Κυκλώνες Διαχωρισμού 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

2 Κυκλώνες Διαχωρισμού 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι κυκλώνες χρησιμοποιούνται εκτενώς για το διαχωρισμό σωματιδίων από αέρια ρεύματα εδώ και δεκαετίες. Κατά τη λειτουργίας τους το αέριο ρεύμα εξαναγκάζεται να κινηθεί σπειροειδώς (εξ ου και ο χαρακτηρισμός κυκλώνας) μέσα σε ένα περιορισμένο χώρο, με τέτοιο τρόπο ώστε τα σωματίδια ωθούνται προς τα τοιχώματα λόγω της φυγόκεντρης δύναμης. Μετά την πρόσκρουση στο τοίχωμα τα σωματίδια, λόγω της βαρύτητας, ολισθαίνουν προς τα κάτω και απομακρύνονται από τον κυκλώνα, ενώ στο κάτω μέρος του κυκλώνα το αέριο αναστρέφει την προς τα κάτω σπείρα του και κινείται προς τα πάνω με μια μικρότερη εσωτερική σπείρα. Η γεωμετρία του κυκλώνα ποικίλει αλλά οι τύπου κωνικοί - κυλινδρικοί αντίστροφης ροής είναι οι πλέον συνηθισμένοι. Διαφορετικού τύπου είσοδοι μπορούν χρησιμοποιηθούν αναλόγως της χρήσης του κυκλώνα (Σχήμα 2.1). Σχήμα 2.1: Είσοδοι Κυκλώνα (α) Είσοδος στο πάνω μέρος του σώματος, (β) Είσοδος στο σώμα, (γ) Είσοδος στο κάτω μέρος του σώματος (Πηγή: Χαρισίου και Γούλα, Προσωπικές σημειώσεις) 20

2.2 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Η πρώτη πατέντα για την κατασκευή κυκλώνα δόθηκε το 1885 στον John Finch της εταιρείας Knickerbocker (Εικόνα 2.1). Βασικές διαφορές μεταξύ του «συλλέκτη σκόνης», όπως αρχικά ονομαζόταν η συσκευή και των μοντέρνων κυκλώνων, είναι ότι η σκόνη συλλεγόταν στο πλαϊνό τμήμα του κυλινδρικού σώματος και όχι στη βάση του κωνικού τμήματος. Επίσης, η συσκευή ήταν πολύπλοκη στην κατασκευή της, ενώ το σχήμα της δεν μοιάζει καθόλου με τους μοντέρνους κυκλώνες (Hoffmann και Stein, 2007). Εικόνα 2.1: Σχηματική απεικόνιση του πρώτου κυκλώνα και φωτογραφία της πατέντας που δόθηκε το 1885 στον John Finch της εταιρείας Knickerbocker (Πηγή: Hoffmann και Stein, 2007) Παραταύτα, η ιδέα της χρήσης κεντρομόλου επιτάχυνσης για το διαχωρισμό σωματιδίων από αέριο ρεύμα ήταν μια πρωτοποριακή ιδέα για την περίοδο εκείνη. Όπως είναι γνωστό, η σκόνη που περιέχετε σε αέρια ρεύματα θα καθιζάνει, μόνο όταν το ρεύμα στο οποίο περιέχετε, θα μείνει ακίνητο για ένα αρκετά μεγάλο διάστημα. Για παράδειγμα, σωματίδιο μοναδιαίας πυκνότητας με διάμετρο 10 μm, χρειάζεται 5 1/2 min για να καθιζάνει κατά 1 m (Hoffmann και Stein, 2007). Η πρωτοπορία με την ανακάλυψη του John Finch είχε να κάνει με τον τρόπο με τον 21

