And Input Velocity On Cylone Separation Process_M Marinuc Trang 8 dòng 3-19 ↓, trang 10 dòng 3-22 ↓

[6] Master Thesis - Spring 2013_ Martin B Midthun Trang 6 dòng 9-20 ↓, trang 8 dòng 9-26 ↓, trang 10 dòng 6-17↓

[7] An Introduction to Air Pollution_Chapter 3 Cyclones_Ph.D Trang 9 dòng 9-20 ↓, trang 10 dõng-15 ↓

[8] Giáo trình kĩ thuật xử lý ô nhiễm không khí _ PGS, TS Đinh Xuân Thắng Trang Trang 20-23, Trang 60-74

[9] On The Theory Of Particle Cut Off Diameter And Collection Efficiency Of Cyclones_ Kung-Yu Kuo And Chuen-Jinn Tsai Trang 3 dòng 9-20↓, trang 6 dòng 1-9↓

[10] Kỹ thuật môi trường_ Hoàng Kim Cơ, Trang 26-37

MỤC LỤC

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỤI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỤI 6

1.1 TỔNGQUANVỀBỤI 6

1.1.1 Khái niệm chung về bụi 6

1.1.2 Tác hại của bụi 7

1.2 PHƯƠNGPHÁPXỬLÝBỤI 9

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ LỌC BỤI CYCLONE 12

2.1 THIẾTBỊLỌCBỤICYCLONE 12

2.2 PHÂNLOẠICYLONE 17

2.2.1 Cyclone đơn 17

2.2.2 Cyclone tổ hợp 21

2.2.3 Cyclon chùm 23

2.2.4 Cyclone màng nước 26

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LỌC BỤI CYCLONE 27

3.1.TÍNHTOÁNTHIẾTKẾLỌCBỤICYCLONETRÊNTHẾGIỚI 27

3.1.1 Mô hình lý thuyết 27

3.1.2 Mô hình thiết kế cyclone đơn 34

3.1.3 Tính toán đối với cyclone đơn : 49

3.2.TÍNHTOÁNTHIẾTKẾLỌCBỤICYCLONETẠIVIỆTNAM 53

3.2.1 Tính toán với cyclone đơn 53

3.2.2 Tính toán với cyclone tổ hợp 57

3.2.3 Tính toán với cyclon nhóm 58

CHƯƠNG 4 VÍ DỤ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CYCLONE 61

4.1 TÍNHTOÁNTHIẾTKẾDỰATRÊNHIỆUSUẤT[4] 61

4.2 TÍNHTOÁNDỰATRÊNĐƯỜNGKÍNH 63

5.1ỨNGDỤNGCỦACYCLONE 71

5.2.CÁCLOẠIXICLONHIỆNDÙNG 73

5.3.ƯUVÀNHƯỢCĐIỂMCYCLONE 75

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN

1 GIỚI THIỆU

Không khí là một trong các điều kiện rất quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển của sinh vật trên trái đất trong đó có con người Tuy nhiên, hiện nay vấn đề ô nhiễm không khí đang ở mức báo động, đặc biệt ô nhiễm do bụi Nguồn phát sinh bụi chủ yếu là do các hoạt động sản xuất công nghiệp, Vì thế nhu cầu cấp thiết hiện nay là tìm ra giải pháp xử lý bụi phát sinh ra, và một trong các giải pháp đó là sử dụng

cyclone Đó cũng chính là lý do mà nhóm thực hiện chuyên đề “ Tìm hiểu về thiết

bị cyclone lắng bụi ”

2 MỤC TIÊU

Từ việc hiểu biết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cyclone, từ đó chúng ta có thể

áp dụng một cách phù hợp nhất cyclone, trong các trường hợp cụ thể tránh lạm dụng cyclone, cho các mục đích không phù hợp Đồng thời, từ kết quả thu bụi của cyclone,, chúng ta có thể thường xuyên theo dõi được tình trạng làm việc của quy trình sản xuất cũng như khu vực làm việc để chúng ta có các biện pháp xử lý phù hợp hơn

3 NỘI DUNG THỰC HIỆN

 Tìm hiểu thông tin liên quan đến vấn đề Thu thập thông tin từ các tạp chí, sách, trang web có liên quan tới nội dung

 Tổng hợp rút ra những nội dung nhằm hoàn thiện mục tiêu

 Viết báo cáo trình bày dưới dạng văn bản

4 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

 Phương pháp điều tra, thu thập, tổng hợp số liệu

 Phương pháp đánh giá tổng hợp

 Phương pháp tham khảo tài liệu

 Phương pháp dịch thuật, trích dẫn tài liệu

DANH MỤC HÌNH ẢNH

 Hình 1 10

 Hình 2 12

 Hình 3 14

 Hình 4 15

 Hình 5 16

 Hình 6 17

 Hình 7 17

 Hình 8 18

 Hình 9 18

 Hình 10 19

 Hình 11 21

 Hình 12 22

 Hình 13 23

 Hình 14 24

 Hình 15 25

 Hình 16 26

 Hình 17 27

 Hình 18 28

 Hình 19 30

 Hình 20 31

 Hình 21 34

 Hình 22 35

 Hình 23 36

 Hình 24 38

 Hình 25 41

 Hình 26 44

 Hình 27 45

 Hình 28 47

 Hình 29 52

 Hình 30 58

 Hình 31 59

 Hình 32 67

 Hình 33 73

DANH MỤC BẢNG

 Bảng 1 9

 Bảng 2 10

 Bảng 3 20

 Bảng 4 22

 Bảng 5 30

 Bảng 6 41

 Bảng 7 60

 Bảng 8 63

 Bảng 9 66

 Bảng 10 67

 Bảng 11 74

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỤI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỤI

