داروسازی و تجهیزات پزشکی

چكيده:

يكي از وسايلي كه در جداسازي ذرات جامد از فاز گاز مورد استفاده قرار مي گيرد، سيكلون ها هستند . در اين دستگاه ها جريان گاز همراه با ذرات ريز جامد وارد يك محفظه استوانه اي يا مخروطي شكل مي شود.اساس جداسازي اين ذرات از توده جريان گاز به اين صورت است كه نيروي اينرسي وارد شده بر ذرات جامد در سيكلون ها، چندين برابر نيروي اينرسي وارد شده بر فاز گاز مي باشد و لذا اين ذرات از كناره هاي محفظه سيكلون به پايين محفظه هدايت مي شوند. ولي فاز گاز تحت تاثير نيروي كمتري قرار مي گيرد و از نقاط فوقاني ذرات جامد، به سمت پايين محفظه مي رود. سيكلون ها را مي توان از ديدگاه هاي مختلفي مورد تقسيم بندي قرار داد. يكي از اين موارد مقطع ورودي به سيكلونها است. مقطع ورودي به سيكلونها معمولاً به شكل مستطيل يا دايره ساخته مي شود.  در بعضي موارد نيز با توجه به نوع فرآيند، از سيكلونهايي با مقطع ورودي بيضي شكل نيز استفاده مي شود.

مقدمه:

يكي از وسايلي كه در جداسازي ذرات جامد از فاز گاز مورد استفاده قرار مي گيرد، سيكلون ها هستند . در اين دستگاه ها جريان گاز همراه با ذرات ريز جامد وارد يك محفظه استوانه اي يا مخروطي شكل مي شود.با توجه به ديواره استوانه اي سيكلون، جريان مواد با يك حركت گردباد مانند به سمت پايين سيكلون حركت مي كند. با توجه به اينكه نيروي اينرسي وارد شده بر ذرات جامد، از نيروي اينرسي وارد شده بر فاز گاز بيشتر است، اين ذرات مماس بر ديواره ظرف به سمت پايين محفظه هدايت مي شوند. در قسمت پايين محفظه نيز فضايي براي جمع شدن اين ذرات جامد تعبيه شده است كه به صورت ناپيوسته يا پيوسته اين ذرات از محفظه خارج مي شوند اين مورد در شكل 1 مشاهده مي شود.

 
شكل 1 - مسير حركت مواد در سيكلون

اساس جداسازي اين ذرات از توده جريان گاز به اين صورت است كه نيروي اينرسي وارد شده بر ذرات جامد در سيكلون ها، چندين برابر نيروي اينرسي وارد شده بر فاز گاز مي باشد و لذا اين ذرات از كناره هاي محفظه سيكلون به پايين محفظه هدايت مي شوند. ولي فاز گاز تحت تاثير نيروي كمتري قرار مي گيرد و از نقاط فوقاني ذرات جامد، به سمت پايين محفظه مي رود. در قسمت مركزي سيكلونها، معمولاً از يك استوانه نسبتاً قطور براي خروج گاز استفاده مي شود. اين لوله در وسط سيكلون تعبيه شده و از ذرات جامد كه در اثر نيروي اينرسي وارد شده، در كناره هاي سيكلون قرار دارند فاصله دارد. به اين ترتيب اكثر ذرات جامد ورودي از جريان گاز جدا مي شوند.
 

شكل 2 - سه جريان اصلي ورودي و خروجي كه در اكثر سيكلونها مشاهده مي شود

يك سيكلون در حقيقت يك محفظه ته نشين سازي است كه شتاب جاذبه با شتاب سانتريفوژي جايگزين شده است. مقدار نسبت شتاب سانتريفوژي به شتاب جاذبه، بستگي به قطر سيكلون دارد . براي سيكلونهاي استوانه اي با قطرهاي خيلي بزرگ شتاب سانتريفوژ در حدود 5 برابر شتاب جاذبه است و در مورد سيكلونهاي استوانه اي با قطر كوچك شتاب سانتريفوژي در حدود 2000 برابر بزرگتر از شتاب جاذبه مي باشد. نيروي وارد شده بر ذرات بزرگتر مقدار بيشتري مي باشد و لذا ذرات بزرگتر با چرخش كمتري در سيكلون به پايين سيكلون مي رسند. اين مورد در شكل 3 مشاهده مي شود.

