автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разделение малоконцентрированных волокнистых суспенизй в гидроциклонах

РГб од

~3 я и в 20С1

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

На правах рукописи УДК 621.928.37

БАЛАХНИН ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗДЕЛЕНИЕ МАЛОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ВОЛОКНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ В ГИДРОЦИКЛОНАХ

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Дзержинском филиале^ Нижегородского государственного технического университета на кафедре «Машины и аппараты химических и пищевых производств»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Пронин Алексей Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Баранов Дмитрий Анатольевич

доктор технических наук, доцент Ефремов Герман Иванович

Ведущая организация:

АО ДзержинскНИИХИММАШ, г.Дзержинск

Защита диссертации состоится «.

30 » ¿1^' [

час. на

заседании диссертационного совета по присуждению ученой степени кандидата технических наук К 063.44.04 в Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 107884, ГСП, г.Москва, Б-66, ул.Старая Басманная, д.21/4, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ.

Автореферат разослан « ен^глД^ 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

О.В. Пирогова

А АЛА.б-Л-О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Во многих отраслях промышленности, в частности в химической, целлюлозно-бумажной, пищевой, текстильной и др., для разделения волокнистых суспензий с целью очистки оборотных и сточных вод или извлечения ценных волокон все большее распространение получают гидроциклоны. Благодаря простоте конструкции, надежности и удобству в эксплуатации, высокой удельной производительности и компактности эти аппараты успешно работают совместно, а иногда и полностью замещают родственное осветлительно-сгустительное и классификационное оборудование.

Однако, промышленное использование гидроциклонов для разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий опережает комплексное исследование разделительного процесса в этих аппаратах. На практике это приводит порой к аномальным закономерностям. Известно, что увеличение абсолютных размеров частиц твердой фазы суспензии, разделяемой в центробежном поле гидроциклона, должно приводить к увеличению эффективности сепарации. Это подтверждается многочисленными опытами и промышленными испытаниями при разделении суспензий, содержащих сферические или квазисферические твердые частицы. Но при разделении суспензии, состоящих из волокон, это правило выполняется лишь для относительно коротких волокон, а при превышении определенной длины эффективность их сепарации резко снижается. При этом известны случаи, когда увеличение размера гидроциклона приводило к увеличению эффективности сепарации волокон вопреки снижению интенсивности центробежного поля, о чем свидетельствуют работы таких исследователей как М.Г. Реусов, A.B. Акопов, В.А. Диков, G. Kemp, H.F. Ranee, G.H. Nuttall, I.F. Hendry.

Очевидно, что причиной такого аномального поведения частиц является их форма. Кроме того, пространственная ориентация волокон внутри гидроциклона также оказывает существенное влияние на эффективность их сепарации. Тем не менее эффект пространственной ориентации волокон в турбулентном закрученном потоке, имеющий место в жидкостных вихревых аппаратах, в настоящий момент исследован крайне мало. Практически отсутствуют надежные методики расчета эффективности центробежной сепарации волокон в гидроциклонных аппаратах.

Таким образом, задачи исследования поведения волокон различных размеров внутри гидроциклона и влияния на эффективность их сепарации основных конструктивных и технологических факторов являются весьма актуальными. Создание методики расчета гидроциклонных аппаратов для разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий, а также разработка рекомендаций по конструированию гидроциклонов для этой цели весьма актуально для эффективного промышленного использования этого оборудования.

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических и пищевых производств» Дзержинского филиала Нижегородского государственного технического университета в соответствии с государственной научно-технической программой

«Экологически безопасные процессы химии и химической технологии» (проект № 486).

Целью работы является исследование основных закономерностей поведения волокон при их сепарации в гидроциклонных аппаратах и разработка на основании этих исследований методики расчета эффективности разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий в гидроциклонах, а также рекомендаций по их конструированию.

Научную новизну работы представляют:

- экспериментальные исследования эффекта пространственной ориентации цилиндрических волокон в вихревой камере и цилиндрокоиическом гидроциклоне, уточнение математической модели пространственной ориентации неизометрических частиц в турбулентных закрученных потоках применительно к цилиндрическим волокнам, а также впервые полученные расчетные зависимости для определения углов ориентации волокон в жидкостных вихревых аппаратах;

- результаты исследования влияния на эффективность разделения волокнистых суспензий основных конструктивных и технологических параметров и предложенные вероятностные зависимости выхода критически длинных волокон через нижний патрубок гидроциклона;

- результаты экспериментального исследования размеров воздушного столба в гидроциклоне и формулы для расчета диаметра воздушного столба внутри гидроциклона и в его выходных отверстиях;

- методика расчета эффективности разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий в гидроциклонах.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Результаты экспериментальных, ■ теоретических и опытно-промышленных исследований послужили основой для разработки методики и программы машинного счета эффективности разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий в гидроциклонах для конструирования отдельных элементов гидроциклонных аппаратов. Это позволило решить ряд промышленных задач и реализовать результаты работы на практике.

