автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Принципы расчета и конструкирования гидроциклонов для разделения эмульсий

РГ8 Ой

' ' московская государственная акадеашя

^ опт ^93внмическс>г0 машиностроения_

На правах рукописи

БАРАНОВ ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ ГИДРОЦИКЛОНОВ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЭМУЛЬСИЙ

05.17.08 — процессы и аппараты химической технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Московской Государственной академии химического машиностроения.

Нучный консультант — академик, д. т. н., профессор Кутепов А. М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мизонов В. Е. доктор технических наук, профессор Холпанов Л. П. доктор технических наук, профессор Классен П. В.

Ведущая организация: АО НИИХиммаш, г. Москва.

Защита состоится « /у »онтя'ъ}^ 1996 г. в на заседании диссертационного совета по защите докторских диссертаций Д 063.44.01 при Московской государственной академии химического машиностроения по адресу: 107884, Москва, Б-66, ул. Старая Басманная, 21/4, ауд. 11-27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан « 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

ТИМОНИН А. С.

Актуальность работы. В ряде отраслей промышленности для качественного разделения больших объемов неоднородных дисперсных систем вместо низкоэффективного и громоздкого отстойного оборудования широкое распространение получают аппараты центробежного типа - гидроциклоны. Центробежные силы оказывают существенное влияние на протекание не только гидромеханических, но тепловых и массообменных процессов, а в ряде случаев целиком их определяют. Простота конструкции, отсутствие движущихся частей, удобство в эксплуатации позволяют использовать их для осветления, сгущения и классификации суспензий и'пульп в широком интервале концентраций и гранулометрического состава исходных продуктов. Промышленному использованию гидроциклонов способствует также значительный экспериментальный материал и результаты теоретических исследований, посвященные созданию математической модели сепарации дисперсных неоднородных систем типа жидкость - твердое тело.

В то же время гидроциклоны до сих пор недостаточно полно используются для проведения процессов разделения несмешивающихся жидкостей (эмульсий). Это обусловлено более сложным механизмом процесса сепарации, а также отсутствием достаточно надежных методов инженерного расчета, основанных на достоверных опытных данных. Решение этой проблемы невозможно без проведения комплексных исследований и выяснения общих закономерностей разделения несмешивающихся жидкостей, изучения влияния конструктивных параметров и технологических режимов работы на . гидродинамику гидроциклонов и эффективность сепарации в этих аппаратах.

Большую роль при разработке производственного процесса играет также правильный выбор самой конструкции аппарата, которая наряду с высокой производительностью должна обеспечивать необходимое качество получаемых конечных продуктов. К таким аппаратам, как показывает практика, наряду с традиционными цилиндроконичес-кими, можно отнести цилиндрические прямоточные аппараты с позон-ным отводом продуктов разделения и цилиндрические противоточные гидроциклоны с тангенциальной разгрузкой нижнего продукта. Однако, если для первых двух указанных конструкций имеется обширный экспериментальный материал по гидродинамике и расходным характеристикам, то для второго типа аппаратов все эти данные практически отсутствуют.

Экспериментальные и теоретические исследования, представленные в диссертационной работе, проводились под руководством

- г -

академика, д.т.н., профессора Кутеггава А.М. в соответствии с Координационным планом научно-исследовательских работ АН СССР по направлению ТОХТ на 1981-1985 г.г., 1986-1990 г.Г. (2.27.4.1.2); Государственной научно-технической программой России "Новые принципы и методы получения химических веществ и материалов" в рамках макротемы 09.03 "Научные основы создания принципиально новых типов теплооОменного оборудования и аппаратуры для разделения смесей" в 1993-1997 г.г. (09.03.01); Межвузовской научно-технической программой "Теоретические основы химической технологии и новые принципы управления химическими процессами" в 1991-1993 г.г., 1994-1997 г.Г. (05.08).

Целью работы является разработка аппаратов гидроциклонного принципа действия для разделения несмешивающихся жидкостей (эмульсий), разработка методов их инженерного расчета, внедрение в различные технологические процессы.

Научную новизну работы представляют:

- метод расчета состава продуктов разделения цилиндрокони-ческого, цилиндрического противоточного и цилиндрического прямоточного гидроциклоиов, разработанный на основании детерминированного подхода к решению уравнения движения частицы дисперсной фазы в радиальном направлении и результатов экспериментальных исследований ;

- методика расчета локальных значений тангенциальной скорости в объеме цилиндрического противоточного гидроциклона;

- результаты изучения поведения капель дисперсной фазы в центробежном поле и определение ее размера на входе в гидроциклон ;

- расчетная зависимость предельной (критической) скорости подачи исходной эмульсии в гвдроциклон, превышение которой при определенных условиях приводит к ухудшению процесса сепарации за счет интенсивного эмульгирования;

- полученные данные по распределению тангенциальной скорости, касательных напряжений Рейнольдса, радиальной и тангенциальной степеней турбулентности в объеме цилиндрического противоточного гидроциклона;

- методика расчета расходных характеристик цилиндроконичес-кого и цилиндрического прстиноточного гидроциклонных аппаратов при разделении несмешивашихся жидкостей.

Результаты работы отмечались в Отчетах АН СССР и РАН "Вал-

нейшие достижения в области естественных, технических, гуманитарных и общественных наук" по разделу ТОХТ в 1990 г. и 1992 г.

Практическая значимость и реализация результатов.

Результаты экспериментальных, теоретических и олытно-лро-мышенных исследований послужйш осноеой для разработки методики инженерного расчета аппаратов гидроциклонного типа, что позволило решить ряд практических задач, результаты которых внедрены в промышленность.

Лля очистки жидкого аммиака от масла в холодильных установках был разработан серийный агрегативный маслоотделитель Я10-ЕГЦ с использованием цилиндрического прямоточного гвдроциклона повышенной производительности (совместно с ВНИКТКхояодпром).

Использование гидроциклонов для очистки стеаратосодержащих стоков Долгопрудненского химического завода позволило произвести полное отделение стеаратов непосредственно в технологической линии и исключить их налипание на стенках трубопровода и возможность забивки транспортных коммуникаций завода.

Комплекс работ, проведенных на АО "Прогресс" (г.Степно-гсрск), включал разработку аппаратов для наделения из культу-ральной жидкости лизина, полученного путем ферментации на среде с ацетатом в качестве источника углерода. Введение в культураль-ную жидкость соляной кислоты и перемешивание ее осуществлялось в специальной конструкции цилиндрического гвдроциклона в условиях автоматического регулирования pH при одновременном отделении выделяющегося газа в центробежном поле (A.c. N 1426095).

Результаты исследований я предложенные методики расчета использованы нл АО "Усольехимпром" (г.Усолье-СиОирское) при создании установок для очистки известкового молока в производствах эпихлоргидрина, нормального гипохлорита кальция, тркхлорзтилена; узлов очистки сточных вод цеха ЦКЛ-2 Кучичского керамического комбината облицовочных материалов (г.Железнодорожный); очистки промывных вод цеха ЛЩ-3 Новолипецкого металлургического комбината (г.Липецк) и ряде других.

Разработанные в ходе выполнения работ гидроциклоны с нижним бункером применены при очистке технологических вод в установках Еоопирования торцов силовых конденсаторов ьа АСОГ "КВАР" (г.Серпухов) и ряде производств АО "АКРОН" (г. Нохгород).

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использовались при разработке методических указаний, в дипломном

и курсовом проектировании, а также учебном процессе.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 1 симпозиуме "Исследование и промышленное применение гидроциклонов" (Горький, 1980); III Всесоюзной научной конференции "Современные машины и аппараты химических производств" (Ташкент, 1983); II Всесоюзной научно-технической конференции по гидромеханическим процессам разделения неоднородных смесей" (Курган, 1983); Всесоюзной конференции "Современные проблемы химической технологии" (Красноярск, 1986); X Всесоюзной конференции "Химреактор-10" (Куйбышев-Тольятти,1989); Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка и внедрение вихревых электромагнитных аппаратов для интенсификации технологических процессов - АВС-89" (Тамбов, 1989); III Всесоюзной научной конференции "Гидромеханические процессы разделения гетерогенных систем (Тамбов, 1991); VIII Республиканской конференции "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств" (Днепропетровск, 1991); XV Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Минск, 1993); Межреспубликанской научно-технической конференции "Интенсификация процессов химической и пищевой технологии - Процессы-93" (Ташкент, 1993); IV Международной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов - КХТП-IV-94" (Москва, 1994); 3~ей Республиканской конференции по интенсификации нефтехимических процессов - Нефтехимия-94" (Нижнекамск, 1994); IX Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии - ММХ-9" (Тверь, 1995); Международных конгрессах ХИСА (Прага, 1990, 1993).

Публикации. По материалам исследований опубликовано более 60 работ в междунарэдных, академических и отраслевых журналах и изданиях, получено 36 авторских свидетельства и 2 патента, 2 мег тодическнх указания.

