CC BY
58
УДК 621.928.37
С. И. Валеев, Д. Ю. Верин, В. А. Булкин ГИДРОДИНАМИКА ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ГИДРОЦИКЛОНА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЭМУЛЬСИЙ С МАЛЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЛЕГКИХ ПРИМЕСЕЙ
Ключевые слова: гидроциклон, разделение.
В статье представлены экспериментальные исследования полей скоростей и давлений в цилиндрическом гидроциклоне для разделения эмульсий с малым содержанием легких примесей.
Keywords: hydrocyclone, separation.
The experimental investigations ofpressure and velocity fields in the cylindrical hydrocyclone for separation of emulsions with small quantity of light pollutants are presented.
Повышенное внимание к гидроциклонам для разделения жидкостей эмульсионного типа возникло в связи с экологическими проблемами, так как практически все промышленные предприятия имеют сточные воды, содержащие нефтяные, масляные, жировые загрязнения [5, 7]. Гидроциклоны просты по конструкции, компактны, высокопроизводительны, дешевы в изготовлении [1^4].
Все ранние проведенные исследования выполнены на стандартных формах гидроциклонов, которые имели большее выходное сечение верхнего сливного патрубка по отношению к нижнему шламовому патрубку и практически отсутствуют исследования гидродинамики гидроциклонов с малым расходом жидкости через верхний сливной патрубок. Технологические требования к гидроциклонам для разделения эмульсий с малым содержанием легких примесей (около 1 %), к которым относятся нефтесодержащие сточные воды промышленных предприятий, определяет отвод основного количества очищенной жидкости через нижний сливной патрубок, и лишь небольшую часть жидкости, обогащенную легкими примесями через верхнее сливное отверстие.
Исследуемый цилиндрический гидроциклон имел диаметр - 50 мм. Отвод жидкости осуществляется через верхний сливной патрубок и два диаметрально-противоположно расположенных выходных патрубка, размеры которых выбирались исходя из задания необходимого соотношения расходов через выходные патрубки. В процессе проведения экспериментов ставилась задача охватить не исследованную область с точки зрения распределения потоков по сливам и рассмотреть изменения гидродинамики потока при изменении соотношения между сливными патрубками.
Измерение полей скоростей и давлений гидроциклона проводилось зондовым методом [6].
На рис. 1 показаны зависимости распределения статического давления и тангенциальной скорости при отводе 5.03 % жидкости от общего потока через верхний сливной патрубок, общий расход жидкости при этом составлял 0.64 л/с.
Эксперименты проводились при диаметре двух тангенциально противоположных входных патрубков (^х) по 7.5 мм, диаметре нижнего слива (4.сл.)=11 мм, диаметре верхнего слива (45.сл.)=3 мм.
В процессе проведения экспериментов давление на входе в гидроциклон (Рвх) устанавливалось равным 0.105 Мпа, Увх=7.27 м/с.
о)
0.15
V,
и/с
0
И"1 г
/ ойоро ¡— if ЬЛЛЛО 7=15 ООООО 2-25 У Мм Эмм Эмм
/
1
'0 15 t.MM 25 V=f(r)
А
о се а о а £ i с. a fall соооо г-?Л ъъьъъ г=ЗС Пйн UMK Они Own /
А А — О - и
У- tdt -О
& Г
/
Рис. 1 - Распределения статического давления и тангенциальной скорости в цилиндрическом гидроциклоне (при отводе 5.03 % жидкости от общего потока через верхний сливной патрубок)
В цилиндрическом гидроциклоне статическое давление жидкости возрастает по радиусу плавно, и эта зависимость остается постоянной по высоте гидроциклона (рис. 1 а).
На рис. 2 приведены зависимости распределения статического давления и тангенциальной скорости при отводе 10.4 % жидкости от общего расхода через верхний сливной патрубок при суммарном расходе через сливные патрубки (рж)=0.66