На базе Дзержинского филиала НГТУ были проведены опытные исследования по извлечению волокнистого биологического препарата из маточного раствора опытно-промышленной установки, разработанной во Всероссийском институте защиты растений (г.Санкт-Петербург). В результате чего установка была модернизирована путем замены отстойного оборудования на гидроциклон типа ТВП-25. Это позволило повысить эффективность разделения, снизить занимаемые установкой площади и обеспечить непрерывность рабочего процесса.

Разработанная программа машинного счета передана Государственному научно-исследовательскому институту химических продуктов (г.Казань) для проектирования гидроциклонных установок очистки оборотных и сточных вод в производствах нитроцеллюлозы. С помощью программы производится расчет многих ожи-

даемых параметров работы гидроциклонных аппаратов и подбор основных конструктивных и режимных параметров для обеспечения требуемой степени очистки. Результаты расчетов по программе хорошо согласуются с результатами промышленных испытаний.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (У8ТМ-96, Москва, 1996), 2-ой Нижегородской сессии молодых ученых (Н. Новгород, 1997), Школе по моделированию автоматизированных химико-технологических процессов (Новомосковск, 1997), 2- и 3-ей Всероссийских научно-технических конференциях «Методы и средства измерений физических величин» (Н. Новгород, 1997, 1998), региональном семинаре «Экологические проблемы Верхне-Волжского региона. Условия перехода к устойчивому развитию» (Иваново, 1997), Всероссийской научной конференции «Современные технологии текстильной промышленности» (Текстиль-97, Москва, 1997), 11-ой Международной научной конференции «Математические методы в химии и технологиях» (ММХТ-11, Владимир, 1998), 1-ой Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Н.Новгород, 1999), 3- и 4-ом Международных симпозиумах молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств» (Москва, 1999, 2000), Межрегиональной научно-технической конференции «Химическая промышленность: современные задачи техники, технологии, автоматизации, экономики» (Дзержинск, 1999), Международных конгрессахСН15А96, СН18А98 (Прага, 1996, 1998).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе статья в академическом журнале, 15 тезисов докладов на Всероссийских и Международных научных конференциях и конгрессах, отчет по государственной бюджетной научно-исследовательской работе.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка использованных источников, включающего 156 наименований. Работа изложена на 170 страницах и содержит 75 рисунков, 26 таблиц и 7 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, научная новизна и практическая значимость, а также перечислены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу проблемы разделения волокнистых суспензий в гидроциклонах.

Дана классификация неизометрических материалов, где классу волокон отводится одно из трех основных мест наряду с пластинчатыми и квазиизометрическими телами. Подробно рассмотрены основные свойства химических и натуральных волокон и гидромеханические свойства суспензий на их основе. Отме-

чены особенности динамики волокон в ламинарных и турбулентных потоках, а именно наличие характерного ориентационного эффекта, проявляющегося в стремлении волокон расположиться вдоль линий тока несущей среды вследствие значительных градиентов скоростей. Анализируется влияние длины волокна на эффективность разделительного процесса. Высказывается гипотеза о причинах снижения эффективности сепарации длинных волокон, связанная с непрохождением критически длинных волокон через кольцевой зазор между воздушным столбом и стенкой гидроциклона в песковом насадке аппарата. Рассматриваются существующие методики расчета центробежной сепарации, учитывающие неизометричность частиц твердой фазы суспензий. При этом отмечается, что не одна из существующих методик расчета не учитывает пространственную ориентацию волокон внутри гидроциклона. Приводятся области применения и конструкции гидроциклонных аппаратов для разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий, их основные конструктивные соотношения, схемы их соединения и основные рабочие параметры.

