автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Математическое моделирование экологических процессов, связанных с растеканием и очисткой высоковязких жидкостей

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию Волгоградский государственный технический университет

На правах рукописи

I

Дулькин Александр Борисович

Математическое моделирование экологических процессов, связанных с растеканием и очисткой высоковязких жидкостей

Специальность 05.13.16 — «Применение вычислительной техники,

математического моделирования и математических методов в научных исследованиях»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук,

профессор Тябин Н.В.

Научные консультанты — к. т. н., доцент Трусов С.А., к. ф.-м. н., доцент Симонов Б.В.

Волгоград—1999

Оглавление

Принятые обозначения............................................................................................4

Введение......................................................................................................................7

1 Анализ существующих методов решения проблем, возникающих при аварийном разливе жидкостей и их последующей очистке (литературный и патентный обзоры).............................................................12

1.1 Модели течения жидкостей со свободной границей.............................12

1.2 Основные методы интенсификации процесса фильтрования.............17

1.3 Использование эффекта гидроклина в процессах химической технологии..................................................................................................28

Выводы к главе 1................................................................................................33

2 Моделирование течения высоковязкой жидкости со свободной границей по горизонтальной и наклонной непроницаемой и проницаемой поверхностям....................................................................................35

2.1 Последовательное течение по горизонт&ЛьноШпШаклонной непроницаемым поверхностям.................................................................35

2.2 Последовательное течение по горизонтальной и наклонной проницаемым поверхностям.....................................................................46

2.3 Применение моделей течения высоковязкой жидкости для решения экологических задач...................................................................................58

Выводы к главе 2................................................................................................65

3 Моделирование процесса очистки полидисперсных суспензий в отстойниках с проницаемой поверхностью осаяедения..............................67

3.1 Постановка задачи....................................................................................67

3.2 Вероятность улавливания частиц в полидисперсной суспензии при ее осветлении в отстойнике с проницаемой поверхностью осаждения...................................................................................................71

Выводы к главе 3................................................................................................79

4 Моделирование процесса регенерации фильтровальной поверхности вращающимся валком.......................................................................................80

4.1 Постановка задачи и физическая модель................................................80

4.2 Гидродинамика течения вязкой жидкости в зазоре между валком и непроницаемой плоской поверхностью....................................................82

4.3 Определение координаты максимальной величины давления...............86

4.4 Распределение давления в рабочем зазоре...............................................91

Выводы к главе 4................................................................................................99

5 Моделирование процесса виброфильтрования в режиме динамического образования осадка и непрерывной регенерации пор фильтровальной перегородки........................................................................................................101

5.1 Влияние амплитуды и частоты колебаний на режимы виброфильтрования.........................................................................:.......101

5.2 Определение рабочих параметров патронного виброфилътра..........107

5.3 Методика расчета конструкции и технологических параметров патронного виброфилътра с гидродинамической связью...................110

Выводы к главе 5..............................................................................................111

6 Перспективные конструкции фильтровального оборудования..............113

6.1 Фильтрующая центрифуга с валковой регенерацией..........................113

6.2 Виброфильтр с гидродинамической связью..........................................116

6.3 Пружинный фильтр для очистки жидкости и газа............................118

6.4 Фильтр для разделения вязко-упругих суспензий..................................121

Заключение.............................................................................................................125

Библиографический список................................................................................127

Приложения............................................................................................................139

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

д к — объемный расход суспензии (начальный расход жидкости на горизонтальном участке поверхности), м3/с; — конечный расход суспензии (конечный расход жидкости на горизонтальном участке поверхности),м3/с; д V—начальный расход жидкости на наклонном участке поверхности, м3/с; д'к—конечный расход жидкости на наклонном участке поверхности, м3/с;

о

дф — расход фильтрования, м /с;

д % — расход фильтрования на наклонном участке поверхности, м3/с; к — высота жидкости, м; кн— начальная высота жидкости, м; кк— конечная высота жидкости, м;

к я— начальная высота жидкости на наклонном участке поверхности, м; к'К— конечная высота жидкости на наклонном участке поверхности, м; к*к—критическая конечная высота жидкости, м; Ух— компонента скорости движения по оси х, м/с; У у— компонента скорости движения по оси у, м/с; Ь — ширина течения жидкости, м; / — длина участка течения, м;

