Экспериментальное и CFD-исследование новой конструкции прямоточного циклона

Введение. Очистка газовых потоков является важной задачей многих отраслей промышленности в области инженерной защиты окружающей среды. При осуществления подобных мероприятий зачастую применяются циклоны – аппараты для очистки газовых потоков от мелкодисперсных частиц. В фармацевтической промышленности для решения таких задач требуется применение компактных высокоэффективных аппаратов, для разработки и исследования которых в последнее время все чаще применяются методы CFD-моделирования. В работе приводится сравнение результатов CFD-моделирования процесса очистки газа в прямоточном циклоне новой конструкции и эффективности улавливания в этом аппарате, полученной в результате экспериментальных исследований.

Цель. Сравнение результатов численного моделирования процесса очистки газа в двух конфигурациях прямоточного циклона новой конструкции с результатами эксперимента.

Материалы и методы. Для численного CFD-моделирования процесса разделения в исследуемом аппарате использовался программный комплекс FlowVision. Движение дискретной фазы – частиц – описывалось с помощью Lagrangian particle model. Для распределения частиц по размерам использовалось распределение Розина – Раммлера с минимальным диаметром 15 мкм, медианным 40 мкм и максимальным 120 мкм. Эксперименты проводились на экспериментальной установке, основной частью которой являлись прямоточный циклон, центробежный вентилятор и шнековый дозатор. В качестве модельного материала использовался тальк марки ТРПН, дисперсное распределение частиц которого было определено методом лазерной дифракции на анализаторе частиц SALD-2300 (Shimadzu, Япония).

Результаты и обсуждение. CFD-модель аппарата позволила определить поле скоростей газа, траектории потока и эффективность улавливания частиц в исследуемых конфигурациях прямоточного циклона. На основании информации о поле скорости газа и траекторий потока сделаны выводы о наиболее эффективных конструкторских решениях. Сравнение результатов численного моделирования и результатов эксперимента показало хорошую сходимость.

Заключение. Разработанная конструкция прямоточного циклона показала хорошую эффективность улавливания мелкодисперсных частиц. Численное CFD-моделирование позволило определить конструктивные особенности, негативно влияющие на эффективность, и оптимизировать конструкцию аппарата. Хорошая сходимость результатов модели и эксперимента подтверждает возможность использования CFD-программ для точного моделирования технологических процессов и определения их параметров.  

1. Yu G., Dong S., Yang L., Yan D., Dong K., Wei Y., Wang B. Experimental and numerical studies on a new double-stage tandem nesting cyclone. Chemical Engineering Science. 2021;236:116537. DOI: 10.1016/j.ces.2021.116537.

2. Safikhani H., Akhavan-Behabadi M. A., Shams M., Rahimyan M. H. Numerical simulation of flow field in three types of standard cyclone separator. Advanced Powder Technology. 2010;21(4):435–442. DOI: 10.1016/j.apt.2010.01.002.

3. Gimbun J., Chuah T. G., Choong T. S. Y., Fakhru’l-Razi A. A CFD study on the prediction of cyclone collection efficiency. International Journal for Computational Methods in Engineering Science and Mechanics. 2005;6(3):161–168. DOI: 10.1080/15502280590923649.

4. You Y., Seibold F., Wang S., Weigand B., Gross U. URANS of turbulent flow and heat transfer in divergent swirl tubes using the k-ω SST turbulence model with curvature correction. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020;159:120088. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120088.

5. Song J., Wei Y., Sun G., Chen J. Experimental and CFD study of particle deposition on the outer surface of vortex finder of a cyclone separator. Chemical Engineering Journal. 2017;309:249–262. DOI: 10.1016/j.cej.2016.10.019.

6. Wang L., Liu B., Feng J., Peng X. Experimental study on the separation performance of a novel oil–gas cyclone separator. Powder Technology. 2023;415:118124. DOI: 10.1016/j.powtec.2022.118124.

7. An I.-H., Lee C.-H., Lim J.-H., Lee H.-Y., Yook S.-J. Development of a miniature cyclone separator operating at low Reynolds numbers as a pre-separator for portable black carbon monitors. Advanced Powder Technology. 2021;32(12):4779–4787. DOI: 10.1016/j.apt.2021.10.027.

8. Narasimha M., Brennan M. S., Holtham P. N., Napier-Munn T. J. A comprehensive CFD model of dense medium cyclone performance. Minerals Engineering. 2007;20(4):414–426. DOI: 10.1016/j.mineng.2006.10.004.

9. Mousavi S. M., Ghadimi B., Kowsary F. Numerical study on the effects of multiple inlet slot configurations on swirl cooling of a gas turbine blade leading edge. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2018;90:34–43. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2017.10.012.

10. Flisyuk О. М., Toptalov V. S., Martsulevich N. А., Muratov О. V. Direct-flow cyclone. Patent RUS 195672U1 RU 2020.