226

A. G. Titov, Z. R. Gil’vanova, E. A. Shevchenko,  
M. K. Masnaviev, A. A. Bir

Ural Federal University  
28 Mira Street, 620002, Ekaterinburg.  

E-mail: paht@yandex.ru

Quantitative assessment of reentrainment 
in the electrocyclone*

The paper was devoted to the investigation of the reentrainment which 
was a parasitic effect incipient at the gas-cleaning systems – cyclones. It was 
demonstrated that the reentrainment arises at the speed of the aerosol from 
14 to 27 m/sec. The quantitative characteristics of the reentrainment were 
determined.

Key words: the investigation of the reentrainment; cyclones; gas-cleaning 
systems; irrigation receiving electrode.

•The research project has been supported by Russian Foundation for Basic Research  
(grant 14–08–00046а).

© Titov A. G., Gil’vanova Z. R., Shevchenko E.  A., Masnaviev M. K., Bir A. A., 2015

D
O

I:
 1

0.
15

82
6/

ch
im

te
ch

.2
01

5.
2.

3.
02

4 

introduction
The dust materials suppression 

at the chemical factories is the actual 
task [1]. The problem of the fine purifi-
cation of the large gas volume from the 
disperse particles was existed. At present 
the applied multileaf lamellar electro-
static filters are too expensive, bulky and 
don’t ensure the required high purifica-
tion efficiency to 99.5–97 %. The wet gas 
cleaning at the emulsifiers troubles the 
utilization of the product since its release 
from the pulp and the following drying is 
requested. The large heat costs are neces-
sary for this. Also the task of the elabora-
tion of the high-performance equipment 
for the cleaning of the large gas volumes 
(hundred of thousands m3/hour) with the 
receipt of the product in the dry form is 
actual [2].

The reentrainment by the dust collect-
ing is the parasitic fact. It depends on the 
material dispersion, the gas stream speed, 
the electrode voltage, the design philoso-
phy of the materials and other. The iden-
tification of the efficiency dependence 
of the work of the electrocyclones from 
mentioned factors represents the scien-
tific and practical interest [3].

Early it was shown [4] experimen-
tally that the gas purification efficiency 
decreases at the aerozol increasing speed 
above 15–17 m/sec on the entrance to 
the electrocyclone. The centrifugal force 
is increasing at the increasing of the gas 
speed in the active zone that favors to the 
precipitation of the particles but at the 
constant length of the machine the time 
of the aerozol stay is decreasing, the effi-



227

№ 3 | 2015
Chimica Techno Acta 

ciency of the charging of the particles is 
down, the ash Ola increases. It’s result of 
that the particles don’t have time to settle 
on the receiving electrode. The reentrain-

ment is increasing because the already 
settled particles especially small knocked 
out of the sediment layer of large particles 
and turbulent eddies.

Experiment part

You want to exclude one of the factors 
to assess the degree of influence of the 
residence time of the gas flow in appa-
raten factor and the reentrainment on the  
decrease in the efficiency of particle col-
lection in the electrocyclone. To exclude 
secondary reentrainment is necessary to 
irrigate the receiving electrode by film of 
water (wet mode). Then the particles that 
touched the water film will not be able 
to go back into the gas stream, and will 
be permanently removed from the active 
zone. Experiments were conducted in dry 
and wet mode of operation of the electro-
cyclone.

For research was used an laboratory ex-
perimental setup (stand), shown in fig. 1. 
The stand included the electrocyclone 1, 
palpatation 2, tranporter TNZh 3, the high 
voltage source (model IVNR-20–10) 4, 
a U-shaped tube to determine the hydrau-
lic resistance of the electrocyclone 5, the fil-
ter bag 6, inlet pipe to the collector 7, valves 
8, rotameters 9, the pressure gauge  10,  

the filter holder (type IRA-20–2) 11, the 
sampling tube 12.

The test material was supplied by pal-
patation 2 in a disaggregated form on 
the inlet pipe 7 into the electrocyclone 1. 
Caught ash was collected in the hopper of 
the electrocyclone 1, and the purified air 
in the duct was removed through the bag 
filter 6 into the atmosphere.

For experiments with irrigation de-
scribed above, the electrocyclone was 
supplemented with irrigation system and 
removal of the pulp (fig. 2).

For irrigation receiving electrode of 
the electrocyclone 1 used located in the 
cochlea of the irrigation system, consist-
ing of a distribution of ring 2 and the feed 
tube 3. The slurry from the hopper 4 is 
removed through the seal 5 in Montego 6. 
The uniform irrigation of the wall at the 
translational-rotational motion of the gas 
was achieved when water flow was 8 l/min.

