193792. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés többfázisú áramoltatható közegek egyes fázisainak szétválasztására
193792 1 A találmány tárgya eljárás és berendezés többfázisú, áramoltatható közegek egyes fázisainak szétválasztására. Gázokból és szilárd szemcsés anyagokból álló keverékek fázisainak szétválasztására általánosan ismert az ún. aerociklonok alkalmazása. Folyadékokból és szilárd szemcsés anyagokból álló keverékeket általában az ún. hidrociklonokkal választanak fázisokra. A hidrociklon alkalmas keveréket alkotó folyadékok egyes fázisainak elkülönítésére is, ha a fázisok nem alkotnak emulziót egymással és sűrűségük különböző. Mindkét típusú ciklonnal centrifugális erőtérben áramoltatják a fázisokra bontandó közeget, és a centrifugális erőtérnek azt a hatását hasznosítják, hogy 'a nagyobb sűrűségű fázisokat jobban kiszorítja, mint a kisebb sürűségűeket. Bár a különféle ciklonok a gyakorlatban jól beváltak, megmutatkozott az a hiányosságuk, hogy nem képesek teljesen tiszta fázisokat elkülöníteni erősen zavart áramlási viszonyaik miatt. Az áramlási viszonyokkal kapcsolatos problémák a geometriai kialakításból fakadnak. A zavart áramlások viszont mindig energiaveszteséget eredményeznek, ami egyrészt rontja a hatásfokot, másrészt hátrányosan befolyásolja a szétválasztás minőségét. A ciklonoknál az áramlási keresztmetszet és az áramlás iránya egyes helyeken ugrásszerűen változik, ami aszimmetrikus áramlást eredményez. A beléptetés során kialakuló aszimmetrikus áramlás a ciklon hengeres részében, majd kúpos alsó részében és a kivezető csövekben szimmetrikus térbe kényszerül anélkül, hogy ott szimmetrikussá tudna válni. A megelőző aszimmetrikus szakaszban ugyanis olyan nagyok az energiaveszteségek, hogy a megmaradó töredékenergia csak arra elegendő, hogy a szimmetrikus geometrián fenntartsa az aszimmetrikus áramlást, az átalakulás energiaigényét már nem képes fedezni. Az áramlás csak a ciklon kúpos részének alsó szakaszán javul valamelyest, ahol egyre kisebb sugarú pályán kénytelen haladni a közeg, és keringési sebessége (potenciális energiája rovására) egyre nő. A keringési sebesség mindaddig nő, amíg a potenciális energia teljes egészében át nem alakul kinetikus energiává, természetesen fedezve az energiaátalakulás veszteségeit is. Ekkor az áramlás pályájának sugara tovább már nem csökkenhet, mert nem áll rendelkezésre az ehhez szükséges energia. Ennek megfelelően ún. áramcső alakul ki, amely a fizikai törvények értelmében sem folyadékban, sem gazban nem végződhet. Ha a ciklon alsó keresztmetszetének sugara nagyobb mint az áramcsőé, akkor az áramcső kilép a ciklonból, ha kisebb, felfelé áramlik, és a felső ún. örvénycsővön át lép ki, 2 2 feltéve, hogy ennek sugara nagyobb mint az áramcsőé. Ha az alsó és felső kivezető keresztmetszetek arányát megfelelően választják meg, az áramcső mind alul, mind felül kilép, és környezetét gerjesztve mindkét irányban magával ragadja a külső közeget is. Az áramlás tehát a kúp alsó régiójában, a még rendelkezésre álló töredék energia potenciális részének átalakulása árán kívülről befelé haladva hoz létre áramcsövet. Tekintettel arra, hogy a ciklonokban általában két, egymástól eltérő jellegű fázis áramlik együtt (pl. levegő és szilárdanyag vagy víz és szilárdanyag), a nagyobb sűrűségű fázis a centrifugális erő hatására a ciklon fala felé igyekszik. A ciklonfalat elért fázis (szilárdanyag) a kúp alsó régiójában koncentrálódik, így az áramcső a szilárdanyagon keletkezik, illetve ezen végződik. Tekintettel arra, hogy az áramcső felületén át sem ki, sem be nem léphet anyag, az áramcsővet csak azok a fáziselemek (gáz- vagy folyadékelemek) alkotják, amelyek a keletkezésében részt vettek, valamint azok a szilárdanyag szemcsék, amelyeket a gáz-, illetve folyadék-ellenállás a koncentrálódott szemcsékből magával ragad. Természetesen azok a szemcsék, amelyek eleve nem centrifugálódtak ki, szintén elemei lesznek az áramcsőnek. A mondottak értelmében ciklonnal még akkor sem lehetne tiszta gáz- vagy folyadékfázist elkülöníteni, ha a szemcsék tökéletesen kicentrifugálódnának az áramcső környezetéből, mivel a koncentrálódott szilárdanyagon végződő (vagy részben végződő) áramcső keletkezése pillanatában magával ragadja a szemcséket. A tiszta fázis elkülönítésének ellene dolgozik egy másik jelenség is a ciklonoknál, nevezetesen az, hogy a felső elvezető általában rövidebb mint a hengeres rész magassága, és benne a környezet nyomása uralkodik, tehát a rajta átfolyó fázis szabad kiömléssel távozik, így tekintélyes mennyiségű vegyes fázis lép ki a szabadba, mielőtt a centrifugális erőtér kiválaszthatná a szilárd szemcséket. Hiányossága a hidrociklonoknak az is, hogy sűrítésre, fázisszétválasztásra, osztályozásra csak úgy alkalmazhatók viszonylag eredményesen, ha mindkét kifolyönyílásnál biztosítják a szabad kiömlést. A kiömlési veszteségek viszont felemésztik az energia megmaradt részét. Más szavakkal: a ciklonokban teljesen elhasználódik az az energia, amelyet a bevezető csatornánál a kinetikus és a potenciális energia összegeként betáplálnak. összefoglalva: a ciklonok hatásfoka meszsze elmarad a korszerű berendezéseknél megkívánttól, mert áramlástechnikai és energetikai szempontból előnytelen a kialakításuk. A találmány célja a felsorolt hiányosságok kiküszöbölése. A találmány feladata olyan eljárás és berendezés létrehozása többfázisú, áramoltat5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