موارد كاربرد سيكلون

همانطوريكه به طور مختصر بيان شد، از سيكلونها براي جدا كردن جامدات ريز موجود در گاز استفاده مي شود. در اينجا بايد به اين نكته توجه كرد كه تنها اين وسايل نيستند كه براي جدا كردن ذرات جامد از فاز گاز مورد استفاده قرار مي گيرند . بلكه سيكلون ها با صافي ها ، فيلترها ، جداسازي هاي الكترواستاتيكي و جداسازهاي ته نشين كننده در حال رقابت هستند. اما در مقايسه با ساير جداكننده هاي گاز -جامد سيكلونها از لحاظ هزينه ساخت و هزينه عمليات داراي هزينه كمتري مي باشند. همانطوري كه در شكلهاي اين وسايل نيز مشاهده مي شود، نحوه ساخت اين وسايل از پيچيدگيهاي خاصي برخوردار نمي باشد. درشكل هاي 6 و 7 ، چند نمونه سيكلون صنعتي و آزمايشگاهي نشان داده شده است.

در جريان هاي گاز- جامد كه قطر ذرات جامد از 5 ميكرو  كوچكتر است، راندمان جداسازي سيكلونها مقدار كمي مي باشد ولي اگر ذرات جامد تمايل بهم چسبيدن را دارا باشند، مي توان ذرات با قطر 3 ميكرو را نيز با استفاده از سيكلونها از جريان گاز جدا كرد. يكي ديگر از موارد كاربرد سيكلونها، توانايي عملياتي اين دستگاهها در فشار و دماهاي بالا مي باشد. با توجه به كارايي و مقاومت موا د موجود در سيكلونها، اين دستگاهها در دماي حدود 1000 درجه سانتي گراد و فشاري در حدود500 Kpas  5700) atm) نيز استفاده مي شود. همانطوريكه با توجه به شكل اين دستگاهها مشخص است، دما و فشار پايين و ايجاد خلاء در سيستم نيزمشكلي روي كار سيكلون ايجاد نمي كند. به اين ترتيب، اين وسايل در دامنه وسيعي از دما و فشار، قابل استفاده هستند.
 

شكل 3- چند نمونه سيكلون صنعتي

در مورد كاربرد سيكلونها، يكي از مسائلي كه مطرح مي شود قطر برش (Cut diameter) است. به طور كلي هر وسيله جداكننده ذرات جامد از جريان گاز، داراي قطر برش مي باشد. منظور از قطر برش اين است كه ذراتي كه قطر آنها از قطر برش   (Dcut) بزرگتر هستند از وسيله مورد نظر عبور نمي كنند و به اين وسيله از جريان گاز جدا مي شوند. البته در بعضي از موارد به طور قاطع، از Dcut به عنوان قطر برش استفاده نمي شود و تنها كسري از مواد جامد با قطري بزرگتر از Dcut از وسيله جداكننده عبور نمي كنند. لازم به ذكر است كه قطر برش در مورد همه وسايل جداكننده گاز-جامد مورد استفاده قرار مي گيرند. تعيين دقيق مقدار قطر برش با رسم نمودار حاصل از بررسي توزيع ذرات موجود در گاز خروجي از سيكلون بر حسب قطر ذرات ورودي به سيكلون، قابل محاسبه است.

