автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Процесс очистки оборотной воды в цилиндроконических гидроциклонах с приёмным бункером

На правах рукопиа

ПИГАРЕВ ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

ПРОЦЕСС ОЧИСТКИ ОБОРОТНОЙ воды в ЦИЛИНДРОКОНИЧЕСКИХ ГИДРОЦИКЛОНАХ С ПРИЁМНЫМ БУНКЕРОМ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДПР 2012

Москва-2012

005019850

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам имени профессора Я.В. Самойлова»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Лагуткин Михаил Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Тарасова Людмила Александровна

доктор технических наук Абрамов Владимир Олегович

Ведущая организация ООО «Гипрохим», г. Москва

Защита состоится «26» апреля 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.01 в Московском государственном университете инженерной экологии (МГУИЭ) по адресу: 105066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4, аудитория имени Л.А. Костандова (Л-207).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии.

Автореферат разослан « 26 » марта 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н.

С.А. Трифонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В химической и других отраслях промышленности, энергетике для охлаждения различных сред в рекуперативных теплооб-менных аппаратах обычно используется в качестве холодного теплоносителя вода. При многократном прохождении оборотной воды по контуру: насосы -теплообменные аппараты - трубопроводы - градирня (или аппараты воздушного охлаждения) - сборник, в нее попадают различные механические примеси, кроме того, вода заиливается. Возможна так же забивка распиливающих устройств градирен.

Эффективность работы теплообменного оборудования может быть значительно повышена за счет удаления механических примесей из оборотной воды. Отстойники требуют значительных площадей, которые в принципе невозможно найти на действующих производствах. Сам процесс разделения неоднородных систем за счет силы тяжести малоэффективен. Интенсифицировать процесс разделения можно за счет использования различных полей, в первую очередь центробежного поля. Основное оборудование, в котором разделение суспензий происходит под действием центробежной силы инерции - это центрифуги различных конструкций, сепараторы, гидроциклоны.

Цилиндроконические гидроциклоны, несмотря на то, что обладают худшими показателями разделения, чем фильтры, центрифуги и сепараторы, нашли самое широкое распространение в промышленности за счет отсутствия движущихся частей, простоты конструкции, не высокой стоимости, удобства в эксплуатации, высокой производительности, малого потребления электроэнергии.

При очистке оборотной воды может использоваться традиционная конструкция цилиндроконического гидроциклона, однако нижний продукт (сгущенным его можно называть только условно, так как концентрация нижнего продукта не велика) требует дальнейшей очистки, например, в отстойнике, расход сгущенного продукта может составлять до 10% от общей производительности гидроциклона. Несмотря на необходимость дальнейшей очистки нижнего продукта, применение гидроциклона, несомненно, целесообразно, так как нагрузка на отстойник может быть уменьшена более чем в десять раз.

В литературе приведены данные по работе на разбавленных суспензиях ци-линдроконических гидроциклонов с приемным бункером на нижнем сливе -аналог конструкции пылегазового циклона. Данную конструкцию представляется целесообразным использовать и для очистки оборотной воды, содержащей незначительное количество механических примесей. При этом исключатся потери воды с нижним сливом. Однако расчет таких аппаратов с подачей только незначительной части оборотной воды на очистку в гидроциклон с приемным бункером не проработан, поэтому представляется актуальной задача разработки методики расчета очистки оборотной воды от механических примесей в гидроциклонах с приемным бункером при подаче на очистку незначительной части оборотной воды и определению необходимого

времени очистки до достижения максимально возможного снижения концентрации механических включений в оборотной воде.

Цель работы. Разработать методику расчёта снижения концентрации твёрдой фазы в оборотной воде с использованием цилиндроконического гидроциклона с приёмным бункером и времени, необходимого для достижения минимально возможной концентрации механических включений в оборотной воде, при подаче на очистку в гидроциклон определенного типоразмера незначительной части от общего объема оборотной воды.

Научная новизна работы:

- результаты экспериментальных исследований на разбавленной суспензии показателей разделения цилиндроконического гидроциклона с приемным бункером;

- полученная аналитически с учетом гидродинамических характеристик потока расчетная зависимость для определения граничного зерна разделения малоконцентрированных суспензий в цилиндроконических гидроциклонах;

- полученная аналитически зависимость для расчета снижения во времени концентрации механических примесей в оборотной воде при подаче части ее ! на гидроциклон с приемным бункером.

Практическая значимость:

- разработана методика расчета снижения концентрации механических приме- ' сей в оборотной воде при ее очистке в гидроциклонах с приемным бункером.

В целом результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке установок для очистки оборотной воды с использованием традиционных цилиндроконических гидроциклонов и цилиндроконических гид- ■ роциклонов с приемным бункером на нижнем сливе;

- полученная расчетная зависимость для расчета граничного зерна разделения может быть использована при расчете показателей разделения цилиндроконических гидроциклонов широкого спектра типоразмеров при изменении давления питания в большом диапазоне;

- результаты работы планируются к внедрению на предприятиях группы компаний ФосАгро, в частности на ОАО «Череповецкий» «Азот» (г. Череповец) и ОАО «Апатит» (Мурманская обл. г. Кировск).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на: интернет-конференции «Творчество молодых в науке и образовании»; XXIV Международной научной конференции. Математические методы в технике и технологиях. ММТТ-24.

Публикации. Материалы, изложенные в диссертационной работе, нашли отражение в 4 опубликованных печатных работах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований на разбавленной суспензии показателей разделения цилиндроконического гидроциклона с приемным бункером.