οποίο προσέγγισε το πρόβλημα της καθίζησης της σκόνης. Αντί να κατασκευάσει ένα μεγάλο θάλαμο ο οποίος θα επέτρεπε στη σκόνη να καθιζάνει με αργό ρυθμό, εισήγαγε εφαπτομενικά το ρυπασμένο αέριο ρεύμα σε μια μικρή κυλινδρική συσκευή, σε αρκετά υψηλή ταχύτητα. Ως αποτέλεσμα, ο διαχωρισμός λαμβάνει χώρα βασιζόμενος στη φυγόκεντρο και όχι στη βαρύτητα. Οι βελτιώσεις στο σχεδιασμό κυκλώνων που ακολούθησαν οδήγησαν σε συσκευές που στις αρχές του 20 ου αιώνα είχαν αρχίσει να θυμίζουν τις μοντέρνες κατασκευές. Ένα παράδειγμα αποτελεί ο «συλλέκτης σκόνης» του Αμερικάνου εφευρέτη O. M. Morse, στον οποίο στις αρχές του 1905 δόθηκε πατέντα με σκοπό να μειώσει τον κίνδυνο από εκρήξεις σκόνης σε αλευρόμυλους (Εικόνα 2.2). Εικόνα 2.2: Σχηματική απεικόνιση κυκλώνα με κωνικό συλλέκτη σκόνης (Πηγή: Hoffmann και Stein, 2007) 22

Ο ίδιος ο O. M. Morse έγραψε: «Η βελτιωμένη συσκευή μου διαχωρίζει τη σκόνη από το αέριο κάνοντας χρήση της ίδιας του της κίνησης με πάρα πολύ απλό τρόπο, δεν χρησιμοποιεί κινούμενα μέρη και είναι πολύ απλή στην κατασκευή» (Hoffmann και Stein, 2007). Εξαιτίας της ευκολίας στην κατασκευή τους, του χαμηλού τους κόστους, την έλλειψη κινούμενων μερών, και ευκολίας στη συντήρηση τους, οι κυκλώνες άρχισαν να γίνονται ολοένα και περισσότερο δημοφιλής, με αποτέλεσμα συνεχείς βελτιώσεις στην κατασκευή και λειτουργία τους. Στις αρχές του 1920 είχαν αποκτήσει τα περισσότερα από τα βασικά χαρακτηριστικά των μοντέρνων κυκλώνων (Εικόνα 2.3). Εικόνα 2.3: Κυκλώνες για συλλογή σκόνης σε αλευρόμυλους κατασκευασμένη από την εταιρεία Wolf στις αρχές του 1920. Σημειώνεται η πληθώρα σχεδιασμών της εισόδου που χρησιμοποιούνταν. (Πηγή: Hoffmann και Stein, 2007) Αν και η βασική αρχή λειτουργίας των κυκλώνων παραμένει αναλλοίωτη από την εμφάνιση τους στα τέλη του 19 ου αιώνα, οι δοκιμές και χρήση που ακολούθησαν έχουν επιφέρει σημαντικές σχεδιαστικές βελτιώσεις. Η γεωμετρία και οι διαστάσεις της εισόδου, ανιχνευτή δίνης, κώνου, δοχείου συλλογής της σκόνης και των άλλων χαρακτηριστικών ενός κυκλώνα έχουν αποτελέσει αντικείμενο πληθώρας μελετών. Με βάση τα σημερινά δεδομένα, κάποιες από αυτές τις μελέτες θα χαρακτηρίζονταν ως «ιδιαίτερες». Για παράδειγμα η πατέντα της εταιρείας Rube-Goldberg περιελάμβανε περιστρεφόμενες αλυσίδες κινούμενες από τη δημιουργηθήσα δίνη με στόχο την παρεμπόδιση της συσσώρευσης της σκόνης στα τοιχώματα της συσκευής (Εικόνα 2.4). Κυρίως όμως έχει διερευνηθεί ο ρόλος της ταχύτητας, πυκνότητας, ιξώδους, και της συγκέντρωσης, σχήματος και κατανομής των σωματιδίων στο διαχωρισμό. 23