عيوب و موارد عدم مطلوب بودن سيكلون

يكي از عيوبي كه سيكلونها با آن مواجه هستند، در مورد وجود ذرات ريز در فاز گاز ورودي به سيكلون است. در اين موارد ديگر نمي توان از اين وسايل استفاده كرد و بايد از وسيله مناسب ديگري سود جست . دليل نامناسب بودن سيكلون در مورد ذرات ريز ( كوچكتر از 5 ميكرومتر ) به خاطر عدم كافي بودن نيروي سانتريفوژي براي جداسازي ذرات جامد از گاز است. زيرا در مورد ذرات بسيار ريز نيروي اينرسي وارد شده بر ذرات جامد بسيار كم است. يكي ديگر از مواردي كه باعث پايين آمدن راندمان دستگاه مي شود، افزايش دبي ورودي به سيكلون است. قطر برش ذكر شده در قسمت قبل در مورد حالتي كه دستگاه با دبي مناسب در حال كار است به دست مي آيد واگر شدت جريان فاز گاز و جامد ورودي به سيكلون افزايش يابد به همين ترتيب باعث كاهش راندمان دستگاه مي شود. در مواردي كه نياز به جداسازي مقدار زيادي از فاز گاز- جامد داريم بايد به جاي يك سيكلون از تعداد زيادي سيكلون كه به صورت موازي (Multi Cyclone) قرار گرفته اند استفاده كنيم.

در مواردي كه ذرات جامد موجود در فاز گاز، ذرات بارداري هستند استفاده ار جداسازهاي الكترواستاتيكي بر سيكلونها ترجيح داده مي شوند. زيرا در اين مورد راندمان جداسازهاي الكترواستاتيكي نسبت به سيكلون ها بسيار بيشتر است.

يكي از مواردي كه به شدت روي راندمان دستگاههاي جداساز سيكلوني تاثير مي گذارند، ميزان افت فشار موجود در اين دستگاهها مي باشد. براي آشنا شدن با اين موضوع عوامل ايجاد كننده افت فشار در سيكلونها و دلايل آنها را مورد بحث قرار مي دهيم. عوامل ايجاد كننده افت فشار در سيكلونها از قرار زيرند:

1. افت فشار در اثر انقباض ورودي (Inlet Contraction) : اين افت فشار در اثر كم شدن مساحت ورودي فاز جامد و گاز به داخل سيكلون ايجاد مي شود و مقدار آن نيز با توجه به نوع مقطع ورودي تغيير مي كند.
2. شتاب ذرات جامد: ذرات جامد موجود در فاز گاز در اثر ورود به سيكلون شتاب بيشتري مي گيرند و به اين ترتيب ميزان افت فشار افزايش مي يابد.
3. اصطكاك ديواره سيكلون: اصطكاك بين جريان گاز و ديواره جامد باعث افزايش افت فشار در سيكلون مي شود. لازم به ذكر است كه با افزايش سرعت ورودي مواد به سيكلون، اين افت فشار به شدت افزايش مي يابد.
4. ا فت فشار به خاطر چرخش گاز در سيكلون
5. ا فت فشار به خاطر انقباض نهايي جريان گاز براي ورود به لوله خروجي گاز خالص شده.

طبقه بندي انواع سيكلون ها

سيكلون ها را مي توان از ديدگاه هاي مختلفي مورد تقسيم بندي قرار داد. در اين قسمت ابتدا پس از بحث روي موارد شاخص سيكلونها كه سيكلونها را با آن دسته بندي مي كنند به چند نوع مهم از سيكلونها پرداخته مي شود. يكي از اين موارد مقطع ورودي به سيكلونها است. مقطع ورودي به سيكلونها معمولاً به شكل مستطيل يا دايره ساخته مي شود.  در بعضي موارد نيز با توجه به نوع فرآيند، از سيكلونهايي با مقطع ورودي بيضي شكل نيز استفاده مي شود. در شكل 4 ، دو نوع از سطح مقطع ورودي سيكلونها نشان داده شده است.
  