- полученная аналитически с учетом гидродинамических характеристик потока расчетная зависимость для определения граничного зерна разделения разбавленных суспензий в цилиндроконических гидроциклонах.

- методика расчета снижения концентрации механических примесей в оборотной воде с использованием установки цилиндроконических гидроциклонов с приемным бункером.

Достоверность полученных результатов.

Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждается использованием при выводе зависимости для расчета граничного зерна разделения основных законов физики, хорошей сходимостью результатов расчета и экспериментов, проводимых на лабораторных стендах каф. АКМА МГУИЭ с использованием поверенных приборов.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы, включающего 94 наименования публикаций отечественных и зарубежных авторов, и двух приложений. Работа изложена на 106 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков и 2 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и основные задачи исследований, научная новизна работы, отмечены основные положения, выносимые на защиту, показана практическая ценность полученных результатов, приведены сведения о публикациях автора и структуре работы.

В первой главе проведён анализ существующих подходов к расчёту показателей работы цилиндроконических гидроциклонов.

Описаны принципы действия и проведения процесса разделения суспензий в цилиндроконическом гидроциклоне, краткий алгоритм расчёта цилиндроконического гидроциклона. Приведён анализ основных методик расчёта расходных характеристик цилиндроконического гидроциклона. Рассмотрены четыре основных подхода к расчету разделяющей способности гидроциклонов: метод на основе понятия граничного зерна разделения, метод, основанный на теории подобия, метод, использующий стохастическую модель разделительных процессов, и детерминированный подход.

Приведён пример использования цилиндроконического гидроциклона с приёмным бункером. Концентрация взвесей в оборотной воде не может быть снижена до нуля, так как частицы с диаметром меньше граничного зерна разделения не могут быть отделены полностью от оборотной воды в гидроциклоне и продолжат циркулировать в контуре. Степень извлечения твердой фазы

в приемный бункер гидроциклона от общей массы частиц, поступающих с оборотной водой, должна уменьшаться с изменением гранулометрического состава частиц в суспензии, поступающей в гидроциклон с приемным бункером, по мере отбора части частиц с диаметром больше граничного зерна разделения в приемный бункер.

Показано конструктивное исполнение традиционных цилиндроконических гидроциклонов разработанных Дзержинским политехническим институтом (филиалом) НГТУ им. Р.Е.Алексеева совместно с МГУИЭ, а также конструкции цилиндроконических гидроциклонов с приёмным бункером на нижнем сливе.

Во второй главе приводится вывод уравнения для расчета граничного зерна разделения разбавленных суспензий в цилиндроконических гидроциклонах. При выводе уравнения учитывались результаты экспериментальных исследований других авторов по гидродинамике гидроциклонов, в первую очередь, полученные в группе академика Алексея Митрофановича Кутепова. Расчетная схема гидроциклона приведена на рис.1.

Баланс сил, действующих на частицу на некотором радиусе г, когда она прекращает перемещение в радиальном направлении, можно записать как:

(!)

ж-йъ VI

/7 __<Р

где Ц ~~ ' т - центробежная сила инерции действующая на час-

тицу, Рс=ЗлржУс1Уг - сила сопротивления потока дисперсионной среды, 7Г-С1Ъ Г2

Т-. __<Р

г а ~ Рж ^ ~ - сила Архимеда в центробежном поле, действующая на

частицу в радиальном направлении. Из уравнения (1) получим зависимость для расчета диаметра частицы, прекращающей свое движение в радиальном направлении на произвольном радиусе г, в следующем виде:

18 • V - V -г

г ( \

К Рт Х

V

(2)

В уравнение (2) входят тангенциальная и радиальная Уг составляющие скорости потока. Уг может быть определена по уравнению

у- & ' 2-я-г-И <3)

Рис. 1 Расчетная схема цилиндрокониче-ского гидроциклона

I - цилиндроконический корпус; 2 - питающий (входной) патрубок; 3 - верхний сливной патрубок; 4 - приёмный бункер.

Исследование гидродинамики гидроциклонов с использованием электродиффузионного метода диагностики турбулентных потоков показало, что в зоне сепарации ниже нижнего среза верхнего сливного патрубка от стенки аппарата до некоторого радиуса /?,е, определяемого по зависимости:

. 0,58

^ = 1,25 (Я-О

М02

(4)

тангенциальная составляющая скорости потока остается постоянной по радиусу и определяется по уравнению:

d

и =3 \v V J»1K« D

'L ^

D

(5)

В работах Лагуткина М.Г. и Баранова Д.А. было обосновано, что для гидроциклона наиболее рациональными являются следующие соотношения размеров: dт = 0,25D ; de = 0,3/); L^D>1,5; а >8°. При этих соотношениях получим, что Rle=0,3D, a Vex.

Изменение тангенциальной составляющей скорости потока в гидроциклоне от радиуса Я,е до радиуса воздушного столба, возникающего вдоль оси

аппарата, может быть аппроксимирована гиперболой:

р

у9~ г УЧ* (6)

С учетом приведенных выше соотношений, уравнение (6) запишется как

0Д8£>

У« (7)

К =

Из уравнения (2), с учетом уравнений (3) и (7), получим уравнение для расчета диаметр частицы, прекращающей свое движение в радиальном направлении на радиусе верхнего сливного патрубка 3 (рис.1) с диаметром ¿4, в следующем виде:

dip =0.24Ш

Y--H—-1

(8)

Формула (8) включает значение кинематической вязкости жидкости и не учитывает турбулентную вязкость. В работе Непомнящего Е.А. и Павловского В.В аналитически найдено выражение коэффициента турбулентной вязкости для цилиндроконического гидроциклона:

- V. -К

v, =

д F,„ V.

