가스나 액체로부터 필터없이 vortex separation을 통해 입자를 분리하기 위한 설비로서, 액체로부터 입자를 제거할 때는 hydro-cyclone (혹은 hydro-clone이라고 함)을 사용하고, 가스로부터 입자를 제거할 때는 gas cyclone을 사용한다.
특히 밀도가 다른 유체를 분리하는데 사용되는 hydro-cyclone은 WWT나 sewage treatment에서 물로부터 solid waste를 제거하는데 효과적이다. Cyclone은 단일 혹은 series나 parallel로 설치될 수 있다.
parallel arrangement: flow를 splitting하여 더 작은 cyclone을 multiple로 설치하며, size가 작을수록 효율이 더 좋다. headroom이 제한적이라면 크기가 작은 cyclone을 multiple로 설치하는 것을 고려한다. (revamping시 유효할 듯 함)
series arrangement: inlet 속도가 낮을 때는 parallel보다는 series를 적용하며, 이 경우 2개가 series로 배열될 때 5마이크론 기준으로 하나당 90%효율이라면 series일 경우 99% 효율이다. system upset일 경우 redundancy가 가능하다.
관성력, 원심력과 중력의 원리를 이용하며 가스 흐름으로부터 고체 입자 외에 미세 액체 입자 (fine droplet)를 제거할 때도 이용할 수 있다.
실린더 혹은 콘 모양의 사이클론내에서 빠른 속도의 회전 흐름이 형성되는데 이는 가스가 top에서 helical pattern으로 들어오기 때문이다. 회전하는 흐름내 무겁거나 size가 큰 입자는 관성력이 커서 흐름의 tight curve 및 outside wall을 따라 아래로 떨어진다. cone부위에서 회전하는 흐름은 아래로 내려가면서 회전 반경이 작아져 보다 작은 입자를 분리한다.
Geometry와 부피 유량이 매우 중요한 factor이며, 입자크기에 대해 50% 효율을 기준으로, 기준 입자보다 클 경우 제거효율이 높고, 반면 기준입자보다 입자 크기가 더 작을 때 가스가 방향 전환하여 위로 올라갈 때 따라 올라 갈 수 있어서 효율이 낮아진다.
FCC의 cyclone의 경우 reactor와 regenerator내에 설치되어 반응 가스 및 재생 가스로부터 촉매 입자를 보다 빨리 분리하기 위해 적용된다.
Air conveying system 끝에서 공기와 granule을 분리하기 위해 사용되며, 아울러 purifying equipment의 종류로서 간단한 구조이면서 편리한 유지관리, 고온 저항성, 저비용의 장점이 있다.
Movable part가 없어서 수명이 길기 때문에 exhausted air에서 먼지 제거 목적외에 다양하게 사용된다. 보통 steel plate의 용접을 통해 제작하여, 상대적으로 낮은 가스 순도를 요구하는 곳에 적용한다.
작동원리
가스가 들어와 흐르는 방향이 아래 나선형 방향으로 변하여 원심력에 의해 입자들은 cyclone lining쪽으로 dragged된다. Cone part로 회전하면서 들어가게 되면 직경이 작아지면서 중심방향으로 가스가 회전하여 입자가 내부 cone을 따라 outlet으로 배출 (coarse particle) 되며, 이 때 가스가 cone의 끝부분에 도달되면 secondary vortex flow가 형성되어 제거되지 않은 미세 입자 (fine particle)와 함께 가스는 cone 윗부분의 exhaust pipe를 통해 나간다.
Pressure loss
Cyclone의 type에 따라 다르지만 보통 50 ~ 250mmAq정도이며, 양압하에서 운전할 때는 차압이 크더라도 conveying에 큰 영향은 없지만, 음압일 경우 차압이 작아야 하며, 또한 cyclone설계시 압력손실은 정확히 계산을 해야 한다.
분리효율
Cyclone은 입자 크기 1 ~ 3마이크론 이상에 적합하며, 입자가 큰 경우 97% 효율이고 크기가 작거나 가벼울 경우 효율적으로 분리하기가 어렵다.
적용
Pre-crystallizing, drying, dehumidifying, conveying 공정에서 마찰에 의해 발생된 입자를 제거하는데 사용되며, conveying recycle에 pre separation이 없다면 filter를 막히게 할 수 있다. 따라서 closed return하기 전에 cyclone에서 입자들을 제거한다.
Cyclone은 dust separator, dust collector, dust extractor, cyclone extractor, cyclone separator라고도 불리우며 일반적으로 작은 사이즈는 dust separator라고 하고, 큰 사이즈는 cyclone separator라고 한다.