Fig. 1. Scheme of the experimental setup

Quantitative assessment  
of reentrainment in the electrocyclone 



228

№ 3 | 2015
Chimica Techno Acta 

Results and Discussion
In the experiments on the capture of 

ash in the wet mode the reentrainment 
has been completely eliminated, however, 
the observed incomplete capture of ash, 
which can be explained by nagasarete 
particles and active turbulent mixing flow.

The amount of ablation can imagine 
(1 – n) · 100 % what allowed us to estimate 
the values of ablation in terms of purity. 
The dependence of entrainment speed at 
a fixed concentration of ash 16.5 g/m3 are 
shown in fig. 3.

From figure 3 it is seen that in wet 
mode at U = 17 kV (electrocyclone mode) 
carryover is less than 1 %, lowering the 
voltage to U = 0 kV (cyclone mode) ash 
reaches 5–7 %, whereas the ash in dry 
mode, when U = 17 kV matter 12–25 %.

According to the experiment were also 
calculated values of the secondary ash 
as the difference between the degree of 
cleaning in wet and dry mode for corre-
sponding points of the plan. The depend-
ence of secondary reentrainment from 
the input speed and concentration of ash 
is shown in fig. 4.

From Fig. 4 shows that reentrainment 
varies in the interval from 5 to 35 %, the 
highest values are observed at gas veloci-
ties of more than 21 m/sec. The average 
value of the secondary ash is 10–15 %, 
which is significantly higher than the en-
trainment caused by necesarely. Thus, re-
entrainment reduces the efficiency of ash

Fig. 2. Diagram of the cyclone to work in 
wet mode. Indicate in the figure: 1 – electro 
cyclone, 2 – distribution ring, 3 – feed tube, 

4 – bunker, 5 – seal 6 – Montagu

Fig. 3. The dependence of the amount of entrainment from the gas flow rate at different 
operating conditions of the electrocyclone

TitovA. G., Gil’vanova Z. R., 
Shevchenko E. A., Masnaviev M. K., Bir A. A.



229

№ 3 | 2015
Chimica Techno Acta 

in the electrocyclone at 5–35 % at velocities 
of aerosol 14.6–27.4 m/sec, respectively, by 
increasing the ablation is 10–50 times. 

Conclusions

The reentrainment is observed in the 
electrocyclone at a critical velocity of the 
aerosol at the inlet over 14–16 m/sec, 
which depends on the concentration and 
properties of the dust.

The reentrainment is almost com-
pletely eliminated by irrigation receiv-
ing electrode film of water. The degree of 
purification is above 95 % without apply-
ing a voltage to the corona electrode and 
above 99 % at a supply voltage of 17 kV to 
the corona electrode.

Due to a secondary ablation of the de-
gree of purification is reduced by 5–30 %.

1. Lim K. S., Kim H. S., Lee K. W. Comparative performances of conventional cyclones 
and a double cyclone with and without an electric field. J. of Aerosol Sciences. 2004, 
35(1): 103–116. DOI: 10.1016/j.jaerosci.2003.07.001

2. Tsai R., Mills A. F. A model of particle re-entrainment in electrostatic precipitators. 
J. of Aerosol Science. 1995, 26(2): 227–239. DOI: 10.1016/0021–8502(94)00102–5.

3. Xiangrong Z., Lianze W., Keqin Z. A simple criterion for particle-wall adhesion in a 
wire-plate electrostatic precipitator. J. of Aerosol Sciences. 2005, 36(3): 411–417. DOI: 
10.1016/j.jaerosci.2004.09.008.

4. Titov  A. G., Gil’vanova Z. R., Inyushkin  N. V., Ermakov  S. A., Shchelchkov  I. P., 
Aitova A. I., Man’kov M. G., Tokareva N. A., Perfilov S. A. Efficiency of Electrostatic 
Cyclone Operation. Chemical and Petroleum Engineering. 2014, 49(9–10): 655–659. 
Doi:10.1007/s10556–014–9814–0.

Fig. 4. The dependence of secondary ash at 
various initial concentrations of ash in the 
gas stream in the dry mode of operation of 

the cyclone from the gas flow rate at different 
operating conditions of the electrocyclone

Quantitative assessment  
of reentrainment in the electrocyclone 



230

А. Г. Титов, З. Р. Гильванова,  
Е. А. Шевченко, М. К. Маснавиев, А. А. Бир

Уральский федеральный университет
620002 Екатеринбург, ул. Мира, 28.