дг

(9)

где V, и У? - пульсационные составляющие скорости потока - радиальная и

тангенциальная, соответственно, которые определяются как Vr — £rVr.

где

<£> - степень турбулентности потока в радиальном направлении, и

г

У<р где - степень турбулентности в тангенциальном направле-

нии. Тогда уравнение (9) с учетом уравнений (3) и (7) можно записать в следующем виде:

В монографии Терновского И.Г. и Кутепова A.M. приведены результаты экспериментального исследования с помощью электродиффузионного метода диагностики турбулентных потоков изменения степени турбулентности в объеме цилиндроконического гидроциклона. В зоне сепарации величина еф остается постоянной по радиусу гидроциклона и составляет примерно 0,02-0,05. Степень турбулентности потока в радиальном направлении ег в 2^2,5 раза больше £ф. Тогда из уравнения (10) можно определить среднее значение турбулентной вязкости потока оборотной воды, с учетом которой уравнение (8) примет вид:

Таким образом, при расчете граничного зерна разделения следует учитывать турбулентную вязкость, в противном случае мы можем получить его заниженные значения.

Скорость потока в питающем патрубке связана непосредственно с давлением в питающем патрубке. Давление на входе может быть определено из какой-либо формулы для расчета общей производительности гидроциклона например, из формулы предложенной Ф.И.Фонтейном: Преобразовав формулу Ф.И.Фонтейна, с учетом указанных выше зависимостей питающего патрубка и верхнего сливного патрубка от диаметра цилиндрической части гидроциклона, получим простую зависимость для расчета давления

в питающем патрубке в следующем виде: Рвх = 4,516 ■ ■ рж Па. (12). Уравнение (12) представляет собой формулу Вейсбаха

где £=9,032 - коэффициент гидравлического сопротивления гидроциклона с соотношениями геометрических параметров, приведенных выше.

Преобразовав уравнение (11) с учетом уравнения (13) получим:

(И)

> Рж

вх

(13)

С целью подтверждения возможности применения формулы (14) для расчёта граничного зерна разделения в традиционных цилиндроконических гидроциклонах с двумя продуктами разделения был проведён анализ экспериментальных данных по разделяющей способности этих аппаратов, приведённых в работах других авторов. Соответственно сопоставление опытных и расчётных данных диаметра граничного зерна разделения по полученной формуле (14) приведено на (рис. 2).

45 40 35 30 25 20 15 10 5

с! гр. он., мкм

А - Алюмосиликат, 0=0.03 м, Г"-\аг

♦ - А1203.1) 0,03; 0,05 м. Р лаг

♦ - кварцевый песок до измельчения, 1)-0.03: 0,05 м, I' лаг

я - кварцевый песок после ичмедьчетю, 1Ж).03:0,05 м. Р=уаг в - А1203. О =0.075м; 1' \аг А - кварцевый песок. 1>-0,03м, 1'=\аг ?- - кварцевый песок, £)~0,05, Ргаг в - кварцевый песок. I) 0.05 м. Р лаг

♦ - ПВХ, П=0,05 м. I' А иг

я - ПВХ, [>0,0245 м. I' 0.025М11а

Рис. 2 Сопоставление опытных и расчётных данных диаметра граничного зерна разделения.

Также был проведен анализ зависимостей по расчету граничного зерна разделения, приведенных в литературе. Наилучшая сходимость опытных и расчётных данных по диаметру граничного зерна разделения (отклонение ±20%) было получено по формуле, приведенной в работе Барановой Е.Ю.

Как видно из (рис. 2) максимальное отклонение расчётных данных по формуле (14) от опытных не превышает 16%. Таким образом, полученная зависимость^) для расчета диаметра граничного зерна разделения позволяет

о гр. расч., мкм

г:--*.:

-16°

О 5 10 15 20 25 30 35 40 4

повысить точность расчёта традиционной конструкции цилиндроконического гидроциклона с двумя продуктами разделения, что в свою очередь повышает точность определения показателей разделения гидроциклона: степени извлечения твёрдой фазы с осветлённым и сгущенным потоками и концентрации твёрдой фазы в продуктах разделения. Очевидно, что полученная зависимость (14) может быть применена и для расчёта очистки оборотной воды в гидроциклоне с приёмным бункером, что подтверждается результатами эксперимента.

Третья глава посвящена разработке методики расчёта снижения во времени концентрации механических примесей в оборотной воде.

Рассмотрим, как уменьшается во времени концентрация загрязнений в оборотной воде при подаче её части на очистку в гидроциклон с приемным бункером (батарею мультигидроциклонов). Предварительно задаются параметры цилиндроконического гидроциклона и давление на входе. По формуле (14) рассчитывается граничное зерно разделения. Зная гранулометрический состав частиц дисперсной фазы (рис.3), определяется степень извлечения (унос) твердой фазы в приемный бункер гидроциклона 8И=1-А (рис.3).

Ыч) 1 -- --

А /

гр (!ч

Рис.3 Интегральная кривая распределения по крупности частиц содержащихся в оборотной воде.

Обозначим массу твердых частиц, содержащихся в оборотной воде -Сиач, тогда масса частиц с диаметром больше граничного зерна разделения («крупные» частицы), которая может быть выделена за бесконечно большое время в бункер гидроциклона из оборотной воды, определится как

= ■ Сиач 5 (15), а масса частиц с диаметром меньше граничного зерна разделения («мелкие» частицы), которые не будут выделяться из оборотной воды и останутся в циркуляционном контуре, будет:

Если объем циркулирующей в контуре оборотной воды будет Ук, то концентрация "мелких" частиц с диаметром меньше граничного зерна разделения в кг/м3 будет:

С

■и у , (17) причем она будет оставаться неизменной во времени.