Typical Gas Cyclone Installation
Gas cyclone separator는 reverse flow와 axial flow의 두 종류로 나눌 수 있다. Reverse flow는 흔히 알고 있는 type으로 가스가 아래로 내려가면서 solid를 제거후 다시 위 방향으로 나간다.
Reverse Flow Gas Cyclone Separator
Reverse Flow Cyclone Separator With Swirl Generator
반면 axial flow는 straight through로 알려진 cyclone이며, 가스가 한쪽으로 들어와서 반대방향으로 나가며 자주 사용되지는 않는다.
효율은 collection efficiency로서 capture 혹은 recovery rate의 의미이며, 흐르는 가스에서 입자를 분리하는 능력을 보여주며, 효율은 입자 크기에 영향을 받으므로 보통 다양한 입자 크기에 대해 효율이 주어진다.
Cut point (X50)는 효율 50%로서 가스 내에서 입자를 분리하는 기준이며, 이는 부피 유량과 cyclone geometry에 의존하고 cyclone의 performance를 결정한다.
즉, 50%의 의미는 들어오는 입자의 50%는 top으로 나가고 (미세입자), 나머지 50%는 아래로 나간다. (제거되는 입자) cut point보다 큰 입자는 높은 효율로 제거가 된다는 의미이고, cut point 수치가 클수록 보다 큰 입자만 제거하고, cut point 수치가 작을 경우 보다 작은 입자도 제거를 할 수 있다는 의미이다.
가스가 아래로 나선모양으로 흘러 spiral vortex를 형성하고, cone부위에서 직경이 작아짐에 따라 가스 속도가 빨라지며 cone 중심 부위에서 추가적인 inner vortex를 만들어 이는 다시 위로 나선형 모양으로 흘러 빠져 나간다.
관성이 큰 입자는 직선운동을 하여 cyclone side wall에 impact을 주지만, 관성이 작은 입자는 가스 흐름 내에 머물며 나선형으로 움직인다.
Entrained Low Intertia Gas Particles
관성이 큰 입자는 외력인 cyclone vortex에 영향을 받지 않아 지속적으로 직선운동을 하여, 가스 흐름으로부터 벗어나 cyclone 벽에 충돌 및 아래로 내려가 분리가 된다. 이러한 메커니즘에 따라 입자 크기 기준으로 분리가 된다.
Entrained High Intertia Gas Particles
밀도가 큰 입자 역시 cyclone벽에 충돌하지만, 밀도가 작은 입자는 가스 흐름에 남는다. 아울러 밀도 외에 입자 모양도 동시에 가스 흐름으로부터의 분리에 영향을 주게 된다.
가스 흐름에서 입자를 분리하는 힘은 아래 식으로 계산을 할 수 있으며 이로 인해 입자가 cyclone벽에 충돌한다.
F =(mv2)/r
v = gas velocity
m = particle size
r = radial distance from cyclone wall
이 구심력은 cyclone 직경이 크고 차압이 작을 경우 중력의 5배이며, 반면 직경이 작고 차압이 큰 경우 중력의 2,500배에 달한다.
효율에 영향을 주는 인자로는 입자 밀도, 크기, 부피유량, 차압, cone 길이, cyclone길이, cyclone직경과 gas outlet port의 비, 그리고 cyclone내부 wall의 smoothness이다.
입자 밀도는 매우 중요한 인자로서 ferrous oxide와 같이 밀도가 큰 경우 입자 크기와 무관하게 99% 이상의 효율을 갖는다. 반대로 밀도가 감소하면 효율도 줄게 된다.
밀도가 같을 때 입자크기가 클수록 쉽게 분리가 되며, 5마이크론 이하의 입자는 매우 작은 cyclone을 사용하지 않고서는 분리하기가 어렵다. 반면 200마이크론 이상의 입자는 gravity settling chamber와 같은 방법으로도 분리될 수 있다. 즉, 입자 크기는 효율에 비례한다.
==> 입자 크기가 작으면 cyclone 크기도 작아야 분리할 수 있음.
Cyclone 직경이 클수록 작은 size에 비해 효율이 좋지 않다. 하지만 작은 cyclone은 차압이 커져 부피 유량이 제한되며 속도도 빨라져서 erosion을 야기할 수 있다. 반대로 size가 큰 cyclone은 차압이 작아 허용 부피 유량이 커진다. 효율은 cone 직경이 작을수록 좋아진다. 그래서 cone 직경을 줄일수록 미세한 입자를 제거할 수 있다. 가스 흐름으로부터 미세 입자를 제거하는데 size가 큰 cyclone은 적절하지 않다. Outlet gas nozzle size를 줄이면 효율을 올릴 수 있다.