/* — критическая длина течения на проницаемой поверхности, м; 8— толщина слоя жидкости, стекающей по наклонной поверхности, м; а—угол наклона поверхности к горизонту, град; р—плотность жидкости, кг/м ; V—кинематический коэффициент вязкости, м /с;

— динамический коэффициент вязкости, Па'с; р — давление, Па; Ар — перепад давления, Па;

г/у—удельное сопротивление проницаемой поверхности, 1/м;

П—удельная проницаемость поверхности, м; тп—время пребывания частиц в отстойнике, с; То — время осаждения частиц в отстойнике, с; Н— высота течения суспензии в отстойнике, м; Уо — скорость осаждения частиц в отстойнике, м/с;

Ун—скорость осаждения частиц номинального диаметра в отстойнике, м/с; Уф — скорость фильтрования, м/с;

и— скорость переносного движения частиц с жидкой фазой, м/с; и с—средняя скорость переносного движения частиц, м/с; с1и—номинальный диаметр частиц, мк;

с1н* — номинальный диаметр частиц при фильтроосаждении, мк; кКР — критическая начальная высота траектории твердой частицы, м; (р—вероятность улавливания частиц в отстойнике; С — доля частиц одной из фракций в исходной суспензии; п — доля частиц одной из фракций на выходе из отстойника; т]—степень очистки суспензии;

Лр—разность плотностей жидкой и твердой фаз в суспензии, кг/м3; т— касательные напряжения, Па; Я — радиус валка, м;

Н— расстояние от оси валка до плоскости, м; со— угловая скорость вращения валка, рад/с; Е — удельная энергия диссипации, Дж/(Па'с'м) х* — координата максимального давления в зазоре, м; 8— рабочий зазор между валком и плоскостью, мм;

а

У—ускорение вибрации, м/с ;

У* — критическое ускорение вибрации, м/с2;

/— интенсивность вибрации, Вт/кг;

I* — критическая интенсивность вибрации, Вт/кг;

А — амплитуда колебаний перфорированной поверхности, м; А1 — амплитуда колебаний фильтровальной перегородки, м; со—угловая частота вибрации, рад/с; соо — собственная частота колебаний, рад/с; к—коэффициент упругости демпфера, Н/м; m — масса фильтровальной перегородки с фильтратом, кг; M— масса перфорированной поверхности, кг; F—внешняя вынуждающая сила, Н;

гп—удельное сопротивление фильтровальной перегородки, 1/м; Soc—толщина осадка на фильтровальной перегородке, м; Roc—удельное сопротивление слоя осадка, 1/м.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время на химических и нефтехимических предприятиях, а также при транспортировке жидких сред по магистральным трубопроводам, случаются аварийные ситуации с разливом жидкостей. Жидкость может растекаться как по горизонтальной, так и по наклонной поверхностям. При этом возможно течение по непроницаемой и проницаемой поверхностям. Как следствие, возникают проблемы оценки последствий аварии: какое количество жидкости вытекло, какая часть ее проникла в грунт. После того, как жидкость собрана с поверхности, возникает задача тонкой очистки жидкости от дисперсной фазы для возможности ее дальнейшего использования.

Таким образом, при авариях возникает необходимость комплексно решать экологическую проблему определения количества вытекшей высоковязкой жидкости, производительной тонкой очистки собранной загрязненной жидкости фильтрованием с применением методов, интенсифицирующих данный процесс (например, отстаивание совместно с фильтрованием), оценки степени очистки жидкости от твёрдой фазы, а также эффективной регенерации фильтровальных перегородок.

Продуктивным методом исследования описанных выше экологических процессов является математическое моделирование, позволяющее получать достоверные результаты при относительно небольших временных и материальных затратах.