к

Концентрация "крупных" частиц с диаметром больше граничного зерна разделения в кг/м3 в начальный момент времени, до начала подачи на очистку

с

оборотной воды на гидроциклон, будет: * у , (18) соответственно эта

концентрация будет уменьшаться во времени до нуля. Концентрация механических включений в оборотной воде составит сумму концентраций "мелких" и "крупных" частиц: Ср=СЛ|+Скт, (19), где См=сот1, а Скт=\аг (текущее значение концентрации "крупных" частиц твердой фазы в оборотной воде). Соответственно Ср=\аг и является функцией времени. Производительность единичного гидроциклона <2,, может быть определена по какой-либо расчетной зависимости.

Если внутренний объем гидроциклона (батареи мультигидроциклонов) составляет Уг, то среднее время пребывания потока оборотной воды в гидроциклоне будет: 'о ~ „ . (20)

На гидроциклон будет подаваться некоторая часть п (меньше единицы) от общего потока циркулирующей в контуре оборотной воды Ук, которая определится как " у у (21)

Если из циркуляционного контура на гидроциклон подается с оборотной водой за время Л твердая фаза с размером частиц больше граничного зерна разделения в количестве сЮк, то вся эта масса "крупных" частиц будет извлекаться в приемный бункер гидроциклона, соответственно на эту величину уменьшится масса "крупных" частиц, содержащихся в оборотной воде, уменьшится также их концентрация на величину -¿Скт (знак минус указывает на убывание концентрации). Естественно, масса уловленных в гидроциклоне "крупных" частиц твердой фазы равна массе твердой фазы, отобранной от циркулирующей в контуре оборотной воды, то есть

сЮ= - К (1Скт (22)

сЮк= С^ОосН (23)

Из уравнений (22) и (23) получим

- К с!Ск„г С^Л (24)

С учетом уравнения (21) из уравнения (24) получим:

¿С Л/

^кт '0

Проинтегрировав уравнение (25) в пределах от Ск до Скт и от 0 до /, получим

1п| ^

С.

= -«f (26)

'О

Из уравнения (26) следует, что уменьшение концентрации "крупных" частиц с диаметром больше граничного зерна разделения в оборотной воде описывается следующей зависимостью:

I

Скт=С,-е"7° (27)

Соответственно концентрация твердой фазы в оборотной воде с учетом уравнения (19) будет изменяться по следующему закону:

I

Ср(() = С„ + Ск-е"'° (28)

Из уравнения (28) с учетом уравнений (15) -(18), (20) и (21) окончательно получим зависимость для расчета изменения концентрации твердой фазы в оборотной воде от времени:

Ср(') =---+ • (29)

К к

По зависимости (29) можно построить график изменения концентрации механических примесей в оборотной воде в зависимости от времени при использовании какого-либо гидроциклона с конкретными геометрическими параметрами.

Четвёртая глава посвящена описанию методики проведения экспериментов. Были проведены две серии экспериментов. Первая серия экспериментов проводилась с целью подтверждения применимости формулы (29) к расчету снижения концентрации механических примесей в оборотной воде при подаче ее незначительной части на очистку в гидроциклон с приемным бункером. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 4. При включении установки, суспензия из циркуляционного бака 2, под давлением, поступает в гидроциклон 1 через тангенциальный патрубок, который расположен в верхней части цилиндроконического корпуса, в результате чего поток закручивается и под действием центробежной силы инерции происходит разделение суспензии. Твёрдая фаза извлекается через нижний патрубок и попадает в приёмный бункер 3, осветленный поток через верхний патрубок направляется обратно в циркуляционный бак 2. Перемешивание суспензии в баке 2 осуществлялось барбо-тажем с помощью компрессора 5.

В процессе проведения эксперимента, через промежутки времени равные 0,5 мин., 2,0 мин., 5,0 мин., 10,0 мин, 12,0 мин., производилось взвешивание приёмного бункера с извлечённым материалом на весах.

Вторая серия экспериментов проводилась с целью подтверждения хорошей сходимости расчетов производительности гидроциклона по формуле Ф.И.Фонтейна с опытными данными, полученными на лабораторном

стенде с использованием промышленного гидроциклона с диаметром цилиндрической части 25 мм. Принципиальная схема установки аналогична, представленной на рис. 4. _

1 - цилиндроконический гидроциклон; 2 - циркуляционный бак; 3 - приёмный бункер; 4 - насос; 5 - компрессор; 6 - манометр.

I - исходная суспензия; II - осветлённый поток; III - сгущённый поток в бункер; IV - воздух для барботажа.

Гранулометрический состав частиц твердой фазы суспензии определялся с помощью автоматического анализатора Н(Ж1ВА САРА-700 (Япония). Извлечение твердой фазы в приемный бункер гидроциклона определялось весовым методом с помощью лабораторных весов ВЛТЭ-500 (класс точности весов по ГОСТ 24104-2001 -II).

В пятой главе приведены результаты обработки экспериментальных данных. На рис. 5 представлена экспериментальная интегральная кривая распределения твердых частиц модельной среды (двухводный гипс) и построенная по уравнению регрессии (30), аппроксимирующему полученные опытные данные.