1.1 TỔNG QUAN VỀ BỤI

1.1.1 Khái niệm chung về bụi

Bụi là các phân tử chất rắn thể rời rạc được tạo thành trong các quá trình nghiền, ngưng kết và các phản ứng khác nhau Dưới tác dụng của các dòng khí hoặc không khí, chúng chuyển thành trạng thái lơ lửng và trong những điều kiện nhất định, chúng tạo thành thứ vật chất mà người ta gọi là bụi [8]

Bụi đã thu giữ được hoặc bụi đã lắng đọng thường đồng nghĩa với khái niệm “Bột”, tức là loại vật chất vụn rời rạc [8]

Kích thước của hạt bụi δ được hiểu là đường kính, độ dài cạnh của hạt hoặc lỗ rây kích thước lớn nhất của hình chiếu hạt [8]

Đường kính tương đương δtd của hạt bụi có hình dạng bất kỳ là đường kính hình cầu

có kích thước bằng thể tích hạt bụi [8]

Vận tốc lắng vc của hạt bụi là vận tốc rơi của hạt bụi trong môi trường tĩnh dưới tác dụng của trọng lực Vận tốc lắng phụ thuộc vào kích thước của hạt, hình dáng và khối lượng đơn vị của nó cũng như khối lượng đơn vị và độ nhớt môi trường [8]

Đường kính lắng δc của hạt bụi là đường kính hạt bụi hình cầu mà vận tốc lắng và khối lượng đơn vị của nó bằng vận tốc lắng và khối lượng đơn vị của hạt bụi của hạt bụi có hình dáng khác đang xem xét [8]

Đường kính lắng của hạt (micromet – μm) được xác định theo công thức sau:

δc = √𝟏𝟖∗𝟏𝟎𝟕𝝁𝑯

(𝝆𝒃− 𝝆)∗𝒈 𝝉 (μm)

Trong đó:

 μ: Độ nhớt động học của môi trường (khí, nước), Pa.s

 ρ b , ρ: Khối lượng đơn vị của vật liệu bụi và môi trường, g/cm3

 H: Chiều cao rơi (lắng) của hạt, cm

 τ : Thời gian rơi, s

1.1.2 Tác hại của bụi

Bụi sinh ra trong không khí sẽ gây rất nhiều tác hại cho con người, động vật và thực vật, ảnh hưởng đến cảnh quan môi trường Nhờ có hệ thống liên bào trụ ở lông mũi, khí phế quản và màng niêm dịch của đường hô hấp, mà ta có thể cản được 90% bụi,

số còn lại đọng trong phổi và đường hô hấp có thể gây ra một số bệnh cho con người và động vật, cụ thể như sau: [8]

a) Tác hại đối với con người và động vật

Bụi gây tác hại trực tiếp đến con người và động vật, trước hết qua đường hô hấp; chúng có thể gây bệnh cho phổi, phế quản Mặt khác, chúng có thể gây nguy hiểm cho mắt, có thể gây ung thư Có thể ảnh hưởng gián tiếp qua con đường ăn uống, sinh hoạt bị nhiễm bụi Tùy theo tính chất và kích thước của bụi khác nhau mà có thể gây ra những tổn thương tới cơ thể:

 Tác động toàn thân : gây nhiễm độc toàn thân, làm giảm khả năng miễn dịch…

 Gây tổn thương da, niêm mạc như loét da, xạm da, loét vách ngăn mũi, viêm da, chàm tiếp xúc…

 Gây dị ứng : viêm mũi dị ứng, viêm phế quảng dạng hen…

 Gây nhiễm khuẩn ( do bụi vi sinh vật, nấm mốc…)

 Tác hại đến cơ quan hô hấp; gây viêm phế quản mãn tính, gây bệnh bụi phổi như bụi phổi silic, bụi amiăng, bụi phổi bông…

b) Tác hại đối với thực vật

Hầu hết các chất ô nhiễm không khí đều tác động xấu đến thực vật, gây ảnh hưởng không tốt đối với nhà nông và cây trồng Khi bị tiếp xúc trực tiếp với nồng độ bụi, cây trồng chậm phát triển, cháy lá khô cây, cho hiệu quả năng suất thấp Ngoài ra, bụi còn giảm khả năng quang hợp của cây do các bề mặt của lá bị che lấp Tuy nhiên, cũng có một số loại bụi có tác dụng tốt đối với thực vật : photpho, nito…

c) Tác hại đối với vật liệu

Một số loại bụi khi tiếp xúc với các thiết bị, đồ vật bằng kim loại trong không khí,

sẽ gây ăn mòn các đồ vật, đặc biệt trong môi trường nóng ẩm

d) Tác hại đến cảnh quan môi trường

Cảnh quan môi trường cũng là vấn đề cần quan tâm đối với công tác giữ gìn và bảo

vệ môi trường Môi trường bị ô nhiễm sẽ làm giảm vẻ đẹp tự nhiên, nhất là ngày nay, khi cuộc sống của con người đòi hỏi cần có nhiều hơn các khu du lịch, khu vui chơi giải trí và danh lam thắng cảnh

1.2 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỤI

Bụi trong không khí được đánh giá bằng nồng độ- trọng lượng bụi trong 1 đơn vị

thể tích của không khí, mg/l hoặc mg/m3 Các thông số vật lý có ý nghĩa quan trọng

nhất của bụi là hình dạng và kích thước hạt, trọng lượng và độ tích điện, các thông

số này sẽ quyết định sự lựa chọn phương pháp xử lý bụi cũng như thiết bị lọc bụi

Lọc tĩnh điện - Thiết bị sử dụng lực quán tính

- Thiết bị xử dụng lực ly tâm ( cyclon)

- Thiết bị quay

Buồng lắng bụi

Trên cơ sở phân loại các phương pháp xử lý, ta có thể chia các thiết bị xử lý bụi

thành 6 loại chính như sau :

Hai loại đầu dùng để xử lý bụi Thiết bị lọc tĩnh điện và lọc ướt có thể dùng để xử lý

bụi hoặc hơi khí độc Hai thiết bị sau cùng được dùng để xử lý khí

Bảng 1.2 Vùng lọc và hiệu quả xử lý của các phương pháp

STT Thiết bị xử lý Kích thước hạt phù hợp

µm

Hiệu quả xử lý (%)