E-mail: paht@yandex.ru

Количественная оценка вторичного уноса 
в электроциклоне*

Статья посвящена исследованию вторичного уноса – паразитного явле-
ния, возникающего в газоочистных устройствах, – электроциклонах. Пока-
зано, что вторичный унос возникает при скоростях аэрозоля от 14 до 27 м/с. 
Определены количественные характеристики вторичного уноса.

Ключевые слова: исследование вторичного уноса, электроциклон, га-
зоочистные устройства, орошение осадительного электрода.

*Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта 
№ 14–08–00046а.

© Титов А. Г., Гильванова З. Р., Шевченко Е. А., Маснавиев М. К., Бир А. А., 2015

У
Д

К
: 5

44
.6

53
.2

2:
 5

44
.6

.0
18

.4
2-

14
3

Введение

Улавливание пылевидных 
материалов на химических предприя-
тиях является актуальной задачей [1]. 
Существует проблема тонкой очистки 
больших объемов газов от дисперсных 
частиц. Применяемые в  настоящее 
время многопольные пластинчатые 
электрофильтры сравнительно до-
роги, громоздки и  не обеспечивают 
требуемую высокую степень очист-
ки 99,5–99,7 %. Мокрая очистка газов 
в  эмульгаторах затрудняет утилиза-
цию продукта, т. к. требуется его выде-
ление из пульпы и последующая сушка. 
Для этого требуются большие затраты 
тепла. Также актуальна задача разра-
ботки высокоэффективного оборудо-
вания для очистки больших объемов 

газов (сотни тыс. м3/ч) с  получением 
продукта в сухом виде [2].

Вторичный унос при пылеулав-
ливании  – паразитное явление. Он 
зависит от дисперсности материала, 
скорости потока газа, напряжения на 
электродах, конструктивных особен-
ностей аппаратов и  др. Представляет 
научный и  практический интерес вы-
явление зависимости эффективности 
работы электроциклона от указанных 
факторов [3].

Ранее экспериментально было по-
казано [4], что степень очистки газа 
снижается при увеличении скорости 
аэрозоля на входе в  электроциклон 
свыше 15–17 м/с. При увеличении ско-
рости газа в активной зоне возрастает 



231

№ 3 | 2015
Chimica Techno Acta 

центробежная сила, что благоприятст-
вует осаждению частиц, но при посто-
янной длине аппарата время пребыва-
ния аэрозоля в активной зоне аппарата 
уменьшается, снижается эффектив-
ность зарядки частиц, увеличивается 
унос золы. Это является следствием 

того, что частицы не успевают осесть 
на осадительный электрод. Вторичный 
унос увеличивается, т. к. уже осевшие 
частицы, особенно мелкие, выбивают-
ся из слоя осадка крупными частицами 
и турбулентными вихрями.

Экспериментальная часть

Чтобы оценить степень влияния 
времени пребывания газового пото-
ка в  аппарате и  вторичного уноса на 
снижение эффективности улавлива-
ния частиц в  электроциклоне, требу-
ется исключить один из факторов. Для 
исключения вторичного уноса необхо-
димо орошать осадительный электрод 
пленкой воды (мокрый режим работы). 
Тогда частицы, коснувшиеся пленки 
воды, не смогут вернуться обратно 
в  поток газа, а  будут необратимо уда-
ляться из активной зоны. Были прове-
дены эксперименты в сухом и мокром 
режиме работы электроциклона.

Для проведения исследований была 
использована лабораторная экспери-

ментальная установка (стенд), пока-
занная на рис. 1.

Исследуемый материал пылеподат-
чиком 2 подавался в  дезагрегирован-
ном виде по входной трубе 7 в электро-
циклон 1. Уловленная зола собиралась 
в бункере электроциклона 1, а очищен-
ный воздух по воздуховоду удалялся 
через рукавный фильтр 6 в атмосферу.

Для проведения опытов с  ороше-
нием описанный выше электроциклон 
дополнялся системой орошения и  уда-
ления пульпы (рис. 2).

Для орошения осадительного элек-
трода электроциклона 1 применялась 
расположенная в  улитке ирригацион-
ная система, состоявшая из распре-

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: электроциклон – 1, пылеподатчик – 2, 
тягонапоромер ТНЖ – 3, источник высокого напряжения (модель ИВНР-20–10) – 4, 

U-образную трубку для определения гидравлического сопротивления электроциклона – 
5, рукавный фильтр – 6, подводящую трубу с коллектором – 7, вентили – 8, ротаметры – 
9, манометры – 10, фильтродержатель (типа ИРА-20–2) – 11, пробоотборную трубку – 12

Количественная оценка вторичного уноса 
в электроциклоне



232

№ 3 | 2015
Chimica Techno Acta 

делительного кольца 2 и  подающих 
трубок 3. Суспензия из бункера 4 уда-
лялась через гидрозатвор 5 в монтежю 
6. Равномерное орошение стенки при 
поступательно-вращательном движе-
нии газа достигалось при расходе воды 
8 л/мин.