Cyclone의 장점으로는 cost가 낮고 moving part가 없어서 유지 관리가 용이하고, 구조가 간단하며 효율이 높고, 고온에도 적용할 수 있고, 액체 mist에도 적용하며 큰 공간을 필요로 하지 않는다. 아울러 필터와 달리 bag이나 다른 element가 필요 없다. 차압이 일정 (막힐 염려가 없으므로)하고 wet cyclone을 제외하고는 dry 운전으로 collected particle 제거에 용이하다.
반면 단점으로는 차압이 클 경우 운전 비용이 증가하고, 미세 입자일 경우 효율이 떨어지며, sticky할 경우 적용이 불가하다. 하지만 해당 서비스에 적합한 cyclone 크기를 선정하여 단점을 줄일 수 있다. 아울러 10마이크론 이하의 입자는 standard model일 경우 제거가 어렵다. T/D 운전일 경우 성능이 줄고, wet cyclone일 경우 수처리가 필요하고 소음이 발생하며 차압이 큰 경우 대략 0.5~2.5kPa정도이다. pressure drop의 10~30%는 frictional loss와 entrance loss이며 나머지는 vortex에 의해 생성된 pressure gradient이다. 두 유체간 밀도차가 작거나 점성이 큰 경우 분리가 어렵다.
Erosive나 corrosive 물질이 가스 흐름내에 포함되어 있는 경우 cyclone 내벽에 protection layer를 고려하며, erosive일 경우 세라믹이나 에나멜과 같은 재질을 적용하고, corrosive일 경우 에나멜이나 ploy based coating을 적용할 수 있다.
분진을 많이 발생하는 곳에 주로 적용하며, exhaust fan에 의해 음압을 형성하여 먼지와 공기가 딸려와서 cyclone을 통해 먼지는 아래로 제거되고 de-dusting air는 대기 배출한다.
Cyclone은 dry scrubber의 일종으로 관성 이론을 이용하여 가스로부터 입자를 제거한다. 특히 대기 배출전에 일정 크기 이상의 입자를 제거하는 pre-cleaner역할을 하여, 후단에서 좀더 미세한 입자를 다른 방법으로 제거하며, pre-cleaner가 없다면 후단 설비는 쉽게 막히게 된다. Cyclone 크기에 가장 큰 영향은 처리량이며, cyclone 높이는 보통 1.2~9m 범위이다.
토네이도와 유사한 spiral vortex가 cyclone내부에서 발생하며, 가벼운 입자는 관성이 작아 vortex 흐름에 따라 이동하지만, 관성이 큰 입자는 vortex에 영향을 받지 않고 cyclone벽을 향해 직선운동을 한다.
대부분 cyclone은 10마이크론 이상의 입자를 제거하도록 설계되지만, 2.5마이크론 정도의 입자 크기를 제거하는 고효율 cyclone도 있다. 하지만 이 경우 오히려 큰 입자에 대해서는 효율이 낮게 된다. 200마이크론 정도의 입자에 대해서는 gravity settling이나 momentum separator가 적절하다. Cyclone은 다른 type의 separator에 비해 저렴하며 더 정밀하게 입자를 제거하는 장치 전단에 전처리로서 설치하기도 하여, 이 경우 rough separator 역할을 한다. Cyclone은 모든 입자에 대해 50~99% 효율을 갖으며 중요한 것은 입자 밀도 및 크기이다.
cyclone 내부는 double spiral 형태로 기체가 흐르는데 outer는 아래방향으로, inner는 위 방향으로 움직인다. 아래로 흐르는 기체가 결국 cone의 맨밑에서 다시 위 방향으로 전환되어 흐른다. cyclone내 가스 속도는 10~20m/s정도이며, 보통 16m/s를 기준하며 만약 속도가 흔들리면 분리효율이 크게 저하된다.
설계시 중요한 정보로는 cyclone diameter와 particle cut off diameter이다. geometry는 가스와 입자의 특징과 분리효율에 의해 결정이 된다. 분리 효율관련 Lapple formula를 적용한다.
재질은 SS, Aluminium, nickel, PS, PVC, PVDF등을 적용하거나 coating처리한다. 유량이 큰 경우 (high throughput cyclone) 직경이 1.5m이상이고 입자는 20마이크론 이상에 적합하다. 반면 효율을 높이려면 (high efficiency cyclone) 직경은 0.4~1.5m이고 입자는 10마이크론 이상을 제거할 수 있다.