и

Рис. 4 Схема экспериментальной установки

ДаГ ) = -3.70М0^6-а 4 +1.274-10 4-с!

,-4 3.5

-3 2.9 -2.356-10 -с! +0.068-а

2.0

0.365 (30)

ч

ч

ч

ч

ч

80

\Т 60

40

ЦК)

\-х,а„

200

Рис.5 Гранулометрический состав частиц дисперсной фазы (УУ - экспериментальные данные, Г (<1ч) - по уравнению регрессии).

На рис.6 для условий эксперимента приведена кривая изменения концентрации механических примесей в оборотной воде, построенная по уравнению (29), точки соответствуют полученным экспериментальным данным.

кг/м3

С«

V ■.......

\

........

50

100

150

200

Рис.6 Теоретическая кривая изменения концентрации твёрдого вещества в баке (оборотной воде) с учётом объёма отбираемого в бункер твёрдого вещества. I- экспериментальные данные.

Как видно из представленных на рис. 6 данных, полученные экспериментальные данные хорошо ложатся на теоретическую кривую. На рис. 7 представлены результаты сопоставления опытных данных по расходным характеристикам цилиндроконического гидроциклона с заглушённым Песковым насадком и расчетных значений по формуле (20А(?(1вХ(1в(Рвхрс), предложенной Ф.И.Фонтейном для расчета производительности гидроциклона.

м ч

0.8

0.6

Оор( Рвхр) С)оз(Рихч)

0.4

0.2

¿г

Л'

5х104 1x1 СР 1.5х105 2.0х105

Рвхр. Рвхэ

Па

Рис. 7 Сопоставление опытных и расчетных по формуле Ф.И.Фонтейна данных по производительности цилиндроконического гидроциклона с заглушённым Песковым насадком.

Как видно из результатов опыта и расчета, приведенных на рис. 6, опытные данные, полученные на цилиндроконическом гидроциклоне с заглушённым Песковым насадком, хорошо согласуются с теоретическими данными, полученными по формуле Ф.И.Фонтейна. Расхождение опытных и расчетных значений не превышает 10 %.

На реальном производстве бала проведена работа по исследованию гидроциклона с приёмным бункером с диаметром цилиндрической части 20 мм. Цилиндроконический гидроциклон с приёмным бункером был установлен в МФО АНОФ-2 ОАО «Апатит». По данным ОТК ОАО «Апатит» среднее содержание взвешенных веществ в оборотной воде составляет 928,88 мг/л. Средний расход оборотной воды в мельнично-флотационном отделении за смену (8 часов) составляет 10500 м3. На гидроциклон подавалось 0,45 м3/ч оборотной воды. За время проведения эксперимента (25 часов) в приёмный бункер выделилось Змг механических примесей. Исследуемый гидроциклон с приемным бункером представлен на рисунке 8.

Рис. 8. Гидроциклон с приёмным бункером на производственной плошадке МФО АНОФ-2 ОАО «Апатит».

Условные обозначения, используемые в работе.

£> - диаметр цилиндрической части гидроциклона, м; ¿„ - длина цилиндрической части гидроциклона, м; (1вх - диаметр входного патрубка, м; с1я - диаметр верхнего сливного патрубка, м; с1„ - диаметр нижнего сливного патрубка (пес-кового насадка), м; йч - диаметр частицы, м; с1гр, - диаметр граничного зерна разделения, м; А - расстояние от нижнего среза верхнего сливного патрубка до пескового насадка, м; а - угол конусности конической части гидроциклона, град; <2„ - общая объёмная производительность гидроциклона, м3/с; / (ё^ -функция распределения частиц по крупности; - степень извлечения механических примесей в приёмный бункер; г - радиус нахождения рассматриваемой частицы, м; рт - плотность твёрдой фазы кг/м3; рж - плотность жидкой фазы кг/м3; сд, - концентрация частиц с диаметром меньше граничного зерна разделения, кг/м3; ск — концентрация частиц с диаметром больше граничного зерна разделения в оборотной воде, кг/м3; скт - текущее значение концентрации "крупных частиц" твердой фазы в оборотной воде, кг/м3; ср(1) - изменение концентрации механических включений в оборотной воде, кг/м3; ср - конценрация механических примесей кг/м3; /0 - среднее время пребывания потока в гидроциклоне, с; п - доля объёма гидроциклона от объёма оборотной воды; 4 ~ коэффициент гидравлического сопротивления; Рвх - давление питания, Па; V,- -внутренний объём гидроциклона, м ; Сшч - масса твёрдых частиц в оборотной воде, кг; - скорость среды на входе в гидроциклон, м/с; У9 - тангенциальная составляющая скорости потока, м/с; V, - радиальная составляющая скорости потока дисперсионной среды, м/с; У^ - тангенциальная составляющая скорости потока дисперсионной среды от стенки аппарата до радиуса м/с; К,е - радиус, до которого постоянна У9, м;

тангенциальная пульсационная составляющая скорости потока, м/с; V -радиальная пульсационная составляющая скорости потока, м/с; Рц - центробежная сила инерции, Н; /•> - сила сопротивления, Н; ^ - сила Архимеда, Н; V - кинематическая вязкость, м2/с; I - время, с; е9 - степени турбулентности потока в тангенциальном направлении; ег - степени турбулентности потока в радиальном направлении.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Лагуткин М.Г., Пигарёв В.М. Очистка оборотной воды от механических примесей в гидроциклонах с приёмным бункером. Тезисы интернет-кнференции. «Творчество молодых в науке и образовании», часть I. М.: МГУИЭ, 2003, с. 98-100.