Bảng 1.2 và hình 1 cho thấy rằng các thiết bị xử lý bụi bằng lực quán tính và các cyclon rất tiện để tách các hạt bụi có kích thước tương đối lớn Loại Cyclon tổ hợp

có hiệu suất lớn nhất Dùng các thiết bị lọc tĩnh điện, thiết bị lọc hình ống tay áo và các thiết bị lọc bụi loại ướt có thể đạt được độ tinh lọc khác cao

Thiết bị lọc bụi loại ướt chỉ dùng khi chất khí cần xử lý chịu được nhiệt độ thấp và

ẩm Trong trường hợp này các thiết bị lọc bụi loại ướt có nhiều ưu điểm hơn so với thiết bị lọc điện ở chỗ thiết bị đơn giản và rẻ tiền Ngoài ra, người ta còn dùng các thiết bị lọc ướt để lọc sạch khí khỏi bụi, khói và hơi mù ( tới 90% ) Ứng dụng thiết

bị lọc bụi loại ướt trong nhà máy có nhiều khó khăn vì ở đây quá trình tinh lọc có liên quan tới viễ thu gom và thải ra một lượng lớn nước có tính axit Thiết bị lọc điện là một loại thiết bị lọc sạch bụi có hiệu suất cao ; trong đó muốn lọc các loại khí thô ta dùng loại thiết bị lọc điện thanh bản, còn để lọc sạch các loại bụi và hơi

mù khó hấp thụ, cũng như để lọc sạch được tốt hơn, ta dùng loại thiết bị lọc điện kiểu ống và khi cần lọc sạch một thể tích khí lớn thì dùng thiết bị lọc điện tổ hợp,

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ LỌC BỤI CYCLONE

2.1 THIẾT BỊ LỌC BỤI CYCLONE

Cyclone là thiết bị lọc ly tâm kiểu đứng, thiết bị này hình thành lực ly tâm để tách bụi ra khỏi không khí Thiết bị cyclon được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp có hiệu quả cao khi kích thước hạt bụi > 5µm Cyclone được sử dụng trong ngành công nghiệp để loại bỏ các hạt rắn từ một chất khí hoặc một chất lỏng mà không sử dụng

bộ lọc Báo cáo này sẽ tập trung vào việc tách khí – rắn, mặc dù các nguyên tắc hoạt động cơ bản là giống nhau Cyclone đầu tiên được sử dụng để loại bỏ bụi từ khí vào năm 1880 và vẫn được sử dụng cho đến ngày nay do có nhiều ưu điểm [6]

Thiết bị cyclone đơn giản, không tốn kém chi phí để xây dựng, kinh tế để hoạt động

và có thể được sử dụng trong một loạt các điều kiện hoạt động như nhiệt độ cao, áp suất cao và nồng độ bụi cao [6]

Hình 2 Mô hình cyclone

 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Trong những năm qua, nhiều kiểu dáng cyclone đã được đề xuất và sản xuất Để làm sạch khí công nghiệp tuy nhiên, cyclone "ngược dòng" là phổ biến nhất Nó được tạo thành bởi một phần thân trên hình trụ và phần phễu hình nón bên dưới như cho thấy trong hình 2 Có rất nhiều hình dạng đầu vào khác nhau Báo cáo này sẽ tập trung vào các loại đầu vào (a) dạng hình 3 Đối với thiết kế này, một hỗn hợp khí - rắn được đưa vào tiếp tuyến với cyclone thông qua các đầu vào

Thông thường khí được hút vào cyclone bởi quạt được đặt thêm ở phần dưới thiết bị trong suốt quá trình Sau khi nhập, dòng khí chuyển động xoắn ốc theo dạng hình tròn Điều này được gọi là “dòng xoắn ngoài” Đây là nơi xảy ra sự tách biệt Do vận tốc khí ngày càng tăng, gây ra bởi lực ly tâm, các hạt bụi trong khí có kích thước lớn được đẩy xuyên tâm hướng tới thành cyclone Điều này xảy ra với tất cả các hạt có kích thước lớn do vượt quá lực ly tâm bởi chuyển động xoắn ốc Khi một hạt va chạm với thành thì nó sẽ bị chậm lại do lực ma sát

Các hạt đó sẽ được tách ra khỏi dòng khí chính và đẩy xuống phần hình nón bởi các thành phần đi xuống của vận tốc khí Tác dụng tỷ trọng là rất ít Lực ly tâm (trong

số những lực khác) tác động lên khối lượng hạt, do đó hạt nặng hơn được thu thập

dễ dàng hơn Các hạt rắn tách rời khỏi cyclone tại đầu ra bụi Khi khí đi đến phần dưới cùng hình nón, dòng khí đổi hướng quay ngược trở lại và chuyển động lên trên

và hình thành “ dòng xoắn trong” Dòng khí quay quanh ống trụ tâm của xyclon và thoát ra ngoài tại cửa ra

[2] Hình 3, cho thấy một số kiểu cấu trúc đầu vào của cyclon Hầu hết các thiết kế phổ biến có cấu trúc đầu vào theo phương tiếp tuyến (Hình 3a) Trong thiết kế này, dòng khí đi vào bị tác động bởi thiết kế hình trụ tròn của thân cyclon nên sẽ bắt đầu chuyển động xoáy Một số thực nghiệm đã được thực hiện để giảm sự tổn thất áp qua cyclone và nâng cao hiệu quả thu gom bụi bao gồm thiết kế cấu trúc đầu vào dạng xoắn (Hình 3b)

Sự tổn thất áp lực do bất ổn ở đầu vào cũng có thể được giảm bằng cách sử dụng một thiết kế đầu vào ôm tròn (hình 3c), thiết kế này còn cung cấp cải thiện hiệu quả đối với một số quá trình cho sự phát triển của dòng xoáy bên ngoài