Объем работы. Диссертация включает введение, восемь глав, выводы, список использованных источников (200 наименований) и 24 приложения.■ Работа изложена на 359 страницах и содержит 92 рисунка и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение. Обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи работы, указана ее научная новизна и практическая ценность.

Глава Некоторые актуальные вопросы гидроцмклонирования

В настоящее время в области гидроциклонирования наметились два основных направления исследований, имеющих конечной целью внедрение этих аппаратов в промышленное производство:

1. Разработка и испытание новых высокоэффективных конструкций аппаратов гидроциклонного типа применительно к конкретным условиям разделения неоднородных дисперсных систем с учетом их физических свойств и специфических особенностей процессов.

2. Совершенствование методов расчета прогнозируемых показателей разделения и расходных характеристик гидроциклонов с целью обоснованного выбора оптимальных конструктивных размеров этих устройств и рационального назначения режимных параметров их эксплуатации.

В то же время, невозможность использования зависимостей, полученных для разделения систем жидкость-твердое в гидроциклонах, в случае разделения систем жидкость-жидкость, обусловлено следующими специфическими свойствами эмульсий:

1. Непостоянство размера дисперсной фазы при проведении процесса сепарации.

2. Сравнительно малая разность плотностей между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

3. Разделение змульсий, V которых плотность дисперсной фалы может Оыть больше или меньше плотности дисперсионной среди.

Дан подробный анализ иавестных конструкций гидроциклонов для разделения эмульсий, приведены данные по их гидродинамике, подходы к расчету разделяющей способности гидроциклонов.

На основании изучения л анализа научно-технической литературы можно сделать следующие выводы:

- применение гидроциклонов для разделения эмульсий находит все большее распространение в различных отраслях промышленности благодаря ряду определенных конструктивных и технологических преимуществ этих аппаратов;

- в настоящее время практически полностью отсутствуют достоверные методики расчета величин ожидаемых показателей разделения эмульсий в гидроциклонах, что сдерживает их внедрение в промышленное производство, в то же время использование для этих целей существующих методик по разделению суспензий приводит к значительным ошибкам;

- не существует единого подхода к расчету показателей разделения неоднородных дисперсных систем в аппаратах гидроциклонного типа с учетом их специфических особенностей и сложных схем соединения гидроциклонов;

- имеющиеся расходные зависимости для определения расходных характеристик гидроциклонов получены для разделения систем жидкость-твердое и дают неудовлетворительные результаты для несме-шивающихся жидкостей, что затрудняет их практическое использование в инженерных расчетах;

- исследование механизма разделения и разработка методов расчета связаны с всесторонним изучением гидродинамики потоков жидкости в гидроциклонах, которая подробно научена практически только для цилиндроконических гидроциклонов;

- отсутствуют данные о поведении двухфазных неоднородных систем с нестабильной дисперсной фазы во вращающемся потоке в гидроциклонных аппаратах.

11а основании наложенного дли ришония поставленных в настоящей работе задач необходимо:

- рассмотрение вопроса оценки эффективности сепарационных процессов в гидроциклонах и обоснование выбора рациональных вариантов конструктивного оформления процессов разделения;

- исследование гидродинамики цилиндрического противоточного гидроциклона с тангенциальной разгрузкой нижнего продукта, получение достоверных данных по распределению тангенциальной скорости жидкости и турбулентности потока в объеме аппарата;

- разработка методики расчета локальных значений тангенциальной составляющей скорости потока в цилиндрическом противоточ-ном гидроциклоне;

- разработка метода расчета расходных характеристик цилинд-роконического и цилиндрического противоточного гидроциклонов при разделении эмульсий;

- разработка инженерных методов расчета ожидаемых показателей разделения неоднородных дисперсных систем (в том числе нестабильных) в цилиндроконическом, цилиндрическом противоточном и цилиндрическом- прямоточном гидроциклонах на основе детерминированного подхода к решению уравнения радиального движения частиц в вихревом турбулентном потоке ;

- экспериментальное изучение влияния конструктивных параметров и режимных факторов на основные показатели разделения

несмешивающихся жидкостей в гидроциклонах, анализ поведения нестабильных систем в гидроциклонных аппаратах, сопоставление полученных результатов с разрабатываемой моделью;

- разработка инженерного метода расчета сложных схем соединения гидроциклонов при разделении эмульсий;

- получение зависимостей для расчета диаметра воздушного столба;

- разработка рациональных конструкций аппаратов гидроциклонного типа для проведения качественного разделения неоднородных дисперсных систем с нестабильной дисперсной фазой и внедрение их в технологические процессы.

Глава 2. Оценка эффективности сепарационных процессов в аппаратах гндроцпклонлого типа

Предложен вариант классификации напорных гидроциклонных устройств, которая охватывает наиболее существенные сферы применения гидроциклонов и их конструктивное исполнение, а также обобщает результаты исследований, приведенных в работах А.М.Ку-тепова, И.Г.Терновского, А.И.Поварова, В.В.Наиденко и других. (Звездочкой (") отмечены исследуемые в данной работе гидроциклоны).

1. Классификация гидроциклонов по назначению:

- осветлители; - сгустители; - классификаторы; - для разделения систем жидкость-жидкость "; - дегазаторы; - для проведения тепло- массообменных процессов.

2. Классификация гидроциклонов по конструктивным особенностям: - цилиндроконические -; - цилиндрические "; - сложной формы; - специальные конструкции (турбоциклоны, электромагнитные, с наложением вынужденгых колебаний (пульсаций), гидроэлеваторы).

3. Классификация по схемам соединения гидроциклонов:

- единичные аппараты *; - батарейное соединение *; - моноблочное

» >*

соединение; - ступенчатые схемы , - сложные схемы .

4. Классификация по размеру цилиндрической части гидроциклонов: - микрогидроциклоны (5-10 мм); - малые гидроциклоны (10-50 мм) "; - средние гидроциклоны (65-400 мм) "; - большие гидроциклоны (500-2000 мм).

- а -

5. Классификация в зависимости от рабочего давления эксплуатации:

- гидроциклоны низкого давления (безнапорные)(Рвх<2.О-105 Па)"; - гидроциклоны среднего давления (Рвз<-(2.0-6.0)•105 Па) - гидроциклоны высокого давления (Рвх>6.0-105 Па).

Показано, что зависимости для оценки эффективности процессов разделения в гидроциклонах (Е), используемые при сепарации систем жидкость-твердое неприменимы для систем жидкость-жидкость. Наиболее перспективным для оценки эффективности работы сепарационной аппаратуры являются энтропийные методы, отличительными особенностями которых являются их глубокое физическое обоснование и возможность распространения на системы с любым количеством компонентов разделения.

Е - 1 - (qBHB + qHH„)/H0, (2.1)

где: qB-Ов/Оо. Он-Он/Оо, Н0, Нв, Нм - энтропии смеси соответственно на входе,-в верхнем и нижнем продуктах, рассчитываемые по зависимости

H - - a log2a - (1 - a) log2(l - а), (2.2)

где а - концентрация дисперсной фазы в долях' единицы.

Функция (2.2) имеет нулевое значение только в случае получения чистого продукта (присутствие только одной фазы, то есть а-1, либо а-0). В других случаях функция (2.2) имеет значения, отличные от 0. Однако, в любом случае при улучшении показателей разделения сумма условных энтропии продуктов разделения

qEHB+qHHH (2.3)

будет снижаться.

Таким образом в качестве целевой функции для сопоставления различных вариантов предлагается использовать зависимость (2.3).

Во-первых, сопоставление значений данной функции, полученной для разных типоразмеров гидроциклонных аппаратов и режимов их эксплуатации позволит выявить наиболее рациональные варианты разделения для рекомендации их к внедрению.

Во-вторых, если потребителем заданы определенные показатели разделения, то полученные результаты будут удовлетворять заданному варианту только в том случае, если

4iiPllDp'qHpH„p<ciu1llu:,K|1I:j|lH-î. (2.-1)

Индексы "р" и "о" относятся соответственно к расчетному варианту и требуемым характеристикам целевых продуктов.

Глава 3. Метод исследования и гидродинамика цилиндрического противоточного гидроциклона

Построение физической модели разделения неоднородных дисперсных систем в гидроциклонаЛ должно основываться на точных знаниях гидродинамики этих аппаратов. Особое значение приобретают эти сведения при изучении сепарации эмульсий, поскольку при определенных гидродинамических условиях капли дисперсной фазы могут дробиться под действием касательных напряжений, возникающих в сдвиговом турбулентном течении вращающейся жидкости. В то же время, эксперимент является до сих пор основным способом получения достоверной информации о структуре и характеристиках закрученных потоков.

