サイクロン分離

サイクロン分離は、フィルターを使用せずに渦流分離によって空気、ガス、または液体の流れから粒子を除去する方法です。液体から粒子状物質を除去する場合はハイドロサイクロンを使用し、ガスから除去する場合はガスサイクロンを使用します。 回転効果と重力を利用して、固体と液体の混合物を分離します。この方法は、ガス流から液体の微細液滴を分離するためにも使用できます。

サイクロンと呼ばれる円筒形または円錐形の容器内で、高速で回転する（空気の）流れが作られます。空気は螺旋状に流れ、サイクロンの上部（広い端）から始まり、下部（狭い端）で終わり、その後、サイクロンの中心を通り上部から一直線にサイクロンから出ていきます。回転する流れの中の大きい（密度の高い）粒子は慣性が大きすぎて流れの急カーブをたどることができず、外壁にぶつかってサイクロンの底に落ち、そこで除去されます。円錐形のシステムでは、回転する流れがサイクロンの狭い端に向かって移動すると、流れの回転半径が小さくなり、粒子がどんどん小さく分離されます。サイクロンの形状と体積流量によって、サイクロンのカット ポイントが定義されます。これは、50% の効率で流れから除去される粒子のサイズです。カットポイントより大きい粒子はより高い効率で除去されますが、より小さい粒子は分離がより困難であるか、空気の渦が方向を変えて出口の方向に移動するときに再巻き込みの影響を受ける可能性があるため、効率は低くなります。^[1]

代替サイクロン設計では、サイクロン内の二次空気流を使用して、収集された粒子が壁にぶつからないようにし、摩耗から保護します。粒子を含む一次空気流はサイクロンの下から入り、固定されたスピナー羽根によってらせん状に回転します。二次空気流はサイクロンの上部から入り、下に向かって下降し、一次空気から粒子を遮断します。二次空気流は、粒子を収集領域に向かって押し出すため、この機能を実行するために重力だけに頼らないため、コレクターをオプションで水平に取り付けることもできます。

サイクロン分離機は、パルプ・製紙工場、セメント工場、製鉄所、石油コークス工場、冶金工場、製材所、その他粉塵を処理する施設など、あらゆる種類の電力および産業用途で使用されています。

大型サイクロンは製材所で排気からおがくずを取り除くのに使われています。また、サイクロンはまた石油精製所で油とガスを分離するのに使われ、セメント産業では窯の予熱装置の部品として使われています。サイクロンは、バッグレスタイプのポータブル掃除機やセントラル掃除機の中核技術として、家庭でもますます使われるようになっています。サイクロンはまた、産業用および業務用の厨房換気装置で、排気フード内の排気から油脂を分離するのに使われています。 ^[2]小型サイクロンは、空気中の粒子を分離して分析するために使用されます。中には衣服にクリップで留められるほど小さいものもあり、呼吸可能な粒子を分離して後で分析するのに使われます。

同様の分離器は石油精製産業（例えば流動接触分解）でも使用され、反応ガスや蒸気から触媒粒子を迅速に分離します。^[3]

液体から粒子または固体を分離する類似の装置は、ハイドロサイクロンまたはハイドロクローンと呼ばれます。これらは、廃水処理および下水処理において水から固形廃棄物を分離するために使用される場合があります。

現在使用されている最も一般的なタイプの遠心式または慣性式コレクターは次のとおりです。

シングルサイクロンセパレーターは、二重の渦を作り出して、粗い粉塵と細かい粉塵を分離します。メインの渦は下向きに螺旋状に広がり、粗い粉塵粒子の大部分を運びます。サイクロンの底部近くに形成される内側の渦は上向きに螺旋状に広がり、細かい粉塵粒子を運びます。

マルチサイクロン分離器は、図に示すように、共通のガス入口と出口を持ち、並列に動作する多数の小径サイクロンで構成されており、単一サイクロン分離器と同じ原理で動作し、外側の下向きの渦と内側の上昇する渦を生成します。

マルチサイクロンセパレーターは、個々のサイクロンが長くて直径が小さいため、シングルサイクロンセパレーターよりも多くのほこりを除去します。長さが長いため滞留時間が長くなり、直径が小さいため遠心力が大きくなります。この 2 つの要素により、ほこり粒子の分離が向上します。マルチサイクロンセパレーターコレクターの圧力降下はシングルサイクロンセパレーターよりも高いため、同じ量の空気を浄化するのにより多くのエネルギーが必要です。同じ容量のシングルチャンバーサイクロンセパレーターはより経済的ですが、除去できるほこりの量はそれほど多くありません。