Hình 3 Các loại cửa đầu vào của cyclone

A đầu vào tiếp tuyến, B đầu vào dạng xoắn, C đầu vào dạng ôm tròn

(APTI 413, 1999)

Bên cạnh những thiết kế ở hình 3, còn có một số cách thiết kê đầu vào khác như

thiết kế đầu vào ở dọc trục, lúc này khí thải sẽ đi vào từ bề mặt trên của thân cyclon

(Hình 4a) Một thiết kế cuối cùng của cấu trúc đầu vào là đầu vào được đặt dưới

cùng (ngay phía trên phần hình nón) Trong những thiết kế khí thải đi vào cyclon

thông qua một đầu vào tiếp tuyến, dạng xoắn, hoặc ôm tròn thì cấu trúc đầu vào

được đặt ở phía dưới của phần thân trụ của cyclon thì khí sạch sâu khi xử lý sẽ đi ra

khổi hệ thống thông qua một ống ra đặt tiếp tuyến ở trên cùng của thân trụ (Hình

4b)

Hình 4 : Cấu trúc các loại đầu vào khác trong cyclon

A Đầu vào dọc trục, B Đầu vào phía dưới Trích từ AWMA (2000)

Thân hình trụ là phần chính của cyclone, nơi diễn ra sự thu gom bụi và tách không khí sạch Khi dòng khí đi vào và chuyển động quay theo thành tròn của thân cyclon, hạt nặng hơn trong dòng khí sẽ bị lệch hướng và va vào thành do lực ly tâm tác động lên chúng Sau khi chạm vào thành cyclon, các hạt đó sẽ mất động năng và rơi xuống phần hình nón ở dưới, ở đó các hạt bụi sẽ được thu hồi Nghiên cứu cho thâý chiều cao của thân cyclon nên gấp 1-2 lần đường kính cơ thể và không nên thấp hơn

để đảm bảo hiệu quả tốt nhất (Shepherd và Lapple, 1939; Đầu tiên, năm 1950; Stairmand năm 1949; Casal và Martinez-Benet, 1983)

Các dòng khí chuyển động xoay quanh thân cycloê cho đến khi nó đạt đến điểm giảm của chính nó (trong phần hình nón) và sau đó nó thay đổi hướng đi lên phía trên để thoát ra ngoài qua ống thoát khí sạch Phía dưới của phần hình nón phải có một cái phễu - nơi thu gom các hạt bụi Phễu phải đủ lớn để tránh hiện tượng tích tụ các hạt, làm rối loạn lưu lượng khí và giảm hiệu quả của cycloee Elsayed và Lacor (2011a) đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước phễu thu bụi của cyclon dựa hiệu suất của nó, ông đã khẳng định rằng hiệu quả thu gom bụi của cyclone và việc giảm áp lực trên cyclon tăng khi đường kính phễu giảm

Phần cuối cùng của cyclone là

ống thoát khí sạch, thông qua

ống, không khí sạch sẽ thoát

khỏi cyclone đi ra ngoài môi

trường Ống thoát là một trong

những bộ phận quan trọng nhất

của cyclone, nó chi phối hiệu

suất của cyclone, hiệu quả thu

gom và giảm áp lực Chen và Shi

(2007) nói rằng hai điều kiện

giảm áp lực chủ yếu tồn tại trong

cyclone như tổn thất trong khu

vực và tổn thất do ma sát, trong

khi Elsayed và Lacor (2010) báo

cáo rằng sự sụt giảm áp suất cao

nhất trong cyclone xảy ra tại

đường ống thoát khí, việc xác

định hiệu suất lốc xoáy

Hình 5 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo cyclone

2.2 PHÂN LOẠI CYLONE

2.2.1 Cyclone đơn

Cyclone đơn là thiết bị hoàn chỉnh hoạt động độc lập và có nhiều dạng khác nhau như dạng hình trụ, dạng hình côn Việc sử dụng loại nào tùy thuộc và đặc tính của bụi và yêu cầu xử lý Dạng hình trụ có năng suất lớn, còn dạng hình côn có hiệu suất lớn [10]

Hình 6 Mặt cắt đứng và mặt cắt ngang của một cyclone đơn

Hình 7 Các kiểu hướng dòng trong cyclone a) Kiểu dòng tiếp tuyến b) Kiểu dòng đồng trục

Hình 8 Cấu tạo của một Cyclone đơn

Hình 9 Các dạng van xả bụi của Cyclone đơn

 Kích thước cơ bản của một cyclone đơn [4]

Những cuộc khảo sát và phân tích cyclone xảy ra từ rất sớm bắt đầu từ năm 1930 Thậm chí khó khăn để hiểu rõ những nguyên lý cơ bản, những đặc tính hỗn loạn xuất hiện dòng xoáy trong việc khái quát hóa Do sự phức tạp của vấn đề này, mô hình đạt yêu cầu nói chung vẫn chưa được phát triển Tuy nhiên, nếu các mô hình phân tích được điều chỉnh thích hợp với một yêu cầu nhất định, dự đoán đáng tin cậy có thể đạt được

Hình 10 Kích thước cơ bản của cyclone đơn

Bảng 2 Mối liên hệ giữa kích thước và hiệu suất cyclone

Các loại cyclone Hiệu suất cao Truyền thống Năng suất cao

(1) (2)

(3) (4)

(5) (6)

1

1 Chiều cao ống vào

H/D

0.5 0.44

0.5 0.5

0.75 0.8 Chiều rộng ống vào

W/D

0.2 0.21

0.25 0.25

0.375 0.35 Đường kính ống dẫn

khí ra 𝑫𝒆/D

0.5 0.4

0.5 0.5

0.75 0.75 Chiều cao ống dẫn khí

ra S/D

0.5 0.5

0.625 0.6

0.875 0.85 Chiều cao thân 𝑳𝒃/𝑫 1.5 1.4 1.75 2

1.5 1.7 Chiều cao phần phễu

𝑳𝑪/𝑫

2.5 2.5

0.25 0.4

0.375 0.4

(Nguồn: cột (1) và (5) theo Stairmand,1951, cột (2),(4),(6) theo Swift,1969, cột

(3) theo Lapple,1951.)