При исследовании основных гидродинамических характеристик использовался электродиффузионный (электрохимический) метод диагностики турбулентных потоков. Этот метод, аналогичный термоанемометру, работающему в режиме постоянной температуры, обладает существенными преимуществами: более строгим теоретическим обоснованием, меньшим размером датчиков, отсутствием испарительного охлавдения, относительно более простым аппаратурным исполнением. В качестве электролита использовался 0,01 N раствор феррии фер-роцианида калия [КзРе(СН)б/К4Ге(СМ)бЗ в дистиллированной воде с ЛР^т-лснш'м |1х)||01!0|'0 рагтМорл МлПН. Аппаратура и методика и;>мо-рений, используемые в данном исследовании, разработаны в лаборатории "Физической гидродинамики" Института теплофизики СО РАН.

Суть электродиффузионного метода заключается в следующем: поток электролита, содержащий два вида ионов - Ге(СН)б3~ и Ре(СМ)б4-.-набегает на датчик нормально к его рабочей поверхности. -Так как на датчике поддерживается отрицательный потенциал -ир - 0,5 В, на поверхности'электродов происходят следующие реакции: катод (измерительный платиновый электрод)

Ге(СЮб3~ + е - Ге(СМ)б4-;

анод (опорный электрод, в нашем случае - металлическая державка датчика)

Ре(СИ)б4~ - е - (СЮе3-.

Дачная электрохимическая реакция предпочтительна тем, что среди окислительно-восстановительных реакций она имеет наибольшую скорость и протекает настолько быстро, ч~о величина возникающего между электродами электрохимического тога ограничивается

лишь конвективной диффузией ионов к поверхности электрода. Предельная скорость потока при этом составляет 20-30 м/с.

В работе использовались датчики следующих типов:

- прямой датчик, изготовленный из платиновой проволоки диаметром 20 мкм, для измерения степени турбулентности потока в радиальном направлении;

- датчики, типа "лобовая точка" из платиновой проволоки диаметрами 100 мкм и 20 мкм соответственно для измерения скорости и степени турбулентности в тангенциальном направлении.

Меньший размер датчика в случае измерения турбулентных характеристик потоков обусловлен тем, что между чувствительностью датчика и его размерами имеется существенная зависимость. Полоса пропускания датчика 20 мкм составляет от 1 кГц при скорости 0,1 м/с до 50 кГц при 5 м/с, что вполне удовлетворяет требованиям проведения эксперимента.

С целью непосредственного измерения величин турбулентных касательных напряжений в потоке жидкости использовался электродиффузионный датчик типа "лобовая точка", рабочая поверхность которого составляет с осью самого датчика некоторый угол т. Измерения в каждой точке потока необходимо при этом производить дважды, причем во втором случае датчик поворачивается на 180° относительно оси по сравнению с его первоначальным положением. Среднеквадратичные показания датчика за определенный момент времени в этих двух положениях составляют соответственно значения 312-а2(и')2+(Ь 1ет)2(Г)2+2аЬ Ьет и-У. (3.1)

Б22-а2(и')2+(Ь 1гт)2(г)2-2аь 1гг и-у, (3.2)

где II',V' - пульсационные составляющие скорости, а,Ь - коэффициенты, характерные для каждого датчика.

Вычитая значения показаний датчика в первом и во втором положениях , получим

Д52-312-322-4аЬ Ьдт II'V'. (3.3)

При г-45° формула может быть записана в вице

Д32-4аЬ1)'У-с1Г V' , (3.4)

где с-постоянная электродиффузионного датчика.

В то же время известно, что для однородного развитого турбулентного течения выражение для определения касательных напряжений (т) может быть представлено как

Т-рси'У. (3.5)

Анализ зависимостей (3.4) и (3.5) показывает, что они отли-

- и -

чаются значениями постоянных коэффициентов, которые для каждого датчика определяется тарировкой в гладких трубах.

Поскольку тангенциальные скорости и поля турбулентных пульсаций в цилиндроконическом и цилиндрическом прямоточном гидроциклонах исследованы электродиффузионным методом и изложены в работах Кузнецова A.A. и Лагуткина М.Г. , нами изучались гидродинамические характеристики цилиндрического противоточного гидроциклона, рекомендуемого для разделения эмульсий. Основным отличием данного аппарата является то, что нижнее разгрузочное отверстие работает полным сечением, не испытывая отрицательного влияния воздушного столба. Аппараты такой конструкции наряду с цилиндрическими прямоточными гидроциклонами перспективны для разделения эмульсий , содержащих более 10 7. тяжелого компонента.

Результаты экспериментальных исследований показали, что в пространстве между верхним разгрузочным патрубком и корпусом аппарата происходит стабилизация тангенциальной составляющей скорости потока в некоторый постоянный по всей высоте гидроциклона профиль, состоящий из двух областей (Рис 1).

Рис. 1. Профиль тангенциальной скорости жидкости в цилиндрическом противоточном гидроциклоне Первая, пристенная область, описывает распределение тангенциальной скорости жидкости в нисходящем потоке, в котором происходит основной процесс разделения. На этом участке, несмотря на некоторое остаточное влияние входного отверстия, величина осред-ненной тангенциальной скорости У<ре может быть принята постоян-

ной. На основании выявленных закономерностей получено уравнение для расчета локальных значений осредненной тангенциальной скорости (Vtpe) по Еысоте цилиндрического противоточного гидроциклона в первой - пристенной зоне.

V<pe/VBx - 2,9(dEX/D)0-7(L/D)"0'45. (3.1)

Вторая область находится во внутреннем восходящем потоке и ее конфигурация полностью определяется условиями разгрузки жидкости из аппарата.

Особенностью разделения эмульсий в гидроциклонач является дробление капель дисперсной фазы в том случае, когда силы сдвига, обусловленные наличием турбулентных вихрей, превышают силы поверхностного натяжения. Это явление наблюдается до тех пор, пока не образуются капли минимальной для данного состояния системы крупности. В связи с этим, особую важность приобретают данные о турбулентной обстановке в гидроциклонах.

1. На входе в аппарат, аналогично характеру изменения скорости жидкости, наблюдается резкий скачок радиальной и тангенциальной степеней турбулентности потока. Максимальные значения этих величин находятся у центра питающего отверстия и резко падают при приближении к стенкам аппарата и верхнего сливного патрубка. Некоторое возрастание значений е<р у наружной стенки сливного патрубка объясняется наличием значительного градиента тангенциальной скорости потока Vq> в пристенном участке.

2. Основными факторами, влияющими на максимальные значения ег и еф в зоне питающего отверстия, являются условия ввода. Так с увеличением скорости питания (VBX) и диаметра входного патрубка (dBx) степень турбулентности в радиальном направлении ег увеличивается, а в тангенциальном sip - падает.

3. При движении жидкости в корпусе цилиндрического противоточного гидроциклона пульсации тангенциальной еф и радиальной ег скоростей принимают максимальные значения у стенки корпуса аппарата и поверхности воздушного столба. Характерные особенности вращающегося течения проявляются в центральной зоне, где влияние граничных условий незначительно и в полной мере сказывается действие центробежных сил. Здесь, в отличие от прямолинейных по-токон, у которых ипг1мк:иь11(хл'1> пульсаций псих компот.'нгон скорости наименьшая и примерно одинаковая по величине (0,03-0,04), £Г может повышаться и по абсолютной величине превышать е? в объеме аппарата более чем в 2 раза.

4. Конструктивные параметры и режимы работы цилиндрического противоточного гидроциклона в исследуемых пределах практически не оказывает влияния на величину е<р и ег в корпусе аппарата.

5. При увеличении скорости питания Увх. а, следовательно, и тангенциальной составляющей "потока V?, значений ег в наружном нисходящем потоке снижается.

Глава 4. Математическая модель процесса разделения

неоднородных дисперсных систем в гидроциклонах

Метод описания разделительного процесса в гидроцлклонных аппаратах в работе основывается на детерминированном подходе к рассмотрению радиального движения частицы (капли) дисперсной фазы под действием основных сил: центробежной, выталкивающей и сопротивления

т(с12г/сП.2)-гл(Уф2/г) (1-рс/рф)-£.(рс«х)2/2)Г. (4.1)

Оценка значения сил, действующих на частицу в гидроциклоне, проведенная рядом авторов, показала, что другими силами, в том числе Кориолиса и Бассе, мохно пренебречь. В нижеприведенных расчетах предполагается, что частица имеет сферическую форму, то есть Г-яс12/4 СУ-1), однако аналогичный расчет может быть проведен для частицы любой Формы.

В случае разделения в гидроциклонных аппаратах дисперсной фазы с рФ<рс уравнение (4.1) запишется как

т(с12г/с1Ь2)—т(Уф2/г) (рс/рф-1)-£.(рсш2/2)Г. (4.1')

Недостатком существующих до настоящего времени методов решения данного уравнения является то, что при расчетах не учитывался инерционный член. При этом в конечный результат при определенных условиях вносится неточность. В рассматриваемом варианте определение коэффициента гидравлического сопротивления осуществляется на основании закона Стокса, поскольку данный случай наиболее часто встречается в практике. Кроме этого аналогичный подход может бить распространен на более крупные частицы с применением формулы Аллена для определения коэффициента гидравлического сопротивления. Предполагается также, что движению частицы не мешают другие частицы, что соответствуют случаю разделения разбавленных Дисперсных систем.