직경이 0.3m이하는 독립적으로 거의 사용되지 않으며, multi cyclone형태로 사용되고, 내부에서 충분히 distribution이 안되면 back flow와 blockage를 야기할 수 있다.
Other types of cyclones
Electro-cyclones: cyclone벽과 중심사이에 전기장을 형성하여 입자가 wall쪽으로 이동하게 하여 분리한다.
Secondary flow enhanced cyclone: 분리될 첫 번째 가스가 cyclone 아래에서 소용돌이처럼 도입되고, 위에서는 두 번째 깨끗한 가스가 tangential방향으로 도입되어 입자에 미치는 원심력과 분리효율이 커진다.
Combination of multi-cyclone and bag house filter: multi cyclone은 pre cleaning용도이고, bag house filter는 더 미세한 입자까지 제거한다.
Condensation cyclone: 냉각제로 cyclone을 cooling하여, dew point 이하의 일정 온도에서 물이나 fat등을 응축하여 제거한다.
Wet cyclone: 20마이크론 이하의 입자를 분리하기 위해 cyclone 직전 전단의 inlet pipe속으로 물을 spray하여 미세입자에 붙어서 slurry형태로 분리된다.
Efficiency
50마이크론 기준 99% 효율이며 이는 sedimentation chamber나 impact separator보다 효율이 높다. 10마이크론에 대해서는 90% 효율이며, cyclone 효율은 가스 속도가 빠르고, 직경이 작고, 길이가 길수록 높다. (pencil cyclone) 처리량이 클 경우 dimension이 커져야 하고, 이 때 yield는 줄어든다. Residual emissions은 100 mg/Nm3이다.
Boundary conditions
단일 cyclone에 대해 처리량은 max 100,000Nm3/h이며, 온도는 1,200도 이하이고, 들어오는 입자 농도는 max 16,000 g/Nm3이다.
Energy use
1,000Nm3/h에 대해 0.25 ~ 1.5 kWh 정도이다. (pressure loss 환산)
적용
상대적으로 yield가 낮고 residual emission이 커서 scrubber나 filter처럼 좀더 미세한 입자를 제거하는 dust abatement 전단에 설치되어, 큰 입자를 제거하는 pre separator로서 기능을 한다. Pre separation에서는 주로 5마이크론 이상의 입자를 제거한다.
설계 요소
회전수 계산
체류시간 계산
입자가 이동한 최대 radial 거리는 inlet duct의 폭이며, 원심력에 의해 입자가 가속되어 바깥 방향으로 (radial 방향) terminal velocity까지 증가한다. (원심력과 같은 힘의 opposing drag force) 즉, termial velocity는 폭길이의 중심쪽에서 wall을 향해 이동하는 길이가 폭이며, 그 시간이 위에서 구한 체류시간일 때의 속도이다.
Vt는 입자크기의 함수로서 drag force와 centrifugal force에 대한 stokes regime flow를 가정하면,
위 식들을 re-arrange하면 입자 크기를 계산할 수 있다. dp를 가장 작은 입자의 크기로 간주하면 이 보다 큰 입자들에 대해 100% 제거를 한다는 의미이다.
dp, R, W 단위는 m이고, 속도는 m/s이고, 점도는 kg/ms이며, 밀도는 kg/m3을 적용한다. 가장 작은 입자크기는 가스 점도, inlet duct의 폭에 비례하고 회전수, inlet gas속도, 밀도차에 반비례한다.
Lapple formula는 50% cut diameter, dpc를 계산하기 위해 반실험 관계식을 develop했고, 이 입자 직경이 50% 효율로 제거되는 입자 직경이다.
standard conventional cyclone
particle size distribution을 안다면, overall collection efficiency를 예측할 수 있다.
cyclone의 overall efficiency는 다양한 크기 범위의 입자에 대한 collection efficiency의 가중 평균 값이다.
standard cyclone dimension
다양한 입자크기에 대한 효율은 아래 식으로 계산한다. (Lapple)
예제 1)
collection efficiency?
solution)
cyclone analysis
1) performance analysis: 알고 있는 dimension에 대해 collection efficiency를 계산한다.
2) design analysis: target efficiency와 유량 및 입자의 정보가 주어져 있을 때 cyclone type (high efficiency, conventional, high throughput)을 결정하고, 직경을 계산하여 dimension을 완성한다. (iterative approach 적용)
예제 2)
cyclone dimension과 다른 입자 크기에서의 효율, 그리고 pressure drop을 계산한다.
air flow rate: 3 m3/s
pressure: 1 bar
gas is air at room temperature: 293 °K
solid density : 1500 kg /m3
solid distribution is:
|
particule diameter (micron)
|
inferior cumulated frequency
|
|
8
|
0.07
|
|
12
|
0.13
|
|
24
|
0.3
|
|
32
|
0.5
|
|
48
|
0.86
|
|
64
|
0.94
|
|
78
|
0.99
|
|
96
|
1
|
overall efficiency should be: 0.92
cyclone의 직경에 대한 각 geometry 길이의 비율을 입력하면 cyclone dimension과 particle cut diameter 그리고 pressure drop을 계산한다.