2.2.2 Cyclone tổ hợp

Các dạng tổ hợp khác nhau của cyclone [6]

 Lắp nối tiếp hai cyclone cùng loại : Khi hai cyclone cùng loại được lắp nối tiếp nhau thì hiệu quả lọc của hệ thống sẽ cao hơn từng cyclone riêng lẻ Sự tăng hiệu quả lọc của hệ thống hai cyclone mắc nối tiếp đáng xem xét là hiệu quả lọc theo cỡ hạt chứ không phải là hiệu quả lọc tổng cộng

 Lắp song song hay nhiều cyclone cùng loại : Hiệu quả lọc của cyclone tăng khi lưu lượng tăng hoặc nếu lưu lượng không đổi thì hiệu quả lọc lọc tăng khi đường kính cyclone giảm Cả hai trường hợp tổn thất áp suất đều tăng

Theo tài liệu của Jackson thì đối với bụi và cyclone nhất định thì sẽ có sự biến thiên giữa hiệu quả lọc và tổn thất áp suất Khi cần xử lý bụi cho một lượng khí thải lớn thì tốt nhất nên dùng nhiều cyclone cùng loại có đường kính thích hợp lắp song song để mỗi cyclone đều làm việc với lưu lượng tối ưu của nó.Hiệu quả lọc chung của hệ thống tương đối cao mà tổn thất áp suất không tăng

Hình 11 Các dạng mắc cyclone tổ hợp

Bảng 3 Năng suất lọc bụi của cyclon đơn và cyclon tổ hợp

2.2.3 Cyclon chùm

Cyclon chùm là một thiết bị thu bụi gồm một số lượng lớn các đơn nguyên xyclon mắc song song trong một vỏ, có chung đường dẫn khí vào và đường dẫn khí ra,cũng như có chung thùng góp bụi ( hình 13) Khác với cyclon đơn, việc tạo dòng khí có chuyển động quay cần thiết để tách bụi trong các đơn nguyên xyclon của buồng cyclon chùm đạt được không phải do đưa khí vào phương tiếp tuyến mà do trong mỗi đơn nguyên cyclon có đặt một dụng cụ định hướng dạng chong chóng hoặc dạng hoa hồng Vì vậy kích thước của buồng cyclon chùm nhỏ hơn kích thước của các cyclon thông thường có cùng năng suất như nhau Ví dụ, một cyclon đơn hiệu suất cao  H-15 có năng suất khí 4600 m3/hvà đường kính 900 mm thì chiều cao là

7600 mm ( cyclon, thùng chứa, ống xả) Với cùng những điều kiện trên, chiều cao của buồng cyclon chùm chỉ 2400 mm [10]

Hình 13 Cấu tạo của cyclone chùm

 Nguyên lý làm việc

Khi cần thu bụi đi qua ống nối 2

đi vào hộp phân phối 3, từ đó đi vào các không gian vành khuyên giữa vỏ và các đơn nguyên 4 và các ống xả 6 Trong các khoảng không gian ngày có đặt các dụng

cụ định hướng 5 uốn dòng khí sao cho lực ly tâm tạo thành đòn bẩy bắn các hạt bụi về phía thành của các đơn nguyên, bụi chất động sẽ qua lỗ tháo bụi 7 đi vào thùng chứa 8 Khí đã được thu bụi đi qua các ống xả vào buồng

1 Để liên kết vỏ các đơn nguyên

và ống xả người ta dùng các tấm lắp ống dưới và trên 10 Bụi đi vào thùng chứa sẽ được lấy ra theo máng chảy 9 trên đó đặt dụng cụ tháo dỡ đưa bụi đến hệ thống vận chuyển bụi

Hình 14 Các dạng đơn nguyên cyclone chùm

Khi so sánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật các buồng cyclone chùm với các cyclon thông thường ta thấy một số điểm như sau : mức độ thu bụi trong các cyclon echùm thấp hơn một chút so với mức độ thu bụi có thể đạt được trong các cyclone thông thường khi chúng có cùng đường kính Nhưng để đạt cùng một hiệu suất thì cyclone thông thường có đường kính gấp 2 lần so với cyclon chùm

Để đảm bảo sự phân phối đều khí theo tất cả các đơn nguyên người ta thường làm hộp phân phối khí dạng nêm (vát) Vỏ thường có dạng hình chữ nhật ít khi trụ Dụng cụ định hướng dạng chong chóng ( hình 14a) ít bị dính bám bụi, nó có

hệ số trở thủy lực nhỏ nhưng có mức độ thu bụi nhỏ hơn so với dụng cụ định hướng dạng hoa hồng Tất cả các dụng cụ định hướng trong một ngăn của cyclone chùm phải có cùng một hướng quay của khí

Một hãng sản xuất của Thụy Điển cho rằng nên làm bề mặt trong của các đơn nguyên cyclone bằng vật đúc không gia công, bởi vì nếu bề mặt được gia công nhẵn sạch sẽ làm chậm chuyển động của lớp biên gần thành, trong khí đó bề mặt không nhẵm sẽ gây nên sự xoáy lớp biên Do tăng được vận tốc khí sẽ làm giảm khả năng bám bẩn các đơn nguyên

Hình 15 Cyclone tổ hợp và cyclone con

2.2.4 Cyclone màng nước

Một trong những khuyết điểm của cyclon là do vận tốc xoáy trong thiết bị lớn nên dễ gây ra hiện tượng cuốn trở lại vào dòng không khí các hạt hụi đã lắng trên thành thiết bị Vì vậy , trên mặt trong thành thiết bị Cyclon màng nước, người ta tạo ra một lớp màng nước chảy để cuốn theo các hạt bụi lắng, ngăn không cho chúng bị cuốn vào dòng khí Cyclon màng nước có khả năng lọc sạch 90% các hạt có kích thước 1,5 µm [3]

