CC BY
86
УДК 621.928.37
А. В. Лесин, С. И. Валеев, В. А. Булкин ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ И ЭМУЛЬСИЙ В ГИДРОЦИКЛОНАХ
Ключевые слова: гидроциклон, конструкция, эмульсия, суспензия.
Исследованы перспективы развития разделения суспензий и эмульсий в гидроциклонах. Рассмотрены новые разработки в этой области, а также представлены собственные. Обнаружено, что основное влияние на поведение капель в гидроциклоне оказывает турбулентная составляющая.
Keywords: hydrocyclone, design, emulsions, suspensions.
We studied the prospects of development of the division of suspensions and emulsions in hydrocyclones. Some new developments in this area and presented their own. It was found that the main influence on the behavior of droplets in a hydrocyclone has a turbulent component.
В последние годы гидроциклоны находят все более широкое применение во всех отраслях народного хозяйства [1]. Гидроциклоны, по сравнению с другими устройствами для механической очистки воды, отличаются высокой производительностью, компактностью, экономичны в изготовлении и эксплуатации
Гидроциклон - аппарат, предназначенный для обесшламливания, сгущения шламов и продуктов флотации, осветления оборотных вод, классификации рудной пульпы в стадиях тонкого измельчения в замкнутом цикле с шаровыми мельницами и обогащение тонких фракций угля и руды в водной среде и тяжелых суспензиях в центробежном поле, создаваемом в результате вращения пульпы. В последнее время все чаще в технологии обогащения применяют кластер гидроциклонов, что позволяет существенно повысить производительность по потоку, при сохранении тонкости классификации, а также снизить давление пульпы в питании кластера и соответственно уменьшить потребляемую мощность питающих пульповых насосов.
Применение гидроциклонов вследствие их небольшой стоимости позволяет сократить затраты на строительство и эксплуатацию сооружений для предварительного осветления воды. Если говорить проще, то гидроциклон это своего рода сепаратор, который выполняет работу при помощи действия центробежных сил.
Гидроциклоны различных конструкций для гидромеханического разделения дисперсных систем нашли широкое применение в химической нефтехимической и нефтеперерабатывающей пищевой промышленности, а также в очистных сооружениях [2]. Расчет и проектирование гидроциклонных аппаратов для разделения неоднородных гетерогенных систем, определение оптимального режима эксплуатации возможны только на основе знания поведения разделяемых систем в рабочей зоне устройства. Основное влияние на поведение капель в гидроциклоне оказывает турбулентная составляющая [2]. Таким образом, располагая данными по гидродинамике гидроциклонов, можно определить локальные значения касательных напряжений в любой точке объема аппарата.
Только в последние годы гидроциклоны внедряют в производство для разделения несмешивающихся жидкостей (например, для воды от нефтепродуктов), вытесняя в некоторых случаях отстойники, фильтры и центрифуги. Это связано с более сложным по сравнению с суспензиями механизмом процесса разделения, а также отсутствия достаточно точных методов расчета конструктивных и технологических параметров. Основной трудностью процесса разделения эмульсий по сравнению с суспензиями является значительно меньшая разница плотностей компонентов, составляющих систему, что требует большего времени разделения. Однако большинство известных гидроциклонов для разделения эмульсий мало чем отличаются от гидроциклонов для разделения суспензий, тем не менее, некоторые конструктивные изменения просматриваются.
Так, например, [4] для разделения жидких неоднородных систем в химической и нефтеперерабатывающей промышленности, а также для очистки нефтесодержащих жидкостей, гидроциклон содержащий корпус с
тангенциальным входным, сливным патрубками, камеру сбора флотопродуктов, цилиндрический стакан и лопастной развихритель, установленный соосно сливному патрубку во флотационной камере, отличающийся тем, что к цилиндрическому стакану с лопастными развихрителем примыкает соосно полый цилиндр, сообщенный верхним основанием с камерой сбора флотопродуктов. При этом боковая поверхность цилиндра перфорирована, образуя, таким образом, цилиндрическую решетку, причем диаметр отверстий уменьшается сверху вниз от 10 до 0,01 мм, внутренняя полость цилиндра выполняет функцию флотационной камеры, в нижней конусообразной части гидроциклона соосно с ним установлена полая вставка каплевидной формы, закрепленная на трубе, соосной песковому патрубку, на выходе которого установлен отбойник, имеющий форму усеченного конуса, снабженного внутренней резьбой, соответствующей резьбе на конце трубы, выходящем из пескового патрубка, что обеспечивает возможность перемещения отбойника вдоль трубы.