Из анализа научно-технической литературы сделаны следующие выводы:

- гидроциклоны находят все большее применение при разделении волокнистых суспензий в различных отраслях промышленности благодаря ряду конструктивных и технологических преимуществ;

- в настоящее время практически отсутствуют данные о поведении волокон внутри гидроциклонных аппаратов, необходимых для разработки надежных и достоверных методик расчета ожидаемых показателей разделения;

- недостаточно полно исследовано влияние конструктивных и технологических факторов на эффективность разделительного процесса, в особенности длины волокон, что сдерживает эффективное внедрение гидроциклонов в промышленное производство;

- поскольку эффективность улавливания критически длинных волокон в гидроциклоне, по предположению, зависит от размеров воздушного столба, то для моделирования этого процесса необходимо знать соответствующие значения dQn\ также представляют интерес зависимости для расчета d0 в корпусе аппарата и в сливном патрубке;

- почти все существующие методики расчета эффективности разделительного процесса в гидроциклоне не учитывают пространственную ориентацию волокон и кризис сепарации, связанный с чрезмерной длиной волокон по отношению к размерам аппарата, поэтому использование этих методик приводит к значительным ошибкам;

Решению вышеперечисленных проблем, а также реализации результатов работы на практике посвящены следующие главы диссертации.

Во второй главе изложены результаты исследования пространственной ориентации цилиндрических волокон в турбулентных закрученных потоках.

Экспериментальные исследования проводились в прозрачных вихревых аппа-

ратах: цилиндрической вихревой камере диаметром 80 мм и цилиндроконическом гидроциклоне В= 75 мм. В качестве модельных использовались наборы монодисперсных капроновых цилиндрических волокон диаметром 0,1, 0,2, 0,4 и 0,8 мм и длиною 1, 2, 4, 8 и 16 мм.

Исследования основывались на видеосъемке волокон, движущихся внутри вихревых аппаратов при импульсном щелевом или полном освещении. Схемы съемки показаны на рис.1. Ввидеокамера фиксировала мгновенные положения волокон в радиальных и продольных сечениях аппаратов. В гидроциклоне съемка проводилась на 5 уровнях: двух в цилиндрическом корпусе на расстоянии 0,3 и 2 Б от сливной крышки и трех в коническом на расстоянии 3,9, 5,1 и 6,7 Б соответственно. В вихревой камере просвечивалось все внутреннее пространство. Концентрация дисперсной фазы в воде не превышала 0,03 % масс. (2-10 частиц на просвечиваемый объем), что исключало эффект их взаимного влияния.

2 / 4

4 /

Рис.1. Схемы видеосъемки: а- продольная; б и б - радиальная: 1- гидроциклон;

2- вихревая камера; 3- видеокамера; 4- стробоскоп; 5- насадка щелевая

Затем отснятые видеокадры преобразовывались в графические файлы, и дальнейший анализ полученного изображения производился на компьютере. Анализ каждого кадра заключался в определении оси гидроциклона (вихревой камеры), масштаба изображения, центра частицы, радиуса, на котором она находится, длины проекции частицы и проекции углов ориентации (рис.2).

По полученным данным определялись истинные углы ориентации частицы: угол в - угол между продольной осью волокна и его радиус-вектором в радиальной плоскости аппарата и угол % - угол отклонения оси волокна от радиусной плоскости.

Для каждого уровня съемки проводилась статистическая обработка не менее 100 волокон. Максимальная погрешность при определении углов в и х в зависимости от длины волокна составляла 11 % (для волокон длиною 1 мм) и 5,4 % (для волокон длиною 16 мм).

а б

Рис.2. Схемы графического анализа видеокадров, полученных при продольной (а) и радиальной (б) съемке

В результате опытов были получены графики зависимостей распределения углов ориентации волокон по радиусу и высоте гидроциклона (вихревой камеры). Пример распределения среднестатистических углов ориентации волокон диаметром 0,4 мм и длиною 1-16 мм приведен на рис.3.

Исследования подтвердили наличие ориентационного эффекта в турбулентном закрученном потоке: с уменьшением радиуса вращения, увеличением абсолютных размеров волокон и их относительной длины стремление к ориентации волокон своей осью вдоль линий тока жидкости увеличивается.

В работе предлагается корректировка математической модели пространственной ориентации неизометрических частиц в турбулентных закрученных потоках, разработанной д.т.н. A.A. Ивановым, применительно к ориентации цилиндрических волокон.

В результате математического моделирования А.А.Ивановым была получена зависимость синуса среднестатистического угла в от ориентационного параметра В и относительного удлинения частицы р (1). Параметр В представляет собой отношение ориентирующих сил, действующих на частицу со стороны потока, имеющего градиент скорости, и дезориентирующего воздействия турбулентности.