2. Лагуткин М.Г., Булычёв С.Ю., Пигарёв В.М. Применение гидроциклонов с приёмным бункером для очистки оборотной воды от механических примесей// Химическое и нефтегазовое машиностроение. №11.2004. с. 3 - 5.

3. Лагуткин М.Г., Булычев С.Ю., Баранова Е.Ю., Пигарёв В.М. Влияние турбулентной вязкости на расчётное значение граничного зерна разделения в цилиндроконическом гидроциклоне// Материалы XXIV Международной научной конференции. Математические методы в технике и технологиях. ММТТ-24. Сборник трудов. Том 4. Саратов 2011 г.

4. Лагуткин М.Г., Булычев С.Ю., Баранова Е.Ю., Пигарёв В.М. Расчёт разделяющей способности цилиндроконических гидроциклонов на основе понятия граничного зерна разделения // ЭКиП. №1. 2012. с. 57 - 59.

Подписано в печать 20. 03. 2012 г.

Тираж: 100 экз.3аказ№ 1768 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Ленинский пр-т., 2 (495) 661-60-89; www.reglet.ru

61 12-5/2245

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам

имени Я.В.Самойлова»

ПРОЦЕСС ОЧИСТКИ ОБОРОТНОЙ воды в ЦИЛИНДРОКОНИЧЕСКИХ ГИДРОЦИКЛОНАХ С ПРИЕМНЫМ БУНКЕРОМ

Специальность 05.17.08 "Процессы и аппараты химических технологий"

На прг

Пигарев Владимир Михайлович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н. проф. М.Г. Лагуткин

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень условных обозначений, критериев, единиц и терминов............... 3

Введение..................................................................................... 6

Глава 1. Анализ существующих подходов к расчёту показателей работы

цилиндроконических гидроциклонов.................................... 12

1.1 Конструктивное исполнение гидроциклонов........................... 33

Глава 2. Теоретические предпосылки для расчёта показателей разделения

цилиндроконического гидроциклона..................................... 39

Глава 3. Разработка методики расчёта снижения концентрации механических примесей в оборотной воде с использованием

установки цилиндроконических гидроциклонов...................... 53

Глава 4. Экспериментальные исследования процесса разделения

суспензий в цилиндроконических гидроциклонах.................... 60

4.1. Определение гранулометрического состава частиц твердой фазы 60

4.2. Описание опытной установки и методики проведения эксперимента для определения граничного зерна разделения в цилиндроконическом гидроциклоне..................................... 64

4.3. Описание опытной установки и методики проведения эксперимента для определения производительности цилиндроконического гидроциклона.................................... 69

Глава 5 Обработка результатов эксперимента. Анализ возможности применения гидроциклона с приёмным бункером для очистки

оборотной воды в промышленном масштабе........................... 72

Основные выводы и результаты......................................................... 93

Список литературы........................................................................ 94

Приложения................................................................................. Ю4

Приложение 1............................................................................... 105

Приложение 2............................................................................... 106

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, КРИТЕРИЕВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

£> - диаметр цилиндрической части гидроциклона, м;

Ьц - длина цилиндрической части гидроциклона, м;

с!вх - диаметр входного патрубка, м;

<1в - диаметр верхнего сливного патрубка, м;

с1вн - наружный диаметр верхнего сливного патрубка, м;

с1н - диаметр нижнего сливного патрубка (пескового насадка), м;

с1ч - диаметр частицы, м;

с1гр, - диаметр граничного зерна разделения, м; ¿эвх, ~ эквивалентный диаметр входа, м;

к - расстояние от нижнего среза верхнего сливного патрубка до пескового насадка, м;

а - угол конусности конической части гидроциклона, град; Q0 - общая объёмная производительность гидроциклона, м/с; Qв - производительность гидроциклона по осветленному продукту, м /с; Qн - производительность гидроциклона по сгущенному продукту, м/с; / ((Л^ - функция распределения частиц по крупности;

- степень извлечения механических примесей в приёмный бункер; г - радиус нахождения рассматриваемой частицы, м; рт - плотность твёрдой фазы кг/м ; рж - плотность жидкой фазы кг/м ; ср - концентрация механических примесей, кг/м3;

см - концентрация частиц с диаметром меньше граничного зерна разделения, кг/м3;

сК - концентрация частиц с диаметром больше граничного зерна разделения, кг/м3;

скт - текущее значение концентрации «крупных частиц» твердой фазы в

оборотной воде, кг/м ; ср(0 - изменение концентрации твёрдого вещества в оборотной воде, кг/м ;

с - изменение концентрации твёрдой фазы кг/м3;

/0 - среднее время пребывания потока в гидроциклоне, с;

п - доля объёма гидроциклона от объёма оборотной воды;

£ - коэффициент гидравлического сопротивления;

Рвх - давление питания, Па;

Уг - внутренний объём гидроциклона, м3;

V - объём воды в баке, л;

Ус - объём суспензии в баке, л;

Снач - масса твёрдых частиц в оборотной воде, кг;

Сбв - масса приёмного бункера с водой, г;

Сбт - масса приёмного бункера с водой и извлечённым материалом, г; От - масса извлеченного материала в приёмный бункер, г; Об - масса оставшегося материала в циркуляционном баке, г; Увх - скорость среды на входе в гидроциклон, м/с;

— - радиальная составляющая скорости частицы, м/с; Л

у(р -тангенциальная составляющая скорости потока, м/с;

V, - радиальная составляющая скорости потока дисперсионной среды, м/с;

- тангенциальная составляющая скорости потока дисперсионной среды от стенки аппарата до радиуса , м/с;

- радиус, до которого постоянна , м;

тангенциальная пульсационная составляющая скорости потока, м/с;

у'г- радиальная пульсационная составляющая скорости потока, м/с;

акор - ускорение Кориолиса, м/с ;

Ркор - сила Кориолиса, Н;

Гц - центробежная сила инерции, Н;

- сила сопротивления, Н; ГА - сила Архимеда, Н;

/?- коэффициент сопротивления Стокса, (кг-м)/с; /л - динамическая вязкость, Па/с; V - кинематическая вязкость, м2/с; К.е - критерий Рейнольдса; t - время, с;

Ер - степени турбулентности потока в тангенциальном направлении; ег - степени турбулентности потока в радиальном направлении.