Cấu tạo của cyclone màng nước là ở phía trên của thân hình trụ có lắp vòi phun nước Nước được phun theo chiều thuận với chiều chuyển động xoắn ốc của dòng khí bên trong cyclon và phải tạo được màn nước mỏng chảy từ trên xuống dưới thành và khắp mặt trong của thân cyclon Không khí đi vào cyclon từ dưới lên trên bằng ống dẫn khí vào Ống thoát ra cũng như ống dẫn vào đều lắp theo phương tiếp tuyến với thần hình trụ Nhờ thế mà dòng không khí vẫn đi theo đường xoắn ốc như trong xyclon khô, chỉ khác là : khi bụi va chạm vào thành cyclon, nó lập tức bị nước cuốn trôi xuống dưới rồi theo nước thải ra ngoài Khả năng hạt bụi sau khi đã va chạm vào thành cyclon bị bắn trở lại vào không khí như trong cyclon khô là ít xảy ra

Lượng nước phun quy về cho 1m3 không khí của cyclon thay đổi trong khoảng

từ 0,13 ÷0,3 l/m3 tùy theo đường kính cỡ cyclon Lượng nước này thường được lắng sơ bộ và dùng tuần hoàn, định kỳ xả qua hệ thống xử lý nước

Cyclon màng nước thường

được dùng với vận tốc dòng

khí ở cửa vào Vv=16~25 m/s

và vận tốc trung bình quy ước

V=4.5~7m/s Chiều dài thân

hình trụ H=5~5,2D (Thậm chí

tới 10D)

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LỌC BỤI CYCLONE

3.1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LỌC BỤI CYCLONE TRÊN THẾ GIỚI

3.1.1 Mô hình lý thuyết

a) Lý thuyết hiệu suất

Có một số biện pháp để mô tả hiệu suất hoạt động của một cyclone Phổ biến nhất là: Tổng số hiệu quả, hiệu quả lơp, đường kính cắt và giảm áp suất [6]

 Phân bố kích thước hạt

Bụi công nghiệp có chứa các hạt nhiều kích cỡ Cơ sở cho nhiều lý thuyết tách hạt để xác định sự phân bố kích thước hạt Đây là một chức năng toán học liên tục xác định số lượng tương đối của các hạt theo kích thước hạt Hình 16 cho thấy phân bố một hạt có kích thước điển hình với một chế độ Các phân phối tích lũy được ký hiệu là F và phân phối tần số dF / dx = f (x)

Hình 16 Sự phân bố kích thước hạt điển hình

Hình 17 Sự phân bố tần số tích lũy

 Tổng số hiệu quả

Tổng hiệu quả của một cyclone được dựa trên khối lượng của các hạt rắn tách ra

từ khí Hãy xem xét một cyclone mà tổng tỷ lệ dòng chảy của khí - rắn là M Từ tổng số lưu lượng này, một phần nhỏ được cyclone giữ lại Do đó, thuận tiện để chia tỷ lệ lưu lượng khí- rắn thành hai thành phần :

𝐌 = 𝐌𝐟+ 𝐌𝐜 (𝟐 𝟏)

𝑀𝑐 là khối lượng của các hạt bụi thô được cyclone giữ lại.Và 𝑀𝑓 là khối lượng của các hạt mịn thoát ra cùng với khí Điều này được biểu diễn cho từng hạt kích thước x sử dụng biểu thức 2.2:

(𝟐 𝟒)

Trong đó f là tần số khác biệt dF / dx

 Hiệu quả lớp

Như đã đề cập trước đó, các hạt có khối lượng lớn hơn được thu thập dễ dàng hơn Do đó, phần khối lượng thu thập được là kết quả của sự phân bố kích thước hạt Bằng cách sử dụng khái niệm này, mỗi kích thước hạt có hiệu quả riêng biệt, lớp hiệu quả được xác định như

𝛈(𝐱) =𝐤𝐡ố𝐢 𝐥ượ𝐧𝐠 𝐜ủ𝐚 𝐜𝐡ấ𝐭 𝐫ắ𝐧 𝐜ó 𝐤í𝐜𝐡 𝐭𝐡ướ𝐜 𝐱 𝐭𝐫𝐨𝐧𝐠 𝐬ả𝐧 𝐩𝐡ẩ𝐦 𝐭𝐡ô

𝐤𝐡ố𝐢 𝐥ượ𝐧𝐠 𝐜𝐡ấ𝐭 𝐫ắ𝐧 𝐤í𝐜𝐡 𝐭𝐡ướ𝐜 𝐱 đượ𝐜 𝐠𝐢ữ 𝐭𝐫𝐨𝐧𝐠 𝐜𝐲𝐜𝐥𝐨𝐧𝐞 (𝟐 𝟓)

Hoặc (dựa trên phương trình 2.2)

Hiệu quả lớp rất gần 1 cho những hạt có dp= 100 𝜇𝑚 và những sự giảm sút tới những giá trị rất nhỏ (cho) dp< 1 𝜇𝑚

 Hiệu quả phân tách [5]

Trong Bảng 1 được ghi nhận giá trị thu được bằng cách tính toán hiệu quả tách với các mối liên hệ được đưa ra bởi Leith và Licht (1972) trong sáu giá trị vận tốc đầu vào nêu trên theo năm giá trị của các phần cyclone đầu vào: S1 = 0,001575 m2; S2 = 0,002912 m2; S3 = 0,004928 m2; S4 = 0,006608 m2 và S5 = 0,007440 m2

Bảng 4 Giá trị hiệu quả tách phụ thuộc vận tốc đầu vào cyclone

Trong biểu đồ hình 18 cho thấy sự biến đổi của hiệu quả tách đối với vận tốc đầu vào trong cyclone Nó có thể được lưu ý rằng đối với phần cyclone đầu vào S2 = 0,002912 m2, mức độ phân tách cao hơn đối với bất kỳ giá trị của vận tốc đầu vào không giống như các diện tích đầu vào còn lại của cyclone Biểu đồ cho thấy

bộ lọc thấp nhất thuđược vận tốc đầu vào của 12 m / s và khu vực phần đầu vào

S5 = 0,0074 m2, trong khi đối với một đầu vào vận tốc 25 m / s và một ống dẫn phần diện tích S2 = 0,002912 m2 cyclone đã đạt đến một phân tách hiệu quả của