Цели настоящей работы:

1. Разработка математических моделей течения высоковязкой жидкости по горизонтальной непроницаемой и проницаемой поверхности, а также наклонной проницаемой поверхности, позволяющих предсказать или оценить количество вытекшей жидкости при аварии;

2. Разработка математической модели и методики расчета эффективности очистки собранной жидкости от полидисперсной фазы в процессе осветления жидкости в отстойнике-фильтре;

3. Разработка математической модели регенерации фильтровальной перегородки от липких осадков вращающимся валком для определения величины максимального давления в рабочем зазоре;

4. Создание методики расчета виброфильтра, работающего в режиме непрерывной регенерации пор фильтровальной перегородки при наличии вибро-ожиженного осадка на ней, служащего дополнительным улавливающим слоем.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. В первой главе рассмотрены известные математические модели различных видов течения жидкостей со свободными границами, известные способы регенерации фильтровальных перегородок и применяемые конструкции фильтровального оборудования, а так же существующие методы использования эффекта гидроклина в процессах химической технологии.

Во второй главе разработаны математические модели процесса последовательного течения высоковязкой жидкости со свободной границей по горизонтальной и наклонной непроницаемой и проницаемой поверхностям, получены уравнения расхода жидкости, в том числе расхода фильтрации, а также уравнения профилей свободной границы жидкости. Изложена методика применения данных моделей для решения экологических задач.

В третьей главе разработана математическая модель, используемая для прогнозирования степени очистки суспензий полидисперсного состава в процессе фильтроосаждения, изложены результаты расчетов эффективности процесса очистки суспензий в отстойниках с проницаемой поверхностью осаждения, представлен алгоритм моделирования классифицирующей способности отстойника-фильтра.

В четвертой главе разработана математическая модель процесса регенерации фильтровальной перегородки вращающимся валком для определения максимальной величины давления в зазоре между валком и непроницаемой плоскостью, которая необходима для прочностного расчета фильтровальной перегородки. Найдена линейная координата местоположения скачка давления.

В пятой главе разработана математическая модель процесса виброфильтрования в режиме динамического образования осадка с непрерывной регенерацией пор фильтровальной перегородки и описана методика расчета данного патронного виброфильтра.

В шестой главе описаны перспективные конструкции фильтровального оборудования, новизна которых защищена патентами РФ, и положительными решениями о выдаче патента.

Работа выполнялась на кафедре «Процессы и аппараты химических производств» Волгоградского государственного технического университета.

Результаты исследований опубликованы в следующих работах:

1. Голованчиков А.Б., Дулькин А.Б., Тябин Н.В. Виброфильтр с гидродинамическим приводом // Экология и безопасность жизнедеятельности, научно-прикладные аспекты, инженерные решения: Тез. докл. межд. симп., Волгоград, 12 - 14 сент. 1996 г / ВолгГТУ и др.. — Волгоград, 1996. — С.76 - 77.

2. Голованчиков А.Б., Дулькин А.Б., Мишта В.П., Мишта С.П. Фильтровальные ткани переменной проницаемости // Экология и безопасность жизнедеятельности, научно-прикладные аспекты, инженерные решения: Тез. докл. межд. симп., Волгоград, 12-14 сент. 1996 г / ВолгГТУ и др.. — Волгоград, 1996. —С.77-78.

3. Голованчиков А.Б., Симонова И.Э., Симонов Б.В., Дулькин А.Б. Регенерация фильтровальной поверхности вращающимся валком // Математические методы в химии и химической технологии (ММХ - 10): Тез. докл. межд. конф., Тула, 26 - 28 июня 1996 г / ТулГУ и др.. — Тула, 1996. — С.129.

4. Голованчиков А.Б., Дулькин А.Б., Тябин Н.В. Исследование работы виброфильтра с гидродинамическим приводом // Реология, процессы и аппараты химической технологии: Межвуз. сб. науч. тр. / ВолгГТУ. — Волгоград, 1996. — С.65-70.

5. Голованчиков А.Б., Дулькин А.Б., Тябин Н.В. Свободное течение высоковязкой жидкости по горизонтальной поверхности// Реология, процессы и ап-

параты химической технологии: Межвуз. сб. науч. тр. / ВолгГТУ. — Волгоград, 1997. —С.39-48.

6. Дулькин А.Б., Кетат JI.B., Голованчиков А.Б. Сравнительное исследование трикотажных фильтровальных материалов // Реология, процессы и аппараты химической технологии: Межвуз. сб. науч. тр. / ВолгГТУ. — Волгоград,

1997. — С.37-39.