-В

_ \е

sind =4—

2р

Р2-1

xdx

■, где В =

1

Je

о

-в

2р

рвр(р2 -1 )Ч5Г2 2p(p2+\)2ll

(1)

dx

2

0Д> 90 град

75 60 45 30 15 0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 г/И

Рис.3. Распределение средних углов ориентации волокон диаметром 0,4 мм и длиной 1-16 мм по радиусу гидроциклона

// /// 'У/ \ А

/// i /// ó -<'/У • - 1x0,4 о-2х0,4 ■ - 4x0,4 з - 8x0,4 i - 16x0,' / г' \

0 W

\ ■ / / / i X

1 ás 1 Í I

воздуш — J " ный столб -

Нами предложена замена тождественного значения относительного удлинения частицы, входящего как в параметр В, так и самостоятельно в уравнение (1), на эквивалентное, как более реально описывающее геометрические параметры волокна вращающегося в закрученном турбулентном потоке жидкости. Связь между тождественным и эквивалентным относительным удлинением выражается зависимостью:

рэ =1,157/>

f \0,5

1 0,447 + -

(2)

у

1пр (1п р)2

В результате этой корректировки расхождение между теоретическими значениями этЯ и экспериментальными данными (рис.4) уменьшилось. Получена аппроксимационная зависимость (3) вида

0,5

sin 0 = 0,5+-'——. (3)

1+ 1ЛВ-0'45

Зависимость (3) использовалась в методике расчета эффективности разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий в гидроциклонах при расчете траектории движения волокон.

В результате обработки экспериментальных данных в переменных (sin %, В) впервые получена зависимость (4) для определения второго пространственного угла

ориентации цилиндрических волокон в гидроциклоне (рис.5).

0,384

бш х= 0,259 +

1 +0,0465 °'7

1,0

5\ах

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

• •

в

Ю"2 10° 102 10" ю6 ю8

10'2 10° 102 10" 106 10'

Рис. 4. Статистическое распределение Рис.5. Статистическое распределение

синуса угла в по параметру В: точки - синуса утла х по параметру В: точки -

эксперимент; линии - расчет: 1 - по (1), эксперимент; линии - расчет по (4) 2 - аппроксимационная по (3)

Отснятые видеокадры позволили помимо распределения углов ориентации получить картину массового распределения волокон внутри гидроциклона. При этом наблюдалась качественное отличие в распределении коротких волокон, удаляемых через нижнее отверстие гидроциклона, и длинных волокон, удаляемых через верхнее сливное отверстие (рис.6). Длинные волокна (длиною 8 мм), двигаясь к нижнему разгрузочному отверстию, переходят из нисходящего в восходящий поток. Эффективность их сепарации гораздо меньше, чем эффективность улавливания коротких волокон (4 и 2 мм): 5,66 % против 100 %.

Третья глава посвящена исследованиям размеров воздушного столба в гидроциклоне.

Для определения диаметра воздушного столба в гидроциклоне также использовался метод видеосъемки в импульсном освещении, с последующим анализом полученного изображения на компьютере. Диаметр столба в корпусе аппарата ис-

1>1

Ь2

Ьз

ь4

и

1

100 г

75 -

50 -

25 ■ 1

0 0,5 1,0

тт.

1

Рис.6. Профили количественного распределения волокон диаметром 0,4 мм по высоте и радиусу гидроциклона. Длина волокон: а - 8 мм (£=5,66 %); б - 4 мм (£=100 %); в - 2 мм (£=100 %)

следовался на тех же 5-ти уровнях, что и в опытах при определении пространственной ориентации, а также в сливном и песковом патрубках.

В результате были получены формулы для расчета диаметра воздушного столба внутри корпуса гидроциклона и в его выходных отверстиях в виде:

¿0 = ¿с.

¿Осл ~ ¿с.