Εικόνα 2.4: Πατέντα κυκλώνα της εταιρείας Rube-Goldberg (Πηγή: Hoffmann και Stein, 2007) 2.3 ΟΙ ΚΥΚΛΩΝΕΣ ΣΗΜΕΡΑ Οι κυκλώνες χρησιμοποιούνται σε ένα μεγάλο εύρος βιομηχανικών διεργασιών είτε για την ανάκτηση προϊόντων είτε για τον καθαρισμό αερίων ρευμάτων από σωματίδια, και συναντώνται σχεδόν σε κάθε διεργασία στην οποία απαιτείται ο χειρισμός σκόνης (Εικόνα 2.5). Οι κυκλώνες έχουν σχετικά χαμηλό κόστος κατασκευής, χαμηλό λειτουργικό κόστος και μπορούν να λειτουργήσουν σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης. Αναλόγως της διεργασίας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σαν συσκευές αρχικού καθαρισμού για την απομάκρυνση μεγάλης διαμέτρου σωματιδίων, πριν από σακόφιλτρα, πλυντρίδες ή ηλεκτροστατικά φίλτρα. Με καλό σχεδιασμό, οι κυκλώνες είναι πολύ αποτελεσματικοί στην απομάκρυνση σωματιδίων με διάμετρο μεγαλύτερη των 10 μm. Σε μικρότερα σωματίδια η απόδοση μειώνεται αισθητά. Ένα ακόμη μειονέκτημα είναι ότι οι κυκλώνες δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την απομάκρυνση κολλωδών σωματιδίων, ή για σωματίδια με υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία καθώς μπορεί να «βουλώσουν» από τη συσσώρευση αυτών (Cooper και Alley, 2004). 24

α) β) γ) δ) Εικόνα 2.5: Παραδείγματα μοντέρνων κυκλώνων - (α) Κυκλώνας της εταιρείας Oneida για χρήση σε βιομηχανίες παραγωγής προϊόντων ξύλου, (β) Κυκλώνας της εταιρείας Pentz/Mangano Clear-Vu (γ) Σχηματική απεικόνιση κυκλώνα 3 ης γενιάς της εταιρείας Shell Global Solutions (δ) Συλλέκτης σκόνης με χρήση πολυκυκλώνων της εταιρείας Dyson (Πηγή: Hoffmann και Stein, 2007) 25

Οι κυκλώνες μπορούν να χειριστούν μεγάλα εύρη παροχών που κυμαίνονται από 50 m 3 /hr έως 50,000 m 3 /hr. Συνήθως όμως, όταν η παροχή υπερβαίνει τα 20,000 m 3 /hr το αέριο ρεύμα διαχωρίζεται σε κυκλώνες οι οποίοι είναι τοποθετημένοι εν παραλλήλω (ή αλλιώς πολύ-κυκλώνες) για την αποφυγή προβλημάτων που σχετίζονται με ανεμιστήρες και το λοιπό βοηθητικό εξοπλισμό. Επιπλέον οι πολύκυκλώνες είναι πιο αποδοτικοί και λειτουργούν σε μικρότερες πτώσεις πίεσης (Benitez, 1993; Wang, κ.α., 2004). Οι μικρής διαμέτρου κυκλώνες επιτυγχάνουν υψηλότερες αποδόσεις απομάκρυνσης σωματιδίων. Στα μειονεκτήματα τους συγκαταλέγονται η υψηλή πτώση πίεσης και η αδυναμία τους να χειριστούν μεγάλες ογκομετρικές παροχές. Όταν οι κυκλώνες τοποθετούνται σε σειρά ή εν παραλλήλω τα προβλήματα αυτά εξαλείφονται, όμως αυτού του είδους οι διατάξεις έχουν αυξημένο κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας. Επιπροσθέτως οι κυκλώνες που τοποθετούνται εν παραλλήλω τείνουν να «βουλώνουν» ευκολότερα (Theodore, 2008). Σχήμα 2.2: Κυκλώνες σε σειρά (Πηγή: Χαρισίου και Γούλα, Προσωπικές σημειώσεις) Το Σχήμα 2.2 απεικονίζει μία τυπική διάταξη κυκλώνων σε σειρά. Συνήθως η πρώτη συσκευή στη διάταξη έχει μεγαλύτερη διάμετρο σώματος και συλλέγει τα μεγαλύτερα σωματίδια. Οι κυκλώνας που ακολουθεί έχει μικρότερη διάμετρο σώματος και είναι πιο αποδοτικός στη συλλογή των μικρότερων σωματιδίων. Σε αυτή τη διάταξη επιτυγχάνουμε μείωση της σωματιδιακής φόρτισης στην είσοδο του δεύτερου κυκλώνα και αποφεύγουμε προβλήματα από την τριβή των σωματιδίων στη συσκευή. Επιπροσθέτως, ακόμη και στην περίπτωση που ο πρώτος κυκλώνας βουλώσει, ο δεύτερος θα απομακρύνει μέρος των σωματιδίων. Ένα από τα μειονεκτήματα αυτής της διάταξης είναι ότι η πτώση πίεσης που προκαλείται στον δεύτερο κυκλώνα προστίθεται σε αυτή του πρώτου, αυξάνοντας τη συνολική πτώση πίεσης του συστήματος. 26