شكل 4- چگونگي حركت ذرات با قطرهاي مختلف در سيكلونها

هرچه مقطع ورودي سيكلونهاكوچكتر باشد، ذرات ريز ساده تر مي توانند از جريان گاز جدا شوند. اما با اين كار ظرفيت سيكلونها كاهش مي يابد. در چنين مواردي كه نياز است ذرات ريز از جريان گاز جدا شوند بايد از تعداد زيادي سيكلون كه به صورت موازي در داخل يك Box قرار گرفته اند استفاده شود. با اين كار ظرفيت عملياتي سيكلونها كه به واسطه كاهش سطح مقطع ورودي سيكلون، كاهش يافته است، افزايش مي يابد . اين مورد در شكل 5 نشان داده شده است.

در مورد سيكلونهاي موازي بايد به تعداد اين سيكلونها، راندمان جداسازي، هزينه ساخت، هزينه عملياتي و مقايسه اين سيكلونها با ساير وسايل جداكننده گاز-جامد توجه كرد. زيرا در بعضي از موارد استفاده از Multi Cyclone ها مقرون به صرفه نمي باشد. 
 

شكل 5- انواع سطح مقطع ورودي سيكلونها
 

شكل 6- چند سيكلون كه به صورت موازي در يك جعبه قرار گرفته اند

تا به حال سيكلونها را ار نظر مقطع ورودي جريان گاز و جامد به داخل محفظه سيكلون و از نظر اينكه به تنهايي كار مي كنند و يا در يك Box ديگر به صورت Multi Cyclone كار مي كنند بررسي نموديم. سيكلونها را از نظر چگونگي قرار گرفتن Blower يا كمپرسور (يا به طور كلي، دمنده) نسبت به سيكلون نيز به دو دسته تقسيم بندي مي كنند:

1. سيستمهايي كه دمنده قبل از سيكلون قرار دارد.
2. سيستمهايي كه دمنده بعد از سيكلون قرار دارد.
    

شكل 7-  در اين شكل، دمنده بعد از سيكلون قرار گرفته است

همانطور كه مي دانيم، حركت مواد در داخل سيكلون با افت فشار همراه مي باشد . اين افت فشار معمولا توسط يك كمپرسور يا Blower تامين مي شود. نحوه قرار گرفتن اين دمنده به ويژگيهاي فاز گاز و جامد در جريان ورودي به سيكلون بستگي دارد. مثلاً در حالتيكه ذرات ورودي در جريان گاز روي پره هاي دمنده اثر منفي داشته باشند، باعث تخريب پره هاي دمنده مي شوند. به اين ترتيب در اين موارد سيكلون را قبل از دمنده قرار مي دهند تا ذرات جامد در سيكلون از فاز گاز خارج شوند و به پره هاي Blower برخورد نكنند . لازم به ذكر است كه در اين مورد، Blower كار مكش فاز گاز را از داخل سيكلون به بيرون انجام مي دهد . لازم به ذكر است كه در اكثر موارد، دمنده را بعد از سيكلون قرار ميدهند. زيرا وجود ذرات جامد در جريان ورودي به سيكلون، روي دمنده اثر منفي مي گذارد.

حال به طور خلاصه انواع دسته بندي سيكلونها را در زير مي آوريم:

الف)دسته بندي سيكلونها از نظر مقطع ورودي جريان گاز:

1. مقطع ورودي مستطيلي
2. مقطع ورودي دايره اي
3. مقطع ورودي به شكل خاص در موارد لزوم

ب)دسته بندي سيكلونها از نظر تعداد در حال كار:

1. سيكلونهاي منفرد
2. سيكلونهاي چندتايي

ج) دسته بندي سيكلونها از نظر چگونگي قرار گرفتن عامل تامين افت فشار نسبت به سيكلون:

1. سيكلونهايي كه دمنده قبل از آنها قرار دارد
2. سيكلونهايي كه دمنده بعد آنها قرار دارد