Результаты и обсуждение

В экспериментах по улавливанию 
золы в  мокром режиме вторичный 
унос был полностью исключен, вместе 
с  тем наблюдалось неполное улавлива-
ние золы, которое можно объяснить 
недозарядкой частиц и  активным тур-
булентным перемешиванием потока.

Величину уноса можно представить 
как (1  – η) · 100 %, что позволило оце-
нить значения уноса в  единицах сте-
пени очистки. Зависимость величины 
уноса от скорости при фиксированной 
концентрации золы 16,5 г/м3 показана 
на рис. 3.

На рис. 3 видно, что в  мокром 
режиме при U = 17 кВ (электроциклон-
ный режим) унос составляет менее 1 %, 
при снижении напряжения до U = 0 кВ 

(циклонный режим) унос достигает 
5–7 %, тогда как унос в  сухом режиме 
при U = 17 кВ имеет значения 12–25 %.

По данным эксперимента также 
были рассчитаны значения вторично-
го уноса как разница между степенью 
очистки в мокром и сухом режиме для 

Рис. 2. Схема электроциклона для работы 
в мокром режиме: 1 – электроциклон,  

2 – распределительное кольцо,  
3 – подающие трубки, 4 – бункер,  

5 – гидрозатвор, 6 – монтежю

Рис. 3. Зависимость величины уноса от скорости газового потока при различных 
режимах работы электроциклона

А. Г. Титов, З. Р. Гильванова, 
Е. А. Шевченко, М. К. Маснавиев, А. А. Бир



233

№ 3 | 2015
Chimica Techno Acta 

соответствующих точек плана. Зави-
симость величины вторичного уноса 
от входной скорости и  концентрации 
аэрозоля золы показана на рис. 4.

На рис. 4 видно, что вторичный 
унос варьирует в  интервале от 5 до 
35 %, наибольшие значения наблюда-
ются при скоростях газа более 21 м/с. 
Среднее значение вторичного уноса 
составляет 10–15 %, что существенно 
выше уноса, вызванного недозаряд-
кой. Таким образом, вторичный унос 
снижает эффективность улавливания 
золы в  электроциклоне на 5–35 % при 
скоростях аэрозоля 14,6–27,4 м/с, со-
ответственно увеличивая пылеунос 
в 10–50 раз.

Выводы

Вторичный унос наблюдается 
в  электроциклоне при критической 
скорости аэрозоля на входе свыше 14–
16 м/с, что зависит от концентрации 
и свойств пыли.

Вторичный унос практически пол-
ностью ликвидируется путем ороше-
ния осадительного электрода пленкой 
воды, степень очистки при этом выше 
95 % без подачи напряжения на коро-

нирующий электрод и  выше 99 % при 
подаче напряжения 17 кВ на корониру-
ющий электрод.

Вследствие вторичного уноса сте-
пень очистки снижается на 5–30 %.

1. Lim K. S., Kim H. S., Lee K. W. Comparative performances of conventional cyclones 
and a double cyclone with and without an electric field. J. of Aerosol Sciences. 2004, 
35(1): 103–116. DOI: 10.1016/j.jaerosci.2003.07.001

2. Tsai R., Mills A. F. A model of particle re-entrainment in electrostatic precipitators. J. of 
Aerosol Science. 1995, 26(2): 227–239. DOI: 10.1016/0021–8502(94)00102–5.

3. Xiangrong Z., Lianze W., Keqin Z. A simple criterion for particle-wall adhesion in a 
wire-plate electrostatic precipitator. J. of Aerosol Sciences. 2005, 36(3): 411–417. DOI: 
10.1016/j.jaerosci.2004.09.008.

4. Titov  A. G., Gil’vanova Z. R., Inyushkin  N. V., Ermakov  S. A., Shchelchkov  I. P., Ai-
tova  A. I., Man’kov M. G., Tokareva  N. A., Perfilov  S. A.  Efficiency of Electrostatic 
Cyclone Operation. Chemical and Petroleum Engineering. 2014, 49(9–10): 655–659. 
DOI:10.1007/s10556–014–9814–0.

Рис. 4. Зависимость величины вторичного 
уноса от скорости газа при различных 

начальных концентрациях золы 
в потоке газа при сухом режиме работы 

электроциклона

Количественная оценка вторичного уноса 
в электроциклоне