а) Цилиндрический прямоточный гидроциклон Уравнение (4.1) для цилиндрического прямоточного гидроцше-

лона запишем в виде

m(dzr/dt2)-n)(V(|>2/r) (l-pc/p®)-B(dr/dt.), (4.2)

учитывая особенности его гидродинамики: постоянство- тангенциальной составляющей скорости потока (Vqj-const), а также незначительную величину радиальной скорости потока (VrsO). Здесь 0-3itpcvcd - коэффициент сопротивления Стокса.

Предположим, что на движение частицы основное влияние оказывают центробежная, выталкивающая силы и сила сопротивления их уравновешивающая, то есть

m(V<p2/r) (1-рс/р®)-8 (dr/dt). (4.3)

Или, обозначив постоянный для рассматриваемых условий комплекс (mV<p2/o) (1-рс/рФ)-А, уравнение (4.3) перепишем в более простом виде dr/dt-A/r. (4.4)

Введя переменную V-dr/dt и продифференцировав ее по г получим dV/dr— (А/г2). (4.5) Тогда для общего случая движения частицы ее ускорение в радиальном направлении может быть определено как

dzr/dt2-dV/dt-(dV/dr) (dr/dt)-V(dV/dr) — (А/г2) (dr/dt). (4.6) Используя выражение (4.6), уравнение (4f.2) перепишем в виде -(пА/г2)(dr/dt)-OA/r-B(dr/dt). (4.7)

Разделив переменные и проинтегрировав уравнение в пределах (г1~г) и (О-t), получим зависимость для определения времени за которое частица определенного класса крупности переместится в корпусе цилиндрического прямоточного гидроциклона с радиуса ri на произвольный радиус г

t- (r2-ri2)/(2A)-(m/0)ln(r/n). (4.8)

В результате анализа выражения (4.8) установлено, что учет инерционного члена вносит добавку в виде второго слагаемого (m/o)ln(r/ri), которое начинает сказываться при расчете для частиц с диаметром более 200 мкм .

С достаточной степенью точности можно считать, что на входе в гидроциклон в любой точке поперечного сечения плотность потока с0" частиц постоянна:

Co"-Go/(rt(R2-ro2)). (4.9)

Далее возможны два варианта расчета.

Первый - для мелких частиц дисперсной фазы (менее 200 мкм). В этом случае считаем, что количество дисперсной фазы, находящейся на некотором радиусе г* у входа гидроциклона, составляет gi-2nric0*dr, а на радиусе г оно равно соответственно

д-2тггс"(1г. Поскольку за время Ь частицу рассматриваемого класса крупности перемещаются с радиуса Г1 на радиус г, плотность потока частиц с" на радиусе г составляет:

с"-г1/(21ггс5г)-с0"(г1/г). (4.10)

Значение радиуса п в уравнении (4.10) получаем из уравнения (4.8) с использованием только первого слагаемого.

В этом случае величину извлечения дисперсной фазы Б! через зону разгрузки между радиусами п и определится по уравнению

Г( + 1 г 1+1 У-

21-(1ЛЗ) I 2тгс"п]г-В I ]/{■?■-'¿М с1г. (4.11)

П П

где В-2/(Р2-г02).

Второй вариант расчета выполняется для крупных частиц и сводится к определению местоположения границы поля концентраций частиц узкой фракции, которое она займет за среднее время пребывания частиц в аппарате: ^-Угц/Оо- (4.12) Определив по уравнению (4.8) (с учетом двух слагаемых) местоположение частиц через время 11, а также зная параметры разгрузочных зон ЯьНг. можно однозначно установить количество материала различной крупности, удаляемое через соответствующие разгрузочные отверстия.

Предлагаемый расчет легко реализовать с использованием ЭВМ, располагая данными по расходным характеристикам цилиндрического гидроциклона.

б) Цилиндроконический гидроциклон (Рис.2а) При рассмотрении движения частицу в цилиндроконическом гид-рсциклоне следует учитывать, что частица в зависимости от ее размера мажет двигаться как к стенке аппарата, так и к его оси. В этом случае"баланс действующих наг нее сил запишется соответственно уравнениями (4.13) и (4.14)

т(с12г/(Й2)-п)(У!р2/г) (1-рс/рф)-0СсЗг/с1Ь+Уг), (4.13)

т(42г/^2)-В(Уг^г/^)-т(У!р2/г)(1-рс/р®). (4.14)

В этих уравнениях тангенциальная составляющая скорости потока может быть выражена как Уср-А'/г, где комплекс А* зависит от конструктивных размеров и режима работы цллнндроконического гидроциклона. Радиальная скорость жидкости \'г находится по зависимости Уг-0в/(2лгЬ)-В*/г. (4.15)

-з

I-

Уах.рцх

&Г.

Я* Л

Рис. 2. Расчетные схемы цилиндроконического (а) и цилиндрического противоточного (б) гидроциклонов Введя обозначение комплекса А'-т(А*)2(1-рс/рф)/в и полагая равенство центробежной и выталкивающей сил силам сопротивления, уравнение (4.13) запишем с учетом принятых обозначений как

¿г/сИ+В'/г-А'/г3. (4.16)

Введя обозначение У-с1г/с11-А*/г3-В"/г, получим йУ/ск— ЗА'/г4+Вх/г2. В этом случае ускорение в уравнении (4.13) может быть записано как

с12г/с«:2-с1У/сН-(с1УЛ1г) №/сИ)-У(сГ//с1г)-У(-ЗА'/г'1+в'7г2). (4.17) Подставим выражение (4.17) в уравнение (4.13):

1п(с1г/с1ШВ'7г2-ЗА'/г4)-А*з/г3-в(с1г/с^+В'7г). Разделив переменные в уравнении (4.18) запишем I г г

№-(т/о)Пг/(А'/в"-г2) ]йг- (ЗА'т/оВ*И[йг/(г(А'/В" О Г1 Г!

г

+ У (г3/(А'/В*-г2) ]с1г. Г1

(4.18)

-г2)))+

(4.19)

В случае движения частицы к оси аппарата в результате аналогичных преобразований уравнения (4.14) получим выражение тождественное (4.19), но с обратным знаком при третьем слагаемом.

В результате интегрирования выражения (4.19) имеем решение уравнений (4.13),(4.14) в общем виде для любого класса крупности частиц

I—0,5(т/в)1п|(А'/В*-г2)/(А'/В,,-Г12)|-

-1,5(т/3)1п| (г2/п2) С(А*/ВМ-Г12)/(А*/В"-Г2):|±

±(1/В")С(г2-Г12)/2+0,5(А'/В*)1п|(А'/В*-г2)/(А'/В*-Г12)|3.(4.20)

При этом знак "+" при третьем слагаемом относится к случаю движения частицы к оси аппарата, а "-" - к частице, движущейся к стенке аппарата.

Анализ уравнения (4.20) показал, что оно содержит два новых слагаемых, первое из которых на несколько порядков ниже двух других и может не учитываться при расчетах. Второе же слагаемое оказывает влияние на расчет в случае рассмотрения фракций свыше 50 мкм.

Для определения направления движения частицы диаметром с1 рассмотрим условие, когда она прекращает движение в радиальном направлении (с1г/(И-0).

В этом случае уравнение (4.13) запишется в виде ш(Уф2/г")(1-рс/рф)-ВУг-0, или, учитывая приведенные выше обозначения,

(лс13/6)рф(А")2(1-рс/рФ)/(г")3-Зпр^В*/г"-0.

Отсюда, диаметр частицы, прекращающий движение в радиальном направлении при попадании на радиус г* запишется в виде

сИЗг'/А") [2р^в"/(рф-рс) 5-Кг*. (4.21)

Таким образом, расчет показателей разделения в цилиндроко-ническом гидроциклоне.сводится к определению массового количества частиц, остающихся во внешнем нисходящем потоке (нижний слив), и частиц, захватываемых внутренним восходящим потоком (верхний слив).

Аналогично (4.9), принимаем, что в начальный момент частицы равномерно распределены по радиусу гидроциклона, причем плотность их потока в каждой точке определяется по зависимости с0"-ал/Гя(К2-Гв2]).

Определив время пребывания обрабатываемой среды в гидроциклоне по зависимости (4.12), а также используя уравнение (4.20) и

(4.21) можно установить положение частиц любой фракции через время 11.

Очевидно, что в случае рс<р® с верхним сливом будут уноситься:

- все частицы с <3<Кг20. находящихся в зоне гв-г^0;

- частицы с с1<Кг20, которые за время Ь1 успевают перейти с радиуса г>г20 на радиус, равный г20;

- частииу с <5>Кг2о» которые за время не успевают перейти из зоны гв-г20 на радиус г20-

В случае разделения систем с Рс^Р® все частицы, независимо от размера, будут двигаться к оси аппарата и в верхний слив уносятся те из них, которые:

- находились в зоне Гв"Г20;

- за время 11 переместились на г20.