각각의 입자 크기에 대한 효율은 아래와 같다.
example size efficiency curve
cyclone은 air pollution control에도 광범위하게 사용된다. 큰 입자를 제거해야 할 경우 final collector로 사용되며, 5마이크론 입자 크기에 대해서는 효율이 좋지만, 전지 집진기나 scrubber의 pre cleaner로서 사용되기도 한다. 밀도가 다른 유체를 분리하기 위해 강력한 소용돌이 난류를 형성하며 cyclone효율은 cyclone geometry에 의존한다. CFD방법은 비용이 크고 cyclone을 최적화하는데 많은 시간이 걸릴 수 있다.
geometry는 flow pattern과 성능에 영향을 준다. geometry는 아래와 같이 크게 7개의 dimension으로 define한다.
cyclone inlet height a
inlet width b,
gas outlet (vortex finder) diameter Dx
vortex finder length S
cylinder barrel height h
cylinder and cone total height Ht
cone-tip diameter Bc
모든 변수는 cyclone 직경 D의 비율로 주어진다.
cyclone performance와 flow pattern에 영향을 주는 주요 인자로는 geometry이다. 그리고 low mass loading cyclone의 성능에 영향을 주는 가장 큰 인자는 차압과 particle cut off diameter이다.
The pressure drop in a cyclone (Euler number)
무차원 오일러 수는 pressure drop을 define하며 공식은 Eu=Δp/(ρVin^2)이고, Δp는 cyclone inlet과 gas exit의 차압이고, ρ는 가스밀도, Vin는 평균 inlet 속도이다. 주요 차압은 cyclone벽에서 일어나며, vortex core를 통해 비가역적으로 발생한다.
The cut-off diameter: the Iozia and Leith model (Stokes number)
cut-off diameter x50 는 효율 50%가 가능한 입자 직경을 말하며, stokes number인 Stk50 은 무차원 cut off diameter이다.
Stk50=ρp x502 Vin / (18μD)
이는 입자의 relaxation 시간과 가스의 적분시간 scale사이의 비율로서 ρp는 입자밀도이고 μ는 가스 점도이다.
hydro-cyclone
액체-액체 분리에도 적용하며 예를 들어 oily water로서 주요 인자로는 oil droplet size, distribution, oil density, water density, oil concentration, viscosity, temperature등이다.
Hydro-cyclone은 원심력에 의하여 비중이 다른 두 개의 액체와 고형물 및 기체와 액체 또는 고형물을 분리하는 장치이다. Inlet부로 유입된 유체가 Vortex Finder를 지나 회전을 하면서 원심력이 발생되며, 고형물은 Cylinder 및 Cone을 지나 Under flow를 형성하며 외부로 배출되고, 분리된 유체는 Hydro-cyclone의 Over flow를 형성하며 상부로 배출된다.
Rule of thumb
분리되는 미세입자 크기: 5~10마이크론
효율: 50~99% (50마이크론 이상은 99%, 10마이크론 이상은 90%)
inlet 속도: 15m/s (cyclone내부는 16m/s)
pressure drop: 50~250mmH2O
cylone크기가 작을수록 미세입자 분리효율이 높지만 차압이 커진다.
cyclone 크기가 크면 high throughput type (직경 1.5m이상, 입자크기는 20마이크론 이상)
cyclone 크기가 작으면 high efficiency type (직경 0.4~1.5m, 입자크기는 10마이크론 이상)
outlet gas nozzle size가 작아지면 효율이 높아진다.
cyclone높이 1~9m
series cyclone의 total 차압은 각각의 합으로 구함. 즉. 하나의 차압에 series개수를 곱함
series cyclone의 efficiency는 가스로 나가는 배출율이 1/10배씩 감소함. 즉, 최초 90%라면 두번째는 99%, 세번째는 99.9%로 예상을 함. 이는 첫번째 배출율이 10%, 두번째는 1%, 세번째는 0.1%를 의미함.
Experience
- PE (Korea) flare gas cyclone (For verification), 2018
- PE (Russia) flare gas cyclone (For application), 2023
- AN reactor catalyst cyclone (3 series) (For verification), 2022
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