Экспериментальное определение разделительной способности гидроциклона Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 536.24.01

М. Р. Хабибуллин, В. А. Фафурин ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ

ГИДРОЦИКЛОНА

Приведены результаты исследования разделительной способности ма-лоразмерного конического гидроциклона. В качестве рабочих смесей использовались двухкомпонентная среда, состоящая из воды и песка, а также пластовые воды товарного парка нефти.

В проточной части конического гидроциклона реализуется сильно закрученное течение [1]. При этом на стенках конуса образуется пограничный слой, в котором имеется, кроме радиальной и тангенциальной составляющих скоростей, составляющая в направлении образующей конуса. Указанное вторичное течение в пограничном слое переносит жидкость к вершине конуса, что приводит к удалению твердых частиц из гидроциклона [21.

С целью опытной оценки разделительной способности малоразмерного гидроциклона был создан гидродинамический стенд, схема которого приведена на рис.1.

Рис. 1 - Схема стенда Рис. 2 - Конструктивные размеры

гидроциклона

Стенд состоял из бака, емкостью 250 литров, центробежного насоса 3. Измерение расхода осуществлялось ротаметром 6 марки РС7. Перед основными экспериментами ротаметр тарировался. В качестве образцового средства использовался мерник емкостью 5

литров первого разряда марки М1Р-5-01 № 647. Время налива фиксировалось секундомером с ценой деления шкалы 0.2 сек. С целью исключения промахов, результаты измерения, не попадающие в интервал ± Зет, исключались как промахи. В результате обработки опытных данных установлена следующая калибровочная зависимость для ротаметра:

0=0.0056п+0.03, л/с (1)

где О - расход, п - число делений ротаметра.

Манометр 7 МТП-160 класса 1.5 на одну атмосферу служил для контроля давления на входе в гидроциклон. Гидроциклон 9 являлся объектом исследования. Конструкция гидроциклона приведена на рис.2. Вентили 4 и 5 предназначены для регулирования расхода. Равномерное распределение дисперсной фазы по объему бака достигалось путем перемешивания мешалкой 2, приводимой в движение электродвигателем 1.

В экспериментах была использована замкнутая схема работы установки. При проведении лабораторных экспериментов в бак заливалось 100 литров воды и добавлялось определенное количество песка. После тщательного перемешивания полученная смесь центробежным насосом 3 закачивалась в рабочую магистраль. Исходная смесь подавалась по трубопроводу 8, вода с песком отводилась через нижний слив, а очищенная от песка вода через верхний слив обратно в бак. Расходы воды через сливы гидроциклона определялись по времени заполнения мерного сосуда объемом 1 литр. В процессе экспериментов производился отбор исходной жидкости из бака, а также из нижнего и верхнего сливов гидроциклона в объеме 200 мил-литров. Полученные таким образом смеси отстаивались в течение 12 часов. Отстоянная воды частично сливалась, а оставшаяся часть выпаривалась. Сухой остаток взвешивался вместе с сосудом на весах марки \VA33 № 40472 класса точности 2 и пределом измерения 0.0000199.9999. После взвешивания сосуд тщательно промывался, высушивался и снова взвешивался. По разности весов определялся выход твердых веществ.

Для расчета распределения частиц по размерам и концентрации дисперсной фазы с использованием предлагаемой методики необходимо знать распределение частиц по размерам в исходной смеси. При проведении лабораторных исследований это достигалось путем просева песка через калиброванные сита размером 63 мкм и 40 мкм. Распределение частиц по размерам в этом интервале было принято равномерным.

В нижеприведенном протоколе представлена опытная информация, полученная путем осреднения данных семи измерений, что обеспечило случайную ошибку в оценке среднего не превышающую двух процентов.

Протокол испытаний конического гидроциклона в лабораторных условиях

Исходная концентрация песка, г/л 0,323

Концентрация песка в нижнем сливе, г/л 1,265

Концентрация песка в верхнем сливе, г/л 0,0235

Расчетное значение концентрации песка в нижнем сливе, г/л [3] 1,379

Расчетное значение концентрации песка в верхнем сливе, г/л [3] 0,02

Относительная разница между экспериментальным и расчетным

значениями концентрации песка в верхнем сливе, % 9

Относительная разница между экспериментальным и расчетным

значениями концентрации псска в нижнем сливе, % 15

Для сравнения с приведенными выше результатами расчета и экспериментальными данными разделительная способность гидроциклона была оценена по инженерной методике [4], согласно которой отношение расхода твердых частиц диаметром йр через нижний слив к расходу частиц через входной патрубок определяется по следующей формуле:

’рНИЗ

С0входа

= 1 -ехр

(рР - р)овхр

рО3

2 А

(2)

Для имевшего место в эксперименте режима течения эта величина в зависимости от способа ее получения имела следующие значения:

- экспериментальное значение - 0,94;

- значение, рассчитанное по численной методике - 0,95;

- значение, полученное по инженерной методике - 1,0.

Таким образом, согласно выражению (2) все частицы, размер которых находится в интервале от 40 мкм до 63 мкм, попадают в нижний слив. На наш взгляд основная причина расхождения экспериментальных данных и результатов, полученных по формуле (2) заключается в том, что в расчете по инженерной методике не учитывается влияние турбулентных пульсаций, в то время как предложенная в работе [3] численная методика такое влияние учитывает. Это приводит к тому, что зависимость разделительной способности гидроциклона от размера частиц, рассчитанная по форме (2) более крутая, чем полученная по численной методике (рис. 3).

1.0

0.9

0.8

Инженерная методика

Численный расчет

0.1

0.3

0 5

Ор'°

Рис. 3 - Отношение расхода твердой фазы через нижний слив к расходу твердой фазы через верхний в зависимости от размера частиц

Помимо разделительной способности инженерная методика позволяет также, оценить соотношение общих объемных расходов через верхний и нижний сливные патрубки по следующей формуле:

О

низ

О

= 108

ВЕРХ

□

НИЗ

чЗ.б,

Ч^ВЕРХ )

вх

Р -Р

Vі вх 1 низ У

(3)

Литература

1. A.A. Халитов. Теория и практика закрученных потоков. Киев. Наукова думка. 1989. 192 с.

2. H.E. Weber.II J. Apple. Mach. 23. 1956. P. 587-592.

3. B.A. Фафурин. Гидродинамика и разделительная способность течений в гидромеханических

устройствах и аппаратах. Дисс....д-ра техн. наук. Казань.

4. В.М. Ульянов, A.A. Иванов, A.A. Сидягин и др. Примеры и задачи по курсу Машины и аппараты химических производств /Под ред.В.М Ульянова. Н. Новгород: НГТУ , 2003. 360 с.

© М. Р. Хабибуллин - ; В. А. Фафурин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. информационно -измерительных систем КГТУ.