Определив таким образом количество дисперсной фазы в верхнем продукте 6в, и, используя зависимости для расчета объемного распределения потоков Ов.Он между верхним и нижним разгрузочными отверстиями, можно найти концентрации в них дисперсной фазы св,сн: Св-Вв/'Ча; сн-Сн/0я-(Бо-Бв)/0н.

в) Цилиндрический противоточный гидроциклон (Рис.26)

Аналогично цнлиндроконическому гидроциклону, частица в цилиндрическом лротивоточном аппарате может двигаться как к стенке гидроциклона, так и к его оси. Таким образом движение частицы в этом аппарате может описываться уравнениями (4.13) и (4.14).

Расчет тангенциальной составляющей скорости потока в нисходящей сепарационной зоне (Уф-У<ре-сопзЬ) ведется по зависимости (3.1), а радиальной составляющей скорости жидкости Уг по зависимости (4.15).

Введя обозначение комплекса А"-т(Уф9)2(1-рс/Рф)/В, аналогично комплексу А'при расчете цилиндроконического гидроциклона, а также переменную V, и проведя соответствующие преобразования уравнения (4.13), получим

У-с1г/с11-(А"-В*)/г. (4.22)

Продифференцировав это выражение по с1г, запишем

с1У/с!г~ (А"-в")/г2. (4.23)

В этом случае

с12г/с112-с1У/с11-(с№/с]г) (с!г/сИ)— С(А"-В*)/г2] Сс!г/с1Ь) (4.24) и уравнение (4.13) запишется в окончательном виде, как

- С (А"-В")/г2] (с!г/сИ)-В(А"/г-с1г/с11-В*/г). (4.25)

Разделив переменные в зависимости (4.25), получим уравнение, удобное для интегрирования

I г г

УсИ-С1/(А"-В") Пгс1г- (т/вИ<1г/г. (4.26)

О *Г1 Г1 '

Решение уравнения (4.14) для случая движения частицы к оси цилиндрического противоточного гидроциклона может быть записано t г г

Ус^- С1/ (В*-А") ] 5гс1г- (т/0) 1(1г/г. (4.27)

О п Г1

Результатом решения (4.26) и (4.27) будет являться выражение 1-±(г2-г12)/[2(А"-В")]-(т/0)1п(г/г1). (4.28)

Здесь знак "+" относится к случаю движения частицы дисперсной фазы к стенке гидроциклона, а "-" - к случаю движения ее к оси аппарата.

Размер частицы диаметром с!, находящейся в равновесии на оболочке нулевых скоростей в цилиндрическом противоточном гидроциклоне (с^г/сИ-О), может быть определен по зависимости

т(УФе2/г)(1-рс/рф)-0Уг-О. (4.29)

или, учитывая'приведенные выше обозначения,

(яс13/6) р® СУф0)2 (1 - рс/рф) /г- ЗЯросЬВ'/г-О.

Отсюда легко установить размер частицы дисперсной фазы

(]-[18рсУВ"/(рф-рс)Уф92]а 5, (4.30)

частицы больше которого движутся к стенкам гидроциклона, а меньше - к оси.

Дальнейший расчет цилиндрического противоточного гидроциклона осуществляется в последовательности, приведенном в пункте (б) с учетом расходных характеристик этого аппарата.

Вышеприведенный подход и полученные зависимости и могут использоваться при описании процесса разделения в гидроциклонах не только систем жидкость-жидкость, но и систем жидкость-твердое.

Глава 5. Теоретические предпосылки разделения эмульсий в гидроциклонах

Расчет и проектирование гидроциклонных аппаратов для разделения неоднородных гетерогенных систем, определение оптимального режима их эксплуатации возможны только на основе знания поведения разделяемых систем в рабочей зоне устройства.

Показано, что основное влияние на поведение капель в гидроциклоне оказывает турбулентная составлявшая тфгт, которая может Сыть записана в виде выражения

ТФгт—рсУ|р^г'-МбУф/5г-У!р/г)-р<^т(5Уф/5г-У<р/г). (5.1) При этом турбулентную вязкость можно определить по зависимости, полученной А.М.Кутеповым и Е.А.Непомнящим:

ут-с2г2(6Уф/бг -Уф/г), (5.2)

где величина постоянной с находится по зависимости

с2-|-Уф'Уг'|/(г215Уф/5г-Уф/г|2). (5.3)

Таким образом, располагая данными по гидродинамике гидроциклонов, можно определить локальные значения касательные напряжения в любой точке объема аппарата.

Результаты экспериментальных исследований показали, что наибольшие значения касательных напряжений тфг в гидроциклоне находятся в зоне у центра питающего отверстия. В зависимости от условий ввода потока они могут превышать значения хфг в корпусе аппарата в 2-7 раза. Установлено также, что величина тфг1"3* зависит от условий ввода жидкости в гидроциклон и его характерных размеров

ТФг^-ПУвх^вх.О.и. (5.4)

Остальные геометрические параметры существенного влияния на значение Гфг1™3* практически не оказывают.

Отсюда можно сделать вывод о том, что процесс дробления капель дисперсной фазы наиболее вероятен на входе эмульсии в гидроциклон. Дробление же капель, сохранивших свой размер на входе, в нисходящем вращающемся потоке в корпусе аппарата маловероятно.

Результаты по измерению касательных напряжений в цилиндрическом гидроциклоне электродиф^узионным методом подтверждают эти выводы.

Изучение распределения тангенциальной составляющей скорости потока в объеме гилроциклона показывает, что движение жидкости в нисходящем вращающемся потоке цилиндрического противоточного гидроциююна можно рассматривать как частный случай движения Ку-этта между двумя коаксиальными цилиндрами, один из которых -внешний (стенка нириуса гидрициклона) - неподвижен, а внутренний, равный диаметру восходящего потока - вращается. Таким обра-

зом, используя данные о поведении капель в сдвиговом поле при течении Куэтта, мы можем с достаточной степенью достоверности перенести основные закономерности этого процесса на динамику дисперсной фазы при описании процесса разделения эмульсий в гидроциклоне. *

Известно, что одним из основных параметров, оказывающих наибольшее влияние на дробление капель является соотношение вязкости дисперсной фазы ц® и дисперсионной среды не. На основании изучения гидродинамики гидроциклонов и их разделяющей способности, а также данных ряда авторов, сделан вывод о том, что, для рассматриваемых конструкций гидроциклонов во всем изучаемом диапазоне их использования, предельное значение Рф/дс- при котором возможно дробление капель дисперсной фазы, равно примерно 30. Эта величина и была принята за характерный параметр, определяющий стабильность проведения процесса сепарации.

Таким образом, в случае разделения систем с м<1/ис>30, размер капель, подвергаемых разделению, может определяться путем отбора проб, либо может быть оценен с достаточной точностью по зависимости:

с]кср-2[(63с1вхг)/(рс3Увх6)]1/5. - (5.5)

Когда же разделению подвергаются жидкие неоднородные системы с Иь/Мс<30, формирование капель полностью определяется гидродинамикой ввода эмульсии и может быть использована зависимость.

с1кср-1.65е-° • 4(б/рс)0' 630° •075. (5.6)

Диссипация энергии в данном выражении определяется как изменение кинетической энергии на входе в гидроциклон, отнесенное к рабочему объему аппарата:

е-тгс1В)<2УвхЗ (1-<р3)рэ/ (8- Уги). (5.7)

При обработке результатов измерения размера капель были подтверждены данные ряда авторов о'том, что распределение капель большинства технических эмульсии по эквивалентным радиусам подчиняется экспоненциальному закону. Таким образом, рассчитав средний диаметр капли в поступающей на разделение смеси, можно оценить состав дисперсной фазы в данной эмульсии.

Гл.чва 6. Особенности разделении эмульсий в гидроциклонах

Поскольку полное разделение двухкомпоненгной жидкости в одном гидроциклонном аппарате достичь удается редко, они применя-

ются лишь в тех случаях, когда необходимо выделить из неоднородной смеси только один компонент. При этом из противоположного слива выгружается смесь разделяемых фаз, которая, в зависимости от состава, может отправляется на повторное разделение.