Ένας από τους διαφορετικούς τύπους κυκλώνων εν παραλλήλω που έχουν σχεδιαστεί απεικονίζονται στο Σχήμα 2.3. Καθώς οι συστοιχίες των κυκλώνων στην εν λόγω διάταξη έχουν μια κοινή είσοδο για το αέριο ρεύμα, μπορούν να χειριστούν μεγάλες παροχές σε σχετικά χαμηλές πτώσεις πίεσης. Σε διατάξεις όπου χρησιμοποιείται κοινό δοχείο συλλογής των σωματιδίων (Σχήμα 2.3), κάθε συσκευή θα πρέπει να έχει την ίδια πτώση πίεσης. Σε διαφορετική περίπτωση το αέριο ρεύμα θα ρέει μέσω ορισμένων μόνο από τους κυκλώνες. Προσοχή επίσης απαιτείται κατά τον σχεδιασμό/επιλογή του δοχείου συλλογής των σωματιδίων καθώς θα πρέπει να αποφευχθεί η είσοδος αερίου ρεύματος στον κυκλώνα. Συστήνεται η χρήση μεγάλου βάθους ώστε η σκόνη που συλλέγεται να βρίσκεται αρκετά κάτω από το σημείο όπου η σπείρα αρχίζει την ανοδική της πορεία. Η προσθήκη μηχανικού εμβόλου για την περιοδική απομάκρυνση της σκόνης είναι η πλέον ενδεδειγμένη λύση. Το Σχήμα 2.4 απεικονίζει μερικές από τις διαφορετικές επιλογές. Σχήμα 2.3: Κυκλώνες εν παραλλήλω (Πηγή: Χαρισίου και Γούλα, Προσωπικές σημειώσεις) 27