ВВЕДЕНИЕ

В химической и других отраслях промышленности, энергетике для охлаждения различных сред в рекуперативных теплообменных аппаратах различной конструкции обычно используется в качестве холодного теплоносителя вода. Для повторного использования охлаждающей воды ее, в свою очередь, необходимо охладить. Охлаждение оборотной воды обычно проводят в градирнях или в аппаратах воздушного охлаждения.

При многократном прохождении оборотной воды по контуру: насосы теплообменные аппараты - трубопроводы - градирня (или аппараты воздушного охлаждения) - сборник - насосы - трубопроводы -теплообменные аппараты, в нее попадают различные механические примеси, кроме того, вода заиливается. Механические примеси отлагаются на теплопередающих поверхностях, что приводит к резкому снижению коэффициента теплоотдачи со стороны воды и, следовательно, к снижению коэффициента теплопередачи и количества отбираемого тепла от более горячего теплоносителя. Возможна так же забивка распыливающих устройств градирен.

Эффективность работы теплообменного оборудования может быть значительно повышена за счет удаления механических примесей из оборотной воды. Кроме того, очистка оборотной воды требуется не только для решения технологических, но и экологических проблем за счет исключения сброса воды, содержащей различные примеси.

Для разделения разбавленных суспензий, к которым относится и оборотная вода, может использоваться различное оборудование для гидромеханического разделения дисперсных систем.

Отстойники требуют значительных площадей, которые в принципе невозможно найти на действующих производствах. Сам процесс разделения неоднородных систем за счет силы тяжести малоэффективен. Интенсифицировать процесс разделения можно за счет использования различных полей, в первую очередь центробежного поля. Основное

оборудование, в котором разделение суспензий происходит под действием центробежной силы инерции - это центрифуги различных конструкций, сепараторы, гидроциклоны.

Центрифуги и сепараторы дороги, как в изготовлении, так и в эксплуатации. Наиболее часто для очистки оборотной воды, если она в принципе очищается, что бывает далеко не на всех предприятиях, используются фильтры различных конструкций с самыми разнообразными фильтровальными материалами. Однако и это оборудование дорого в изготовлении и эксплуатации, требует очистки и периодической замены фильтровальной поверхности.

Цилиндроконические гидроциклоны, несмотря на то, что обладают худшими показателями разделения, чем фильтры, центрифуги и сепараторы, нашли самое широкое распространение в промышленности за счет отсутствия движущихся частей, простоты конструкции, не высокой стоимости, удобства в эксплуатации, высокой производительности, малого потребления электроэнергии.

Цилиндроконические гидроциклоны впервые стали использоваться в горнорудной и угольной промышленности для проведения процессов обогащения, сгущения и классификации самых разнообразных по составу и свойствам пульп и суспензий. В последние годы эти аппараты находят все более широкое применение и в других отраслях промышленности. В зависимости от свойств разделяемой суспензии могут использоваться гидроциклоны с диаметром цилиндрической части от 10 до 1500 мм.

Для очистки оборотной воды, содержащей в основном мелкие частицы (менее 50 мкм) следует применять гидроциклоны малого размера с диаметром цилиндрической части не более 75 мм, но и для этой системы могут использовать цилиндроконические гидроциклоны достаточно широкого типоразмерного ряда.

Несмотря на большое количество методик расчета цилиндроконических гидроциклонов, разброс в конечных результатах, полученных при их использовании, составляет десятки, а иногда сотни процентов, что затрудняет правильный выбор конструктивных и режимных параметров работы цилиндроконических гидроциклонов, в первую очередь, для суспензий, содержащих тонкодисперсные фракции материала твердой фазы, в том числе и для оборотной воды.

Расчет цилиндроконического гидроциклона сводится к расчету общей производительности, производительности по осветленному и сгущенному продуктам и показателям разделения. По требуемой степени разделения выбирается в первом приближении типоразмер гидроциклона, далее по какой-либо из известных зависимостей рассчитывается общая производительность и перераспределение потоков между разгрузочными патрубками. Ошибка расчета может превышать 20%, однако это не существенно при эксплуатации гидроциклонов. Общая производительность при промышленной эксплуатации может быть доведена до расчетного значения изменением давления питания, а соотношение продуктов разделения подобрано за счет изменения диаметра нижнего (пескового) сменного насадка.

Гораздо сложнее обстоит дело с расчетом ожидаемых показателей разделения гидроциклона. Существует несколько подходов к их расчету. В первую очередь это эмпирические зависимости, полученные на основе теории подобия. Применимость таких формул ограничена областью, которая далеко не всегда приводится в литературе, в которой проводились экспериментальные исследования, при выходе за ее границы ошибка в расчетах может превышать иногда 100% .