Определение массового содержания дисперсной фазы (общего или фракционного) в продуктах разделения можно осуществлять по следующим зависимостям:

а) для двухступенчатой схемы с циркуляцией верхнего продукта

5В1-(60-нСв2)31-(С051)/(1-5152); (6.1)

6Н1-6о+ев2-6В1-Со(1-31)/(1-5а52); (6.2)

БВ2-6В131- (6О+0в2) ЗаЗг-ОсЗ^/а-З^г); (6.3)

<3н2-6в1-<3в2-<3031 а-Бг)/ (1-Ба32). (6.4) б) для двухступенчатой схемы с циркуляцией нижнего продукта

6в1-6о51/(1-5а(1-5г)); (6.5)

еН1-ео(1-31)/(1-31(1-32)); (6.6)

бве-соз^г/а-зш-з*); (6.7)

ен2"Со31(1-32)/(1-31(1-52))• (6.8)

Здесь 6о, Бв1, - массовое содержание дисперсной фазы (общее или фракционное в зависимости от цели и точности проведения расчета) в исходной смеси, верхнем сливе и сгущенном продукте соответствующих гидроциклонов (кг); 3[ - относительный унос дисперсной фазы (общий или фракционный) с верхним сливом соответствующих гидроциклонов (доля ед.), равный

31-6в4/0о1-(5в10в1)/(3о10о1). (6.9)

Установлено, что для эмульсий с Дф/р.с<30 существуют критические скорости подачи разделяемой смеси в гидроциклоны, при которых эти аппараты, в связи с дроблением дисперсной фазы на входе, начинают работать как эмульгаторы. При этом- эффективность сепарации падает. На основании сопоставления максимального размера капли, не подвергающейся дроблению на входе в гидроциклон, и предельного размера капли, которая может быть отделена в этом же аппарате при рассматриваемых условиях, получена зависимость для определения критической скорости

(Увхкр)1-5-[2,7бЛ(рф-рс)/^]/Скгрс(1-ф2)с1вх], (6.10)

справедливая для всех типов гидроциклонных аппаратов с уточнением коэффициента падения скорости ф на входе.

Изучено влиянии основных технологических и конструктивных параметров гидроциклонных аппаратов на условия возникновения и

размеры воздушного столба с целью получения расчетных зависимостей для определения диаметра этой зоны при различных режимах работы гидроциклона.

Для сечения в зоне верхнего сливного патрубка -

си^-К! Ревх0 •1 (¿в/с1н)1•2 ((да)45, (6.11)

при 1,0<с1вЛ1н<1.5 «1-0,07; при с1в/с1н>1,5 К1-0.04.

Для сечения в зоне нижнего разгрузочного отверстия-

¿он/О-КгРевх0'1^/^)1-0^)0-4, (6.12)

при 1,0<ав/сЗн<1,5 Кг-0,073; при с)вЛ1„>1,5 Кг-0,044.

Кроме того, показало, что средняя величина радиуса воздушного столба может быть определена из аналитической зависимости, описывающей распределение давления (р) в гидроциклоне:

1

р - Асрс/(-2п) - + С. (6.13)

г2п

Здесь С определяется из условия, что при г - г0, р - Рагм и нескольких экспериментов (для цилиндроконических аппаратов С-И2470 Па).

Глава 7. Влияние конструктивных и режимных параметров

на показатели разделения эмульсий в гидроциклонах

В разделе приведены данные по изучению влияния конструктивных и режимных параметров на эффективность разделения различных систем типа жидкость-жидкость в цилиндроконическом и цилиндрическом противоточном гидроциклонах, выявлены особенности применения этих конструкций в конкретных случаях, осуществлена проверка адекватности предложенной математической модели.

Исследование разделения эмульсий с рФ<рс в гидроциклонных аппаратах проводились на системах: вода-трансформаторное масло (ц^,/цс*20) и вода-компрессорное масло (Цф/дс*=470).

Установлено, что процесс сепарации эмульсий начинается при достижении во внешней сепарационной зоне тангенциальной скорости вращающегося потока, равной 1,6 м/с. Подтверждено наличие критической скорости ввода исходной эмульсии в аппарат (Увхкр). Установлено, что при ее превышении концентрация масла в нижнем сливе практически не меняется (5Н'). Значения скорости Уахкр, полученные из эксперимента, находятся в хорошем соответствии с расчетной величиной, определенной на основании формулы (6.10).

Для эмульсий с Рс<Рф и (1ф/цс<30 в цилиндроконических гидроциклонах предложено выражение для определения при Увх*Увхкр Б«' -0,45 (5о)178 (с1,Х/0У445 (с!в/бк)'425, (7.1)

для эмульсий с Цф/цс>30 (выше скорости начала сепарации) 5»-7,67• 10%о-°- "Яе,*-1- 0(с1в/с1„)425(Ь/О)"0'12. (7.2)

Для эмульсий с цф/Цс>30 в цилиндрическом противоточном гидроциклоне

Бн-г, 8 • 103Зо0' 15КеВх-0' 6(ав/ён)55 а/Б) 1. (7.3)

Расчетные зависимости (7.1)-(7.3) применимы в следующем диапазоне изменения влияющих геометрических и режимных параметров:

а) (7.1) и (7.2) для цилиндроконических гидроциклонов -1X0,01-0,03) М; с1э.вх-(0,155-0,33)0; с1в-(0,2-0,4)0; бн-(0,065-0,2)0; 1X1,0-10,0)0; й-8°-30°; Ув*-(1.0-14,0) м/с;5о-0,05-0,2.

б) (7.3) для цилиндрического противоточного гидроциклона -1X0,03-0,05) м; с1э.вх-(0,25-0,33)0; (Зв-(0,2-0,4)0; с1„-(0,2-0,33)0; 1X1,0-10,0)0; Увх-(3,5-13,0) м/с; Зо-0,05-0,2.

Исследование разделения эмульсий с рф>рс проводились на системе нефть-вода (|1ф/цс^.25).

Для разделения таких систем в цилиндроконических гидроциклонах рекомендуется использовать зависимость А.М.Кутепова, И.Г.Терновского, уточненную для данного случая

5вЖ-к(Агм)-°-24(Зо")1-0, (7.4)

где: Я" п (иг флпы/кг среди). к-0,С50(г111/г!„)0-3(К/1.К)0' 1П. Агм-[Увх'2с1ср3(Рс1>-Рс)]/(К^с::Рс) - критерий циклонного процесса или модифицированный критерий Архимеда.

Результаты эксперимента по применению различных конструкционных материалов для гидроциклонного аппарата показывают, что природа конструкционного материала оказывает влияние на эффективность сепарации. Так, только за счет изменения материала верхнего сливного патрубка можно увеличивать эффективность разделения до 15 7., что необходимо учитывать при разработке аппаратов для разделения систем жидкость-жидкость.

Установлено, что присутствие твердой фазы (полиэтиленовые и фторопластовые шарики диаметром 1-2 мм ) и их концентрация в исходной смеси оказывает незначительное влияние на эффективность разделения, но несколько повышает величину критической скорости, препятствуя дрсблешк; капель, по-видимому за счет увеличения вязкости смеси и снижения турбулентных пульсаций на выходе из питающего патрубка в корпус гидроциклона.

На основании единого подхода к определению расходных характеристик гидроциклонов для случая разделения эмульсий получены следующие зависимости:

I. Для цилиндрического противоточного гидроциклона

- гидравлическое сопротивление

£.-2,2'104(РеГг)-0'45(Гвх/ГвЫх)°'14(Ь/0)"0л. (7.5)

- распределение потоков

а) при 3<1_Л)<Б

03/ан-2,55Кевх"°'25а/0)а85(с1в/с1„)0-93; (7.6)

б) при бСЬФ«™

Ов/Он-4,5Г?евх"°- 25ал» 45 (с)в/с1н)0' 93. (7.7)

К преимуществам зависимости (7.5) следует отнести возможность непосредственного определения давления на входе в аппарат, необходимого для обеспечения требуемой производительности по исходной смеси, при заданных конструктивных размерах.

II. Для цилиндроконического гидроциклона

- гидравлическое сопротивление

6.-7 ■ 5 - (КеРг) 135 (ГВХЛ)2)198 (РВЫХЛ)2)45 •

•(Ь/0)_0-42(1ем)°-29. (7.8)

- распределение потоков.

а) при КЬ/ТКб

0в/С!„-1,1 •10"51?евх1' 15а/0)~°- 445(с1в/с1н)3- (7.9)

б) при 5<ЬУ0<10

0в/011-2,б-10-5кевх1л5а/0)_:1-05(^/(1н)3-0. (7.10)

Сопоставление результатов экспериментов и расчетов по предлагаемой модели показали удовлетворительное совпадение.

Глава 8. Практическое использование результатов исследований

Практическая значимость работы заключается в том, что в ходе ее выполнения было создано 38 новых оригинальных конструкций гидроциклонов и способов производства с их использованием, защищенных авторскими свидетельствами и патентами, на четыре из них получены две серебряные и две бронзовые медали ВДНХ СССР, одна конструкция удостоена серебряной медали 44 Международной выставки Ь'игс-ка'95 (Брюссель, 1995). Разработанные методы расчета гидроциклонов различных конструкций, а также полученный экспериментальный материал, использовались при проектировании гидроциклонного оборудования для ряда производств как самостоятельно, так и

в совместных разработках с проектными и научно-исследовательскими организациями различных отраслей народного хозяйства.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основании детерминированного подхода к решению уравнения движения капли дисперсной фазы в радиальном направлении в вихревом турбулентном потоке и экспериментальных исследований разработаны методы расчета содержания дисперсной фазы в целевых продуктах разделения цилиндроконического, цилиндрического прямоточного и цилиндрического противоточного гидроциклонов при разделении эмульсий, а также созданы программы машинного счета для указанных типов аппаратов.