このタイプのサイクロンは、サイクロンに注入される二次空気流を使用して、いくつかのことを行います。二次空気流はサイクロン作用の速度を上げて分離機の効率を高め、粒子がユニットの内壁に到達する前にそれを捕捉し、分離された粒子を収集領域に押し出します。二次空気流は、粒子による分離機の摩耗を防ぎ、分離された粒子を下方に動かすのに重力に頼らないため、分離機を水平に設置できます。

サイクロンは本質的に 2 相の粒子流体システムであるため、流体力学と粒子輸送方程式を使用してサイクロンの挙動を記述できます。サイクロン内の空気は、最初に入口速度で接線方向にサイクロンに導入されます。粒子が球形であると仮定すると、臨界分離粒子サイズを計算するための簡単な分析を確立できます。 ${\displaystyle V_{in}}$

サイクロンの中心軸からの回転半径 でサイクロンの上部円筒部内を回転する孤立した粒子を考えると、粒子は抗力、遠心力、および浮力の影響を受けます。流体速度が螺旋状に動いている場合、ガス速度は接線方向の成分と外向きの半径方向の速度成分の 2 つの成分速度に分解できます。ストークスの法則を仮定すると、入口ストリーム内の任意の粒子に対して外向きの速度に対抗する外向きの半径方向の抗力は次のようになります。 ${\displaystyle r}$${\displaystyle V_{t}}$${\displaystyle V_{r}}$

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

粒子の密度として、外向きの半径方向の遠心成分は次のようになります 。${\displaystyle \rho_{p}}$

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

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

浮力成分は内向きの半径方向にあります。周囲の流体に比べて不足している流体の体積に作用するため、粒子の遠心力とは反対方向になります。流体の密度に を使用すると、浮力は次のようになります。 ${\displaystyle \rho_{f}}$

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

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

この場合、は粒子の体積に等しくなります (速度とは対照的です)。各粒子の外向きの放射状運動を決定するには、ニュートンの運動の第二法則をこれらの力の合計に等しく設定します。 ${\displaystyle V_{p}}$

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

これを単純化するために、対象とする粒子が「終端速度」に達した、つまり加速度がゼロであると仮定します。これは、半径方向の速度が遠心力と浮力に対抗するのに十分な抗力を引き起こしたときに発生します。この単純化により、方程式は次のようになります。 ${\displaystyle {\frac {dV_{r}}{dt}}}$

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

これは次のように展開されます:

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

を 解くと${\displaystyle V_{r}}$

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

流体の密度が粒子の密度より大きい場合、運動は (-)、つまり回転の中心に向かい、粒子の密度が流体より大きければ、運動は (+)、つまり中心から離れる方向になることに注意してください。ほとんどの場合、このソリューションはセパレーターの設計のガイドとして使用され、実際のパフォーマンスは経験的に評価および変更されます。

非平衡状態では、半径方向の加速度がゼロではないため、上記の一般方程式を解く必要があります。項を整理すると、次の式が得られます。

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

は時間あたりの距離なので、これは という形式の2階微分方程式です。 ${\displaystyle V_{r}}$${\displaystyle x''+c_{1}x'+c_{2}=0}$

実験的に、回転流の速度成分はに比例することが分かっており、^[4]したがって、 ${\displaystyle r^{2}}$

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

これは、設定された供給速度がサイクロン内の渦速度を制御することを意味し、任意の半径での速度は次のようになります。

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

次に、おそらく注入角度とカットオフ半径に基づく の値を与えると、特性粒子フィルタリング半径を推定することができ、これを超えると粒子はガス流から除去されます。${\displaystyle V_{t}}$

上記の式は多くの点で制限があります。たとえば、セパレーターの形状は考慮されておらず、粒子は定常状態に達すると想定され、サイクロンの底部での渦反転の影響も無視されていますが、これらはすべて、実際の動作条件ではサイクロンで達成される可能性が低い動作です。

サイクロン分離器の挙動を研究した著者は多く、より完全なモデルも存在する。^[5]プロセス産業の一般的な用途向けに、いくつかの制限付きでサイクロンの素早い計算を可能にする簡略化されたモデルが開発されている。^[6]数値流体力学を使用した数値モデリングも、サイクロン挙動の研究で広く使用されている。^{[7] [8] [9]} サイクロン分離器の流体力学モデルの主な制限は、サイクロンの収集効率に大きな影響を与える微粒子と大粒子の凝集を予測できないことである。^[10]

• 高効率水平集塵
• 特許 2377524 (1945年6月)
• 引用された特許への代替リンク