Теоретический подход, построенный на основе стохастической модели разделительных процессов, включает, так называемый, коэффициент интенсивности случайных воздействий, который может быть найден только опытным путем и зависит, как от конструктивных, так и от режимных

параметров работы гидроциклона. Таким образом, область его применения также ограничена.

Наиболее перспективной представляется детерминированная модель, рассматривающая движение частицы в аппаратах центробежного принципа действия под влиянием основных сил. Обычно учитываются центробежная сила инерции, выталкивающая сила и сила сопротивления. В работах Д.А.Баранова и М.Г.Лагуткина с соавторами также учитывается ускорение частицы в радиальном направлении и сила Кориолиса.

Обычно цилиндроконические гидроциклоны работают с выходом двух продуктов - сгущенного (нижнего) и осветленного (верхнего), причем производительность по сгущенному продукту доходит до 10 - 15% от общей производительности гидроциклона.

При очистке оборотной воды может использоваться традиционная конструкция цилиндроконического гидроциклона, однако нижний продукт (сгущенным его можно называть только условно, так как концентрация нижнего продукта не велика) требует дальнейшей очистки, например, в отстойнике. Несмотря на необходимость дальнейшей очистки нижнего продукта гидроциклона, применение гидроциклона, несомненно, целесообразно, так как нагрузка на отстойник может быть уменьшена более чем в десять раз.

В литературе приведены данные по работе на разбавленных суспензиях цилиндроконических гидроциклонов с приемным бункером на нижнем сливе - аналог конструкции пылегазового циклона. Данную конструкцию представляется целесообразным использовать и для очистки оборотной воды, содержащей незначительное количество механических примесей.

На основании выше изложенного в работе были поставлены следующие задачи:

- проанализировать существующие подходы к расчету показателей

разделения цилиндроконических гидроциклонов;

- разработать на основе детерминированного подхода методику расчета ожидаемых показателей разделения цилиндроконического гидроциклона с учетом гидродинамических характеристик потока;

- провести экспериментальный анализ возможности применения цилиндроконического гидроциклона с приемным бункером для очистки оборотной воды;

- разработать на основе детерминированного подхода методику расчета снижения концентрации механических примесей в оборотной воде с использованием установки цилиндроконических гидроциклонов с приемным бункером.

Научную новизну представляют:

1. Результаты экспериментальных исследований на разбавленной суспензии показателей разделения цилиндроконического гидроциклона с приемным бункером.

2. Полученная аналитически с учетом гидродинамических характеристик потока расчетная зависимость для определения граничного зерна разделения малоконцентрированных суспензий в цилиндроконических гидроциклонах.

3. Полученная аналитически зависимость для расчета снижения во времени концентрации механических примесей в оборотной воде при подаче части ее на гидроциклон с приемным бункером.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработана методика расчета снижения концентрации механических примесей в оборотной воде при ее очистке в гидроциклонах с приемным бункером. В целом результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке установок для очистки оборотной воды с использованием традиционных цилиндроконических гидроциклонов и цилиндроконических гидроциклонов с приемным бункером на нижнем сливе.

2. Полученная расчетная зависимость для расчета граничного зерна разделения может быть использована при расчете показателей разделения цилиндроконических гидроциклонов широкого спектра типоразмеров при изменении давления питания в большом диапазоне.

3. Результаты работы планируются к внедрению на предприятиях группы компаний ФосАгро, в частности на ОАО «Череповецкий» «Азот» (г. Череповец) и ОАО «Апатит» (Мурманская обл. г. Кировск).

В работе защищаются:

1. Результаты экспериментальных исследований на разбавленной суспензии показателей разделения цилиндроконического гидроциклона с приемным бункером.

2. Полученная аналитически с учетом гидродинамических характеристик потока расчетная зависимость для определения граничного зерна разделения цилиндроконических гидроциклонов любого типоразмера.

3. Методика расчета снижения концентрации механических примесей в оборотной воде с использованием установки цилиндроконических гидроциклонов с приемным бункером.

Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам имени профессора Я.В.Самойлова» с использованием лабораторных стендов кафедры «Автоматизированное конструирование машин и аппаратов» Московского государственного университета инженерной экологии.

Автор благодарит за большую научно-методическую помощь, поддержку и консультации на всех этапах работы научного руководителя доктора технических наук, профессора Лагуткина Михаила Георгиевича, кафедру АКМА МГУИЭ за предоставленную возможность проведения экспериментальных исследований.

Глава 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К РАСЧЕТУ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ЦИЛИНДРОКОНИЧЕСКИХ

ГИДРОЦИКЛОНОВ

Гидроциклоны выгодно отличаются от других аппаратов центробежного типа малыми размерами, простотой конструкции и удобством в эксплуатации, сравнительно низкой стоимостью, отсутствием движущихся частей. Основным недостатком этих устройств, при разделении суспензий, является довольно высокое содержание жидкой фазы в сгущенном продукте (как правило, не менее 30 - 40 %), малая эффективность выделения мелких частиц (менее 10 мкм), что приводит к загрязнению осветленного продукта. Исследованию расходных характеристик, разделяющей способности этих аппаратов, их гидродинамики, разработке методик расчета технологических параметров посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов [1, 2, 3, 5, 6, 9, 10- 15, 19, 20 - 23, 25, 26, 40, 42, 45, 48, 50 - 56, 59 - 62, 64, 65, 67,

68, 69-75,77-93].

Наиболее широкое использование в промышленности для разделения суспензий получили цилиндроконические гидроциклоны. Одна из конструкций таких аппаратов представлена на рис. 1.1 Гидроциклон состоит из цилиндрической части