2. Предложена классификация аппаратов гидроциклонного типа и зависимость для сопоставления вариантов проведения сепарациои-ных процессов в этих аппаратах на основе энтропийного подхода.

3. Разработаны методы расчета расходных характеристик ци-линдроконического и цилиндрического противоточного гидроциклонов при разделении неоднородных дисперсных систем типа жидкость-жидкость .

4. Предложен инженерный метод расчета сложных схем соединения гидроциклонных аппаратов для разделения эмульсий.

5. Изучены основные закономерности поведения капель дисперсной фазы в центробежном поле гидроциклонов, в результате чего ■ установлено, что их дробление происходит на выходе эмульсии из питающего патрубка. Стабильность размера капель зависит от соотношения вязкостей дисперсной фазы и дисперсионной среды. Получена зависимость для определения диаметра капель на входе в гидроциклонный аппарат, а также разработан и экспериментально подтвержден метод расчета критической скорости подачи исходной смеси в гидроциклон для ряда эмульсий, при которой не происходит процесса вторичного эмульгирования.

6. Исследовано влияние основных конструктивных параметров и режимных факторов эксплуатации цилиндроконических и цилиндрических противоточных гидроциклонов на процесс разделения эмульсий, получены эмпирические зависимости для расчета значений концентраций дисперсной фазы в целевых продуктах разделения.

7. Экспериментально определены значения тангенциальной скорости, тангенциальной и радиальной степени турбулентности, а также касательных напряжений Рейнольдса в цилиндрическом проти-

- 27 - .

воточном гидроциклоне и получены расчетные зависимости для определения локальных значений тангенциальной скорости в объеме этого аппарата.

8. На основании экспериментальных и теоретических исследований предложены зависимости для расчета диаметра осевой зоны разрежения (воздушного столба) в гидроциклоне.

9. Результаты проведенных исследований позволили разработать и внедрить в промышленность ряд новых оригинальных конструкций гидроциклонов и технологических схем с их использованием, защищенных патентами и авторскими свидетельствами.

10. Полученные экспериментальные результаты и разработанные методики расчета использовались при создании гидроциклонного оборудования для ряда технологических процессов и экологически безопасных технологий.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

0(И) - диаметр (радиус) цилиндрической части гидроциклона; йв(гв) - диаметр (радиус) верхнего сливного патрубка; сЗВх(гВх) -диаметр (радиус) питающего патрубка; ¿н(гн) - диаметр (радиус) нижнего разгрузочного патрубка; с10(г0) - диаметр (радиус) воздушного столба; <320(гг0) - диаметр (радиус) оболочки нулевых осевых скоростей (восходящего потока); Рвх - общая площадь сечения входных патрубков гидроциклона; ГВцх - общая площадь сечения входных патрубков гидроциклона; Рг - критерий Фруда; - высота зоны сепарации в гидроциклоне; Ь,ЬК - длина цилиндрической и конической частей гидроциклона; т - масса частицы дисперсной фазы; Рвх - давление в питающем патрубке; СЬ.Он - производительность гидроциклона по продуктам разделения; СЬ - общая производительность гидроциклона; г - текущий радиус; (?е - критерий Рейноль-дса; \ц>а - значение тангенциальной скорости жидкости на участке У^сопэ!:; а - полный угол конусности цилиндроконического гидроциклона; ^(и) - динамическая (кинематическая) вязкость; ут -турбулентная кинематическая вязкость; е, - коэффициент гидравлического сопротивления; р - плотность; б - межфазное поверхностное натяжение; ф-Уфе/Увх - коэффициент падения скорости на входе в гидроциклон.

Индексы: ф - дисперсная фаза; . с - дисперсионная среда; э -эмульсия; о - исходная смесь; в - верхний слив; н - нижний слив; вх - вход в гидроциклон.

- 28 -

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Баранов Д.А..Лагуткин М.Г..Вишняков В.В. Гидроциклоны в микробиологических производствах. Процессы и аппараты химико-фармацевтических и микробиологических производств: Обзорн.ин-форм.- М.¡ВНИИСЭНТИ, 1991. - Вып.6. - 40с.

2. Баранов Д.А..Лагуткин М.Г..Климов А.П..Вишняков В.В. Конструкции гидроциклонов для химико-фармацевтических и микробиологических производств. Процессы и аппараты химико-фармацевтических и микробиологических производств: Обзорн.информ.-М. :ВгШ-СЭНТИ, 1991. - Вып.7. - 40с.

Статьи

3. Баранов Д.А..Кутепов A.M..Лагуткин М.Г. Расчет селараци-онных процессов в гидроциклонах//Теоретич.основы хим.технологии. 1996. Т.30. N 2. С.117-122.

4. Кутепов А. М..Лагуткин М.Г..Баранов Д.А. Метод расчета показателей разделения суспензий в гидроциклонах//Теоретич.основы хим.технологии. 1994. Т.28. N 3. С.207-211.

5. Баранов Д.А.,Кутепов A.M..Терновский И.Г. Расходные характеристики и гидродинамика противоточного цилиндрического гид-роциклона//Журнал прикл.химии. 1984. N 5. С.1181-1184.

6. Баранов Д.А..Кутепов A.M. .Лагуткин М.Г..Терновский И.Г. Измерение напряжений Рейнольдса электродиффузионным мето-дом//Журнал прикл.химии. 1988. N 2. С.439-441.

7. Баранов Д.А.,Терновский И.Г.,Кутепов A.M..Цыганов Л.Г. Графо-аналитический метод расчета сепарационных процессов в гидроциклонных аппаратах//Курнал прикл.химии. 1989.N 5.С.1083-1087.

8. Баранов Д.А..Кутепов A.M..Лагуткин М.Г..Терновский И.Г. К расчету сложных схем соединения гидроциклонов//Журнал прикл.химии. 1989. N 11. С.2483-2486.

9. Лагуткин М.Г.,Кутепов A.M..Баранов Д.А. Расчет показателей разделения суспензий в гидроциклонах//Журнал прикл.хамки. 1992. Т.65. Вып.8. С.1806-1814.

10. Баранов Д.А..Кутепов A.M..Цыганов Л.Г. Общий подход к определению гидравлического сопротивления и расходных характеристик аппаратов гидроциклонного типа//Журнал прикл.химии. 1993. Т.66. ВЫП.12. С.2752-2758.

11. Баранов Д.А..Кутепов A.M. .Пирогова О.В. Определение размера воздушного столба в пщроциклоне/Ужурнал прикл.химии. 1995. Т.68. N 2. С.287-289.

12. Баранов Д.А.,Кутепов A.M..Пирогова О.В. Устойчивость дисперсной фазы эмульсий при разделении в гидроциклонах//Журнал прикл.химии. 1995. Т.68. N 3. С.474-477.

13. Вараюв Д.А.,Кутепов A.M. .Терновский И.Г. Разделение масляных эмульсий в гидроциклбнных алпаратах//Химия и технология топлив и масел. 1986. N 3. С.16-18.

14. Лагуткин М.Г..Баранов Д.А. Расчет показателей разделения суспензии в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне//Химич.и нефтяное машиностроение. 1988. N 3. С.3-4.

15. Лагуткин М.Г. .Баранов Д.А..Марков Л.В. Методика расчета показателей разделения суспензий в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне//Химич. и нефтяное машиностроение. 1991. N 4.С.20-21.

16. Калашников Б.Г..Пирогова О.В., Баранов Д.л..Лагуткин М.Г. Разделение малоконцентрированных дисперсных систем в гидроциклонах с приемным бункером//Химич. и нефтяное машиностроение. 1996. И 1. С.55-56.

17. Кутепов A.M. .Терновский И.Г..Баранов Д.А. Гидроциклоны в химической промышенности/7Хим.пром. 1989. N 5. С.60-63.

18. Баранов Д.А.,Кутепов A.M. .Цыганов Л.Г. Нетрадиционные способы гидроциклонироваиия/УХим.пром. 1994. N 4. С.43-47.

19. Баранов Д.А..Кутепов A.M..Цыганов Л.Г. Оценка эффективности сепарационных процессов в аппаратах гидроциклонного ти-па//Хим.пром. 1994. N 8. С.20-24.

20. Баранов Д.А..Кутепов A.M..Лагуткин М.Г. Расчет гидроциклонных аппаратов для разделения неоднородных дисперсных сис-тем//Хим.пром. 1995. N 8. С.24-27.

21. Терновский И.Г..Кутепов A.M..Лагуткин М.Г..Баранов Д.А. Исследование осевой зоны разрешения в гидроциклонач//Изв.ВУЗов. Химия и хим.технология. 1978. Том XXI. Вып.4. С.604-608..