Г 9 \

1 + 0.5А2 0,8

1 + 2 ДА

1 + 0Д5Аг

1 +1,4 Л

0,9

(5)

(6)

¿Оп = ¿г

( ->\ 1 + 0,25Д

1 + 0,8Л0,9

(7)

где Л =0Д29

¿«(Я"*«)

-1,58

Х>

032

{(82а)

г02

По полученным формулам обсчитывались как собственные экспериментальные данные, так и данные других исследователей. Отклонения по формуле (5) составили ¿ср= -0,71 %, <5макс =15,62 %, сг=7,63 %. При обсчете по известным формулам других авторов собственных экспериментальных данных и данных других авторов формула (5) также давала в целом наилучшие результаты. Отклонения <5ср ,

<5 макс > а формул (6) и (7) составили соответственно -1,55 и -0,21,12,75 и 3,69,6,41 и 2,92 %. Интервалы, в которых проверялись формулы (5)-(7): />=30-350 мм, Рвх=0,025-0,3, ¿4Д>=0,043-0,353,4-/0=0,08-0,4, Й?„/£Н),043-0,267,1Ц/1Н),229-3, а =8-39

Расчетные формулы (5) и (7) в дальнейшем использовались при моделировании эффективности сепарации критически длинных волокон и в методике расчета эффективности разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий в гидроциклонах.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований центробежной сепарации волокон различной длины и диаметра в гидроциклонах. Предложена модель, объясняющая кризис сепарации критически длинных волокон.

Эта модель касается тех волокон, которые под действием центробежной силы выделились на стенку аппарата и двигаются вместе с нисходящим периферийным потоком. Но, дойдя до пескового насадка, эти волокна не удаляются из него, а подхваченные восходящим потоком, выходят из гидроциклона через верхнее сливное отверстие.

Проблема снижения эффективности сепарации длинных волокон заключается в том, что с увеличением длинны волокна оказываются слишком большими, чтобы покинуть гидроциклон через нижнее разгрузочное отверстие. Кольцевой зазор между стенкой аппарата и воздушным столбом оказывается слишком малым, чтобы ориентированное определенным образом длинное волокно беспрепятственно прошло через него. Поэтому критически длинные волокна, не пройдя через нижнее отверстие, подхватываются восходящим внутренним потоком и удаляются через сливное отверстие.

В качестве комплексного параметра, влияющего на выход критически длинных волокон через нижнее отверстие, предлагается соотношение длины волокна к длине хорды, касательной к поверхности воздушного столба в сечении на уровне пескового отверстия (рис.7). Длина хорды определяется с учетом диаметра пескового

отверстия, диаметра воздушного столба и диаметра волокна по формуле:

1х=Н-Уоп+2<1в)2 • (8)

Рис.7. Схема прохождения длинных волокон через песковое отверстие в гидроциклоне

Согласно предложенной модели полагается, что волокна длиной менее /х свободно выходят через нижнее отверстие, а волокна длиной больше, чем 2/х полностью не проходят через него. Волокна длиной 1< /х < 2 лишь частично удаляются из нижнего отверстия. В соответствии с этим вероятность удаления волокон различной длины имеет вид:

Ж(1в/1Х) = 1, при /в//х < 1, 2

^(/в//х) = -агс5т(2(/, Пв)-\), при 1</в//х <2, (9)

п

1¥(1в/1х)= О, при 1Л >2.

На основе параметра А = 1В/!Х формулируется само понятие «критически длинное волокно», т.е. волокно для которого А< 1, тесно связанное с размерами конкретного гидроциклона. В связи с этим для одних гидроциклонов (большого диаметра) длинное волокно не является критическим, и эффективность сепарации в них зависит лишь от интенсивности центробежного поля. Для других гидроциклонов (малого диаметра) это волокно становится критически длинным и сепарация в большей степени зависит от параметра/!.

В главе приведены экспериментальные данные по сепарации волокон разных размеров в ряде гидроциклонов при широком интервале варьирования конструктив-

ных и режимных факторов. Сопоставление полученных данных с результатами расчета по предложенной модели, свидетельствует об их удовлетворительной корреляции (рис.8).

Е,%

Рис.8. Зависимость эффективности разделения от относительной длины волокон: линия - расчет, точки - эксперимент

Предложенная модель учтена при разработке методики и программы расчета эффективности разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий в гидроциклоне.

В пятой главе излагается методика расчета эффективности разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий в гидроциклоне, а также результаты расчета по ней.