7. Голованчиков А.Б., Дулькин А.Б., Тябин Н.В. Анализ решений дифференциальных уравнений в частных производных методом теоретико-группового анализа // Концептуальное проектирование в образовании, технике и технологии: . Сб. науч. тр. / ВолгГТУ. — Волгоград, 1997. — С.19 - 25.

8. Голованчиков А.Б., Дулькин А.Б., Дулькин В.Б. Моделирование процесса растекания жидкостей при авариях // Процессы и оборудование экологических производств: Сб. тр. IV традиц. науч.-техн. конф. стран СНГ, 15-16 сент. 1998 г./ ВолгГТУ и др.. — Волгоград, 1998. — С.27 - 29.

9. Дулькин А.Б., Голованчиков А.Б., Тябин Н.В. Перспективные конструкции фильтров для разделения суспензий // Теория и практика фильтрования: Сб. науч. тр. междунар. конф., 21-23 сент. 1998 г / ИГХТА и др.. — Иваново,

1998. —С. 42-43.

Издано методическое указание к лабораторной работе: Ю.Голованчиков А.Б., Ильин A.B., Дулькин А.Б. Изучение гидравлического сопротивления и степени улавливания частиц в рукавных фильтрах: Методические указания к лабораторной работе. — Волгоград: ВолгГТУ, 1997. — 16 с.

Получены следующие патенты и положительные решения: 11.Фильтр для разделения суспензий: Пат.2093245 РФ, МКИ 6 В 01 D 29/72, 33/54 /Голованчиков А.Б., Дулькин А.Б., Тябин Н.В., Орлинсон М.Б.; ВолгГТУ.-1997, Бюл.№29-97.

12.Рабочая жидкость для гидравлического пресса: Пат.2101334 РФ, МКИ 6 С 10 М 173/02 //(СЮ М 173/02, 145:40).../Голованчиков А.Б., Дулькин А.Б., Карпова О.В., Щербакова O.A.; ВолгГТУ. -1998.

13.Фильтрующая центрифуга: Пат.2116139 РФ, МКИ 6 В 04 В 3/00, 15/06 / Голованчиков А.Б., Ильин A.B., Дулькин А.Б., Орлинсон М.Б., Скачко И.А.; ВолгГТУ.-1998.

14.Фильтр для очистки жидкости и газа. А.Б.Голованчиков, А.В.Ильин, А.Б.Дулькин, М.Б.Орлинсон, Е.Е.Уткина. Заявка № 96113600/25, Приоритет 26.06.96, Полож. решение 17.07.98.

15.Устройство для измельчения материалов. А.Б.Голованчиков, А.А.Липатов, А.Б. Дулькин, А.В.Бенда, Е.Е.Савченко. Заявка № 96113655/03, Приоритет 26.06.96, Полож. решение 07.04.98.

16.Фильтр для разделения суспензий. А.Б.Голованчиков, А.Б.Дулькин, Е.С.Воронкова, В.Б.Дулькин. Заявка № 981030699/20, Приоритет 16.02.98, Полож. решение 18.01.99.

По материалам диссертации сделаны доклады:

- на научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета в 1996 - 1999 г.г.;

- на международном симпозиуме «Экология и безопасность жизнедеятельности, научно-прикладные аспекты, инженерные решения», Волгоград, 12-14 сент. 1996 г.

- на научно-прикладной конференции для студентов и аспирантов, Волгоград, 1996 г.

- на IV традиционной научно-технической конференции стран СНГ «Процессы и оборудование экологических производств», Волгоград, 15-16 сент. 1998 г.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ АВАРИЙНОМ РАЗЛИВЕ ЖИДКОСТЕЙ И ИХ ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ОЧИСТКЕ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ И ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОРЫ)

1.1 Модели течения жидкостей со свободной границей

Не только экологические проблемы, но и проблемы современной гидродинамики связаны с течением жидкости со свободными границами. Точное решение такого рода задач не удается получить даже для некоторых простых типов течения.

Трудности расчета связаны не только с наличием свободных границ, но и со сложной геометрией течения и особенно с наличием нелинейных свойств жидкостей (неньютоновская вязкость, пластические свойства, вязкоупругость и др.). Существуют аналитические и численные методы исследования задач течения со свободной поверхностью.

В работе Пухначева В.В. [1] классифицированы 12 классов задач о движении жидкостей с внутренними границами раздела или с