22. Лагуткин М.Г..Кутепов A.M..Терновский И.Г..Баранов Д.А. Анализ методов определения дисперсного состава твердой фазы суспензии//!^. ВУЗов. Химия и химич.технология. 1985. Том XXV111. Вып.9. С.105-108.

23. Баранов Д.А.,Кутепов A.M..Терновский И.Г. Производительность гидроциклонных аппаратов при разделении систем дид-кость//Изв.ВУЗов. Химия и хим.технология. 1986. Т.XXIX. Вып.9. С. 107-110.

24. Терновский И.Г..Кутепов A.M..Лагуткин М.Г..Баранов Д.А. Разработка и исследование гидроциклона с регулирующими клапана-

ыи//Химическое машиностроение. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. М. :ШХМ. 1979. Вып.XI. С.65-70.

25. Баранов Д.А..Кутепов A.M. Дерновский И.Г. Особенности разделения несмешвающихся жидкостей в гидроциклонах//Разработ-ка, исследование и расчет машин и аппаратов химических производств. М. :МИХМ. 1984. С.107-111.

26. Баранов Д. А. Дерновский И.Г. Критическая скорость сепарации несмешиваощихся жидкостей в гидроциклонах//Конструировачие и расчет аппаратурного оформления процессов разделения в хим.технике. М.:МИХМ. 1985. С.6-9.

27. Лагуткин М.Г.Дерновский И.Г.,Цыганов Л.Г. .Баранов Д.А. Новые конструкции центробежных аппаратов для классификации дисперсных материалов//Разработка, исследование оборудования для получения гранулированных материалов. М.:МИХМ. 1985. С.103-107.

28. Баранов Д. А. .Лагуткин М. Г. Дерновский И. Г., Цыганов Л. Г. Расходные характеристики гвдроциклона с циркуляционным конту-ром//Новые методы расчета и конструирования машин и аппаратов химических производств. М. :МИХМ. 1987. С.125-127.

29. Кутепов A.M. .Баранов Д.А. .Лагуткин Г. Дерновский И.Г. Расчет ступенчатых схем соединения гидроциклонов//Расчет и конструирование аппаратов для разделения дисперсных систем. М.: ШХМ. 1990. С. 57-61.

30. Баранов Д.А..Лагуткин М.Г..Вишняков В.В. Очистка сточных вод биологических производств от взвешенных частиц//Н.-т. инфор-мац.сб. Передовой производственный опыт в медицинской промышленности, рекомендуемый для -внедрения. 1991. Вып.5.' С.36-39.

31. Баранов Д.А..Кутепов А.М.,Чичаев A.B. Разработка гидроциклонов для очистки сточных вод различных прсизводств//м.:МИХМ. 1992. С.11-14.

32. Баранов Д.А..Лагуткин М.Г. Промышленное использование гидроциклонов//Агрохимбизнес. 1995. N 12. С.36.

Тезисы докладов

33. Кутепов A.M., Баранов Д.А., Лагуткин М.Г. Разработка замкнутых схем водоснабжения с использованием гидроциклонов// XV Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Минск: Навука тачн1ка. 1993. Т.2. С.198-199.

34. Кутепов A.M..Лагуткин М.Г..Баранов Д.А. Расчет сепараии-онных процессов в гидрсщислснах при разработке малоотходных технологий/Лам же. Т.2. С.202-204.

35. Баранов Д. А..Терновский И.Г. Изучение разделения несмешивающихся жидкостей в гидроциклоне//IV Респ.конф.молодых ученых-химиков. Таллин: 1981. С.128.

36. Баранов Д.А..Лагуткин М.Г..Терновский И.Г. Новые конструкции гидроциклонов для разделения несмешивающихся жидкос-тей//Тез.докл. Ш Всесоюзн.н.-г.конф."Совреиегшьге машины и аппараты хим.производств". Ташкент: 1983. 4.VI. С.104-106.

37. Баранов Д.А. К вопросу изучения гидродинамики гидроцик-лонов//Тез.докл.II Всесоюзн.н.-т.конф.по гидромеханич.процессам разделения неоднородн. смесей. М. .-ЦИНБ1ХШНЕФТЕМАШ.1983. С. 49-50.

38. Лагуткин М.Г..Цыганов Л.Г..Варанов Д.А. Обработка известкового молока в гидроциклонах классификаторах//Тез.Всесоюзн.н. -т. совещания "Повышение эффективн. машин и аппаратов в основной химии",Химтехника-86. Сумы. 1986. С.69-71.

39. Баранов Д.А..Золотников А.Н. Использование гидроциклонов в качестве реакторов-сепараторов//Тез.докл.Всесоюзн.конф."Хиыре-актор-10". Куйбышев-Тольятти. Кн.З. 1989. С.207-210.

40. Баранов Д.А..Кутепов A.M..Лагуткин М.Г. Разработка электромагнитных гидроциклонов для проведения различных технологических процессов// Тез.докл.Всесоюзн.н.-т.конф."Разработка и внедрение вихревых эл.-магнитных аппаратов для интенсификации технологич.процессов". Тамбов. 1989. С.72-73.

41. Baranov D. A. .Kutepov A.M. .Temovsky I.G. Separation of Immiscible Liquids in Hidrocyclones//10th International of CHISA Congress. Praha. 1990. [543).

42. Баранов Д.А..Кутепов A.M. Разделение несмешивающихся жидкостей в гидроциклонах//Тез.докл.111 Всесоюзн.конф."Гидромеханич. процессы разделения гетерогенных систем".Тамбов.1991.С.15.

43. Баранов Д.А..Лагуткин М.Г.,Чичаев А.В. Использование гидроциклонов для очистки сточных вод различных произ-водств//Тез.докл. VIII Респ.конф."Повышение эффективности,совершенствование процессов и аппаратов химич.производств". Днепропетровск. 1991. С.31.

44. Баранов Д.А. .Лагуткин М.Г. .Вишняков В.В. Разработка эффективных аппаратов гидроциклонного типа//Тез.докл. Пятые Плехановские чтения. Рынок: проблемы становления и развития. М. 1992. 4.2. С.168-169.

45. Kutepov A.M..Baranov D.A.,Tchiganov L.G. Method of

Calculation of Liquid-Solid Separation in Hidrocyclone. 11th International Congress. Praha. 1993. C8083.

46. Kutepov A.M..Baranov D.A..Lagutkin M.G. Calculation of Emulsions Separation in Cylindrical-Conical HydrocycIones. 11th International Congress. Praha. 1993. CB093.

47. Баранов Д.А..Лагуткмн M.Г.,Цыганов Л.Г. Аппараты центробежного принципа действия в биотехнологических процессах//Тез. докл. Межресп.н.-т.конф."Интенсификация процессов химич.и пищевой технологии","Процессы-93". Ташкент. 1993. 4.2. С.346.

48. Кутепов A.M..Баранов Д.А..Цыганов Л.Г. Нетрадиционные способы гидроциклонирования и оценка эффективности сепарационных процессов в аппаратах гидроциклонного типа//Тез.докл.IV Междуна-родн.научн. конф."Методы кибернетики химико-технологических процессов", "КХТП-1У-94". М.:РХТУ. 1994. С.35.

49. Кутепов A.M..Баранов Д.А..Леонова О.В. Расчет показателей разделения суспензий и эмульсий в гидроциклонах//Там же,-С. 36.

50. Баранов Д.А..Кутепов A.M.,Леонова О.?. Разделение эмульсий в гидроциклонах//Тез.докл. III Респ.конф.по интенсификации нефтехимич. процессов."Нефтехимия-94".Нижнекамск. 1994.С.160-162.

51. Баранов Д.А.,Кутепов A.M. Оптимизация процессов разделения гетерогенных систем на основе энтропийного подхода//Тез. IX Международн. конф. "Математические методы в химии и химич.технологии", ММХ-9. Тверь. 1995. 4.2. С.97.

52. Лагуткин М.Г..Баранов Д. А. Модель процесса разделения суспензий в гидроциклонах//Там же. 4.4. С.48.

53. Баранов Д.А. .Кутепов A.M.,Цыганов J¡.Г. Единый метод расчета расходных характеристик гидроциклонов//Та.ч же. 4.4. С.50.

Методические указания

54. Кутепов A.M..Баранов Д.А.,Климов А.П. Метод дисперсионного анализа гетерогенных систем. Методические указания. М. 1993. - 16с.

Авторские свидетельства NN 886997, 940862, 944671, 952348, 952350, 993974, 1002035, 1036385, 1049113, 1074610. 1088805, 1103904, 1115809, 1125061, 1150041, 1153904. 1171096, 1255215, 120203.'). 1327902, 1349792, 1421418, 1426095, 1431845, 1623774, 1627?49, 1538498, 1532GG1, 1?6УУЬ2, 1787576, 1789291, 2014156.