Методика основывается на детерминированном подходе к расчету разделительного процесса, заключающегося в пофракционном расчете предельных траекторий частиц узких фракций, разграничивающих выходные потоки. В радиальном направлении рассматривается движение волокна под действием центробежной силы, выталкивающей силы и силы сопротивления потока:

7а& с!У„г , ч тпй Уф РвРе / =-{рв-р)ре-Г-— + Рс , (10)

6 ат 6 г

где сила сопротивления при условии, что радиальное движение волокна происходит в

вязком режиме, определяется по формуле (10) с учетом разности радиальных

скоростей частицы и жидкости:

Fc = 3n/jde(Vr - Ver ){ga cos2 6 + gb sin2 в). (11)

Для определения поля скоростей внутри гидроциклона за основу взято решение системы уравнений Навье-Стокса и неразрывности потока, предложенное д.т.н. А.А.Ивановым. Для расчета коэффициентов сопротивления да и , зависящих от расположения эквивалентного эллипсоида по отношению к потоку (вдоль потока и поперек него соответственно), а так же от отношения его полуосей р,

используются известные зависимости

*-7-____

3 (2р2 -1)1п Ре+4р2е \-РеЫ

_ __%(Ре ~ I)''5

=~7-

(2 р2е - Ъ)\п[ре + lj + ре^р2е-\

3

(13)

\ V /

Утоп в определяется на каждом шаге расчета траектории движения волокна. В том случае, когда центробежная эффективность сепарации крупных фракций оказывается равной 100 %, то проверяется условие (9) и корректируется фракционная эффективность с учетом критически длинных волокон.

В соответствии с изложенной методикой написана программа машинного счета, с помощью которой после ввода исходных данных (геометрические размеры гидроциклона, фракционный состав волокнистой суспензии и другие режимные факторы) рассчитываются прогнозируемая эффективность разделения, фракционные составы сгущенного и осветленного продукта, производительность всего аппарата и соотношение выходных потоков, скорости среды в аппарате, диаметры воздушного столба внутри аппарата и в его выходных отверстиях, коэффициент гидравлического сопротивления аппарата, а также рекомендуется количество гидроциклонов, в том случае, если исходная производительность по разделяемой суспензии превышает производительность одного гидроциклона.

Результаты расчета по программе показывают хорошую сходимость как с собственными экспериментальными данными, так и данными других исследователей, проводимых в широких интервалах варьируемых конструктивных и технологических параметров: <5^ = 0,65 %, ¡5макс =19,79 %, а =4,09 %. Сопоставление проводилось в

интервалах: 0=25-80 мм, Рвх=0,05-0,53, </вх/£И),15-0,35, <4Д>=0,15-0,4, с/П/с/С1,=0,17-1, ¿цЯ>=0,25-2,5, а =5-25

Шестая глава посвящена разработке рекомендаций по конструированию отдельных элементов гидроциклонных аппаратов для разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий и промышленному внедрению разработанных гидро-

циклонов, а также программы их расчета.

В частности сформулированы рекомендации по выбору размера пескового отверстия гидроциклона предварительной очистки в батарейных гидроциклонных аппаратах для предотвращения забивки Песковых патрубков единичных модулей. Проведены эксперименты на промышленных волокнистых суспензиях и предложена модернизация пластмассовых гидроциклонов, выпускаемых Дзержинским филиалом НГТУ, за счет увеличения длины цилиндрической части аппарата с 2£) до 4,51). Благодаря увеличению длины цилиндрической части аппарата повышается эффективность разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий, увеличивается производительность аппарата и снижается его гидравлическое сопротивление.

Разработанный гидроциклон ТВП-25 успешно испытан и внедрен в установке по производству волокнистых биологических препаратов во Всероссийском институте защиты растений (г.Санкт-Петербург). Разработанная программа машинного счета передана государственному научно-исследовательскому институту химических продуктов (г.Казань) для проектирования гидроциклонных установок очистки оборотных и сточных вод в производствах нитроцеллюлозы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Экспериментально исследован эффект пространственной ориентации волокон в жидкостных вихревых аппаратах. Уточнена математическая модель пространственной ориентации неизометрических частиц в турбулентных закрученных потоках применительно к цилиндрическим волокнам. Получены расчетные зависимости для определения углов ориентации волокон в жидкостных вихревых аппаратах.

2. Экспериментально исследован процесс разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий в гидроциклоне. Предложена вероятностная зависимость для расчета выхода критически длинных волокон через песковое отверстие гидроциклона.

3. Проведено экспериментальное исследование влияния конструктивных и технологических параметров на размеры воздушного столба внутри гидроциклона и в его выходных отверстиях. Получены формулы для расчета диаметра воздушного столба.

4. Разработана методика и программа машинного счета эффективности разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий в гидроциклонах.