86 852%

Ngoài ra, nó có thể được quan sát thấy rằng đối với một vận tốc đầu vào 23 m / s

và một ống tiết diện S = 0,002912 m2, hiệu quả phân tách thu được là 86,1% Để làm nổi bật ảnh hưởng của kích thước phân tử trên hiệu quả tách trong cyclone

đã được rút ra từ đồ thị hình 19

Hình 19 Đồ thị sự thay đổi hiệu quả phân tách dựa trên đường kính

Trong đồ thị hình 19 có thể được quan sát thấy rằng hiệu quả tách tăng lên với sự gia tăng kích thước hạt Ngoài ra, nó có thể được quan sát thấy rằng đối với khu vực S2 = 0,002912 m2 hiệu quả tách cao hơn, và cho diện tích mặt cắt có hiệu cyclone S5 = 0,00744 m2 hiệu quả tách giảm đáng kể Nó cũng có thể được quan sát thấy rằng đối với một đường kính 0.0012 m, hiệu quả tách được tối đa hóa, không phụ thuộc vào hình dạng đầu vào

 Đường kính cắt [2]

Cắt giảm đường kính là một trong những thông số chính trong đánh giá hoạt động của một cyclon Cắt giảm đường kính là định nghĩa mà đường kính khí động học của một hạt với hiệu suất thu gom của cyclon là 50% Cắt giảm đường kính là riêng biệt cho từng thiết kế của cyclon và phải được tính toán riêng cho từng trường hợp

Mặc dù mô hình hỗn hợp có sự pha trộn và cung cấp dự đoán tốt hơn hiệu quả thu gom, mô hình dòng chảy kín, còn được gọi là phương trình Rosin-Rammler, được sử dụng rộng rãi hơn trong các tài liệu nghiên cứu Thay 0,5 cho hiệu quả thu gom trong công thức 5.c, một phương trình cắt giảm đường kính cắt như sau:

𝟐𝑵𝒆𝝅𝒗𝒊𝝆𝒑

Cắt giảm đường kính được sử dụng rộng rãi để dự đoán hiệu suất của cyclon Khi đường kính cắt giảm 50% so với định nghĩa, tổng thể hiệu quả thu bụi của cyclon sẽ cao nếu sự cắt giảm đường kính hạt nhỏ Và dần dần, tăng cắt giảm đường kính có nghĩa là hiệu quả bộ thu gom đang giảm

Trong thực tế, rất khó khăn trong việc xem xét tất cả các hiện tượng phức tạp xảy ra trong cyclon Theodore và De Paola (1980) đã đề xuất một mô hình thực nghiệm liên quan đến hiệu quả thu gom của cyclon có đường kính cắt giảm của

Phương trình trên cho thấy, đối với một hạt nhất định, hiệu quả thu bụi của bất

cứ một cyclon nào với đường kính cắt giảm như nhau sẽ cùng theo kết quả nghiên cứu của Lapple’s Mô hình thực nghiệm này được sử dụng rộng rãi để dự đoán hiệu quả thu gom của cyclon và các kết quả của nó phù hợp với dữ liệu thực nhiệm nhất

 Đường kính tới hạn [6]

Đây là đường kính hạt được thu thập với hiệu suất 100% (𝑑100) Kể từ khi hiệu quả thu tăng dần với việc tăng đường kính hạt và chỉ tiếp cận 100% như một giới hạn, giá trị này thường được xác định bằng phân tích

 Sự giảm áp suất [6]

Sự giảm áp suất trong cyclone là một thông số hiệu suất quan trọng vì nó là tỷ lệ thuận với năng lượng tiêu thụ Thông thường có một sự đánh đổi giữa giảm áp suất và tổng hiệu quả Giảm áp suất cao hơn có nghĩa là hiệu quả thu cao hơn, nhưng tiêu thụ năng lượng nhiều hơn

 Vận tốc đầu vào [2]

Vận tốc đầu vào có tác động tích cực đến hiệu quả thu gom bụi Vận tốc đầu vào càng cao thì hiệu quả thu gom càng tốt Tuy nhiên, nên lưu ý rằng sự gia tăng vận tốc đầu vào phải hợp lý để giảm tổn thất áp lực Như vậy, tốc độ đầu vào phải tối ưu hóa để có được hiệu suất tốt nhất

 Kích thước hạt [2]

Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của một cyclon là kích thước hạt Kích thước hạt tăng sẽ làm tăng hiệu quả thu gom Tương tự như vậy, tỷ trọng hạt lớn hơn cũng tăng hiệu quả thu gom vì lực quán tính tác dụng lên hạt

có tỷ trọng lớn sẽ lớn hơn và buộc chúng phải hướng về phía thành cyclon nhiều hơn

 Nhiệt độ không khí [2]

Nhiệt độ không khí cũng ảnh hưởng đến hiệu suất Nhiệt độ khí tăng, mật độ khí giảm và làm tăng độ nhớt khí tăng độ nhớt của khí cũng sẽ làm giảm hiệu quả thu gom (Buonicor và Theodore, 1982)

3.1.2 Mô hình thiết kế cyclone đơn

Hình 20 Tiêu chuẩn kích thước của một cyclone

 Lb : Chiều cao thân

 Lc: chiều cao phần phễu

 Dc: đường kính ống thu bụi

Để tránh ảnh hưởng việc không đồng nhất phần phễu giữa các cyclone và để làm việc tính toán trở lên đơn giản, mô hình cyclone với bán kính R và chiều cao L được thiết kế, được sử dụng như một xấp xỉ hình học cyclone Điều này dựa trên nguyên lý bảo toàn khối lượng Ý tưởng về một bán kính cyclone tương đương ban đầu được đề xuất bởi Leith và Licht