Σχήμα 2.4: Δοχεία Συλλογής (α) Σύρτης, (β) Περιστρεφόμενη βαλβίδα, (γ) Περιστρεφόμενο έμβολο, (δ) Αυτόματη βαλβίδα ρύθμισης (Πηγή: Χαρισίου και Γούλα, Προσωπικές σημειώσεις) 2.4 ΘΕΩΡΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Όπως έχει προαναφερθεί, το αέριο κατά την είσοδό του στο κυλινδρικό τμήμα του κυκλώνα στροβιλίζεται κινούμενο προς τα κάτω σχηματίζοντας ένα φυγοκεντρικό πεδίο, στο οποίο η μεγαλύτερη δύναμη ασκείται στο κωνικό τμήμα του κυκλώνα, ωθώντας τα σωματίδια προς τα τοιχώματα της συσκευής. Σε αυτό το σημείο η ταχύτητα είναι μηδενική (σημείο ηρεμίας όπου η πίεση έχει τη μεγαλύτερη τιμή), επιτρέποντας την πτώση των σωματιδίων στο δοχείο συλλογής που βρίσκεται στη βάση του κυκλώνα (Dietz, 1981; Leith και Licht, 1972). Η φυγόκεντρη δύναμη (F) που ασκείται σε ένα σωματίδιο στον κυκλώνα μπορεί να εκφραστεί ως: 3 2 pdv p p F (2.1) R όπου: p = η πυκνότητα του σωματιδίου, kg/m 3 (lb/ft 3 ) d = η διάμετρος του σωματιδίου, μm (in) p 28

V p =η οριακή ταχύτητα του σωματιδίου στην ακτινική διεύθυνση, m/hr (ft/hr) R = η ακτίνα του σώματος του κυκλώνα, m (ft) H εξίσωση (2.1) εξηγεί αρκετά από τα χαρακτηριστικά των κυκλώνων που έχουν προαναφερθεί. Για παράδειγμα το γινόμενο ρ p x d p 3 είναι ανάλογο της μάζας του σωματιδίου. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη που ασκείται στο σωματίδιο. Ως συνέπεια, η τάση κίνησης προς τα τοιχώματα αυξάνεται και τα σωματίδια συλλέγονται ευκολότερα. Η εξίσωση (2.1) επίσης εξηγεί γιατί οι μικρότεροι κυκλώνες είναι αποδοτικότεροι στη συλλογή σωματιδίων, καθώς η μείωση της ακτίνας του σώματος του κυκλώνα οδηγεί σε αύξηση της φυγόκεντρης δύναμης. Αντίθετα από τη φυγόκεντρη δύναμη δρα μια δύναμη αντίστασης, η οποία προκαλείται από τη σπειροειδή κίνηση του αερίου προς τον κεντρικό άξονα του κυκλώνα και την τύρβη του ρεύματος, και έχει ως αποτέλεσμα τη μεταφορά των μη συλλεγόμενων σωματιδίων στην έξοδο της συσκευής (Dietz, 1981; Lieth και Licht, 1982; Theodore, 2008). Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η κίνηση του αερίου περιλαμβάνει μία εξωτερική καθοδική σπείρα και μία εσωτερική ανοδική σπείρα (Iozia και Leith, 1989). Η περιοχή ανάμεσα στις δύο σπείρες καθορίζει τον κεντρικό άξονα του κυκλώνα με ύψος και διάμετρο Z c ή L m και d c, αντιστοίχως και εξαρτάται από τις διαμέτρους των εξόδων D d και D e (δες Σχήμα 2.5 και Σχήμα 3.1). Στην εξωτερική σπείρα η οριακή ταχύτητα του σωματιδίου στην ακτινική διεύθυνση αυξάνεται με τη μείωση της ακτινικής θέσης σε μια μέγιστη τιμή (V max) και στην εσωτερική σπείρα η οριακή ταχύτητα του σωματιδίου στην ακτινική διεύθυνση μειώνεται, καθώς το σωματίδιο πλησιάζει προς το κέντρο (Boysan, κ.α., 1982; Lapple, 1951). Σχήμα 2.5: Διαστάσεις τυπικού κυκλώνα (Πηγή: Συγγραφέως) 29

ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΟΣ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ Αγγλικοί συμβολισμοί d p F R V p Διάμετρος σωματιδίου Φυγόκεντρη δύναμη Ακτίνα σώματος του κυκλώνα Οριακή ταχύτητα του σωματιδίου στην ακτινική διεύθυνση Ελληνικοί συμβολισμοί ρ ρ Πυκνότητα σωματιδίου 30