5. На основе проведенных исследований предложена модернизация пластмассовых гидроциклонов Дзержинского филиала Нижегородского государственного технического университета для разделения волокнистых суспензий путем увеличения их цилиндрической части до значения 4,51). Предложены рекомендации по выбору диаметра пескового отверстия гидроциклона предварительной очистки для батарейных аппаратов с гидроциклоном предварительной очистки.

6. Разработанный гидроциклон внедрен в действующем производстве волокнистых биопрепаратов. Программа машинного счета передана ГосНИИХП для проектирования гидроциклонных установок очистки оборотных и сточных вод в производствах нитроцеллюлозы.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

A=ljl% - параметр относительной длины волокон; а, b — большая и малая полуоси эллипсоида вращения; В — ориентационный параметр; D, d — диаметр; Е -эффективность сепарации; FQ - сила сопротивления; L, I - длина; N - количество волокон; Рвх - входное давление; p=a/b=l/d - относительное удлинение эллипсоида или цилиндра; рс - эквивалентное относительное удлинение цилиндрического волокна; R, г - радиус; V - скорость; W - вероятность; а - половинный угол конуса гидроциклона; A=dn/dCJI - разгрузочное отношение; Scp, S^^ - среднее и максимальное относительное отклонение; £ - коэффициент сопротивления; О, Z ' углы пространственной ориентации волокна; <р - угол вращения волокна; А - параметр закрутки потока; pi - коэффициент динамической вязкости жидкости; р - плотность; а - среднеквадратичное отклонение; г - время;

ИНДЕКСЫ

в - волокно; вх, сл, п - входной, сливной и песковой патрубки; е -эквивалентное значение; и - изображение; макс - максимальное значения; о -воздушный столб; ср - среднее значение; ц - цилиндрическая часть корпуса аппарата.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Иванов A.A., Балахнин И.А., Суханов Д.Е. Пространственная ориентация неизометрических частиц в вихревой камере. // Журн. прикл. химии.- 1999,- Т.72.-№ 1.- С.120-124.

2. Иванов A.A., Балахнин И.А. Модель сепарации волокнистых суспензий в гидроциклонах // Тез. докл. Школы по моделированию автоматизированных химико-технологич. процессов. Новомосковск.- 1997.- Т.1. - С. 51.

3. Иванов A.A., Балахнин И.А. Очистка сточных вод от волокнистых и пластинчатых взвесей в гидроциклонах // Тез. докл. регионального семинара «Экологические проблемы Верхне-Волжского региона. Условия перехода к устойчивому развитию». Иваново.- 1997. - С. 84.

4. Иванов A.A., Басков И.Г., Балахнин И.А., Добротин С.А. Автоматизированная обработка данных при исследовании динамики неизометрических частиц // Тез. докл. 11-ой Междунар. научн. конф. «Математические методы в химии и техно-

логиях» (ММХТ-11). Владимир,- 1998.- Т. 3.- С. 23.

5. Иванов A.A., Добротин С.А., Басков И.Г., Балахнин И.А. Метод регистрации и компьютерного анализа пространственной ориентации неизометрических частиц в потоке жидкости или газа // Тез. докл. 3-ей Всеросс. научно-технич. конф. «Методы и средства измерений физических величин». Н. Новгород. - 1998. С.47.

6. Ivanov A.A., Balakhnin I.A., Pronin A.I. The orientation effect in a hydrocyclone // CHISA-98, 13-th IntCongr. of Chemical and Process Engineering. Aug.23-28.- 1998.-Prague, Czechia.- Ref. 0466, Paper № 3.209.

7. Балахнин И.А., Королев H.A. Влияние размеров и формы частиц на их сепарацию в центробежном поле гидроциклона // Тез. докл. 3-го Междунар. симпозиума молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств». Москва. -.1999. -.С. 4.

8. Балахнин И.А., Королев H.A. Экспериментальное исследование пространственной ориентации неизометрических частиц в цилиндроконическом гидроциклоне // Тез. докл. Межрегион, научно-технич. конф. «Химическая промышленность: современные задачи техники, технологии, автоматизации, экономики». Дзержинск. - 1999. -С. 81-82.

9. Балахнин И.А., Королев H.A. Особенности очистки сточных вод от длинноволокнистых частиц в гидроциклоне // Тез. докл. 4-го Междунар. симпозиума молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств». Москва.- 2000. - С. 13-14.