Hình 21 Sơ đồ dòng chảy qua vùng tách Trong hình H = Lc + Lb

Có rất nhiều cách khác nhau để tính R và L Một trong những đề nghị của Leith

và Licht cho chiều cao hình học tương ứng dựa trên chiều dài dòng xoáy tự nhiên L Nếu chiều dài dòng xoáy L tự nhiên vượt quá chiều cao cyclone, L là chiều cao của thân trụ tương đương Nếu không, Lc + Lb là chiều cao Điều này

là do vùng thu thập xảy ra chính trong phạm vi của L R được tìm thấy theo các phép tính toán sau đây :

𝑹∗= [ 𝑽𝒄𝒔

𝝅(𝑺 + 𝒍)]

𝟏 𝟐

𝑫𝟎 = 𝑫 −(𝑫 − 𝑫𝑪)(𝑺 + 𝒍 − 𝑳𝒃)

𝑳𝒄Hoặc

𝑹∗ = [ 𝑽𝒄𝒔

𝝅(𝑳𝒃 + 𝑳𝒄)]

𝟏 𝟐

𝒗ớ𝒊 𝒍 > 𝑳𝒄+ 𝑳𝒃 − 𝑺 Khi

 Hiệu suất thu thập

Những mô hình hiệu quả thu thập đầu tiên đã rất đơn giản và chỉ sản xuất đường kính kích thước cắt Điều này đã đưa ra một hàm liên tục nơi mà bất kỳ hạt bên dưới D50 có hiệu suất thu thấp 0% và mỗi hạt trên D50 được thu thập với hiệu suất 100% (hình 22) Các mức giới hạn vẫn được giữ nguyên ở mức 0 và 1 hình thành đường cong của hình

Hình 22 Hiệu suất thu của cyclone dựa trên sự giới hạn đường kính

Một trong những lý thuyết hiệu suất thu thập đầu tiên được phát triển bởi Lapple Mặc dù mô hình này là khá đơn giản và với vài thông số, nhiều nhà khoa học khác đã dựa trên nghiên cứu của Lapple Ông cho rằng hiệu suất cyclone phụ thuộc vào số vòng xoắn ngoài của dòng khí trước khi đến đáy Điều này đã được xác định bởi một mối quan hệ thực nghiệm và có tên là "số lần hiệu quả" Hơn nữa ông đã sử dụng sự cân bằng lực lượng hạt Lực kéo ra khỏi khí được cân bằng lực ly tâm gây ra bởi sự xoáy Khi hai lực này bằng nhau thì có 50% cơ hội các hạt rắn sẽ được thu thập bởi các cyclone Căn cứ vào thực tế đường kính cắt (D50) đã được tính toán, và sau đó η Hiệu suất thứ bậc Nghiên cứu sau này của Wang cho thấy tính số lần hiệu quả chỉ chính xác cho một số lượng rất hạn chế

về thiết kế cyclone

Barth bắt nguồn một biểu thức cho gia tốc hạt trong cyclone bằng cách sử dụng

lý thuyết chuyển động cong Sử dụng gia tốc này trong cân bằng lực cùng với vận tốc giới hạn lắng tính từ định luật Stokes, ông đã phát triển một mô hình để

dự đoán Hiệu suất thứ bậc Đối với bất kỳ kích thước hạt, hiệu quả thu được xác định từ tỉ số của vận tốc thiết bị đầu cuối của nó với vận tốc thiết bị đầu cuối của các hạt tĩnh Mô hình này đã được chứng minh để đưa ra kết quả rất khác nhau trong việc tăng cyclone Ngoài ra mô hình này không thể dự đoán hiệu quả thu giông bão với đường kính vượt quá đường kính giới hạn Ioza và Leith cải thiện

mô hình của Barth bằng cách gợi ý mới thực nghiệm phương trình để ước tính đường kính, chiều dài trục lốc xoáy, vận tốc tối đa tiếp tuyến và làm thế nào các thông số bị ảnh hưởng bởi các kích thước còn lại của cyclone

Hình 23 Đặc điểm đường cong hiệu suất lớp

Trong luận án của mình, Wang đã đưa ra nhiều kết quả thú vị Đầu tiên cô ấy chỉ

ra rằng hình dạng chung nhất cho một đường cong Hiệu suất thứ bậc thu được bằng cách mô hình khác nhau, có hình dạng tích lũy lognormal Cô cũng phát hiện ra rằng một xấp xỉ tốt cho một đường cong như vật thì có độ dốc = d84.1/d50 = d50/d15.9 Điều này được thể hiện trong hình 16 Cô cũng cho rằng cyclone 1D3D và 2D2D cho tổng hiệu quả cao nhất cho bụi khí chứa đầy các hạt dưới 100 µm (Một cyclone xDyD có kích thước Lb = x.D và Lc = y.D) Trong

số các nhà khoa học khác, cô chỉ ra một số sai sót với mô hình Lapple và đề xuất một phương pháp mới để xác định số lần hiệu quả Sử dụng điều này với gia tốc hạt Barth,cô bắt nguồn mới mô hình cho Hiệu suất lớp và D50

Parnell ghi nhận rằng mỗi thiết kế cyclone có một vận tốc đầu vào tối ưu khi nói đến hiệu quả thu thập Mô hình Lapple không giải thích tốc độ đầu vào, được chỉ

ra bởi Parnell, trong số những sai sót khác Vì thế, ông đề nghị một mô hình thay thế, dựa trên nhiều nguyên tắc tương tự Ý tưởng là một kỹ sư có thể chọn một tốc độ đầu vào mong muốn và sau đó tính toán tất cả các kích thước cyclone từ

có một tham số này Tuy nhiên mô hình này không thể tính toán hoặc giới hạn đường kính hoặc hiệu suất thu thập vì thế sử dụng hạn chế