Рис. 1 - Гидроциклон: корпус 1, тангенциальный входной патрубок 2, сливной патрубок 3, кольцевой песковой патрубок 4, полый цилиндр 5, камера сбора флотопродуктов 6, камера сбора 7, стакан 8, развихритель 9, камера сбора 10, каплевидная вставка 11, внутренняя резьба отбойника 12, внутренняя резьба отбойника трубы 13
Для очистки нефти, поступающей в качестве рабочего тела в струйный насос, применяется гидроциклон рис. 2,3 [3], содержащий корпус с входным тангенциальным вводом и приемной трубой, снабженной насадкой с окнами, отличающейся тем, что в нижней части корпуса перпендикулярно оси выполнено отверстие, при этом гидроциклон снабжён цилиндроконусом, установленным в указанном отверстие и зафиксированным трубой-отстойником, причем приемная труба сообщается со струйным насосом, аокна приемной трубы выполнены в виде щелей, расположенных вдоль ее образующей, с шириной не более диаметра сопла и площадью всех щелей, превышающей площадь приемной трубы больше чем в 2 раза, при этом насадок приемной трубы снизу закрыт конусом, установленным вершиной вниз, с углом конусности, совпадающей с конусностью цилидроконуса.
Альтернативой сложных конструкций для разделения несмешивающихся жидкостей является гидроциклон с удлиненным верхним сливным патрубком [1].
Исследуемый гидроциклон имел следующие геометрические размеры (рис.4.): длина гидроциклона (в данном случае равняется высоте цилиндрической части) - 350 мм, два диаметрально противоположно расположенных нижних сливных патрубка, эквивалентный диаметр которых равнялся 11 мм, диаметр верхнего сливного патрубка составлял 4 мм, высота погружения верхнего сливного патрубка (Исл) равнялась 300 мм [1].
Рис. 2 - Гидроциклон
Рис. 3 - Гидроциклон: корпус 1, отверстия 2, цилиндроконус 3, труба - отстойник 4, ввод 5 приемная труба 6, насадка 7, щель 8, конус 9
ЕГГЗ
(
ггтттз
и
Ьь.сл
Рис. 4 - Гидроциклон
Не смотря на то, что конструкция и принцип работы гидроциклона была описана и
разработана около 100 лет назад, основные принципы работы не изменились. Гидроциклонные аппараты зарекомендовали себя простыми и недорогими аппаратами высокой эффективности. Степень необходимости и актуальности этого аппарата высока и на сегодняшний день. Именно поэтому его исследования ведутся по сей день, и разрабатываются новые модели.
Литература
1. Валеев С.И. Очистка сточных вод в гидроциклонах систем оборотного водоснабжения : дисс.к.т.н / С.И. Валеев. - КГТУ, Казань. 2000. С. 6-12.
2. Баранов Д.А. Принципы расчета и конструирования гидроциклонов для разделения эмульсий : автореферат. Д.А. Баранов М.,1996. С. 3-7.
3. Пат. 2393926 РФ, МПК В04С. Гидроциклон / Ф.С. Собачкин, К.А. Собачкин , А.Ф. Собачкин ; заявитель и патентообладатель Пинтюшенко А.Д. ;заявл.26.01.09 ; опубл. 10.07.2010. Бюл. № 19.
4. Пат. 2385190 РФ, МПК В04С. Гидроциклон / А.Н. Скворцов, А.Д. Пинтюшенко, В.К. Тучков, Л.Е.
Герцман.; заявитель и патентообладатель Пинтюшенко А.Д. ;заявл.05.03.08 ; опубл. 27.03.2010. Бюл. № 19.
5. Валеев С.И., Булкин В.А. Применение гидроциклонов для очистки сточных вод в системе оборотного водоснабжения // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т.16, № 15, С.294-296.
6. Валеев С.И., Верин Д.Ю., Булкин В.А. Экспериментальное определение гидродинамики цилиндрического гидроциклона для разделения эмульсий // В сборнике: Будущее науки-2014 Сборник научных статей 2-й Международной молодежной научной конференции, в 3-х томах. Курск, 2014. Т.1, с. 52-56.
7. Валеев С.И., Верин Д.Ю., Булкин В.А. Гидродинамика цилиндрического гидроциклона для разделения эмульсий с малым содержанием легких примесей // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т.17, № 6, С.142-143.
8. Верин Д.Ю., Валеев С.И., Булкин В.А. Гидродинамика цилиндроконического гидроциклона для разделения эмульсий с учетом эффективной вязкости // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т.15, № 15, С.117-119.
© А. В. Лесин - магистр гр. 224-М1.2 каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, alex-street@mail.ru; С. И. Валеев - к.т.н., доцент той же кафедры, vsi73@mail.ru; В. А. Булкин - д.т.н. профессор той же кафедры, bulkin_v_a@mail.ru.
© A. V. Lesin - Master group 224-M1.2 department "Machines and equipment of chemical plants" (MACP) KNRTU, alex-street@mail.ru; S. I. Valeev - Ph.D., assistant professor of MACP KNRTU, vsi73@mail.ru; V. A. Bulkin - Dr. Professor of MACP KNRTU, bulkin_v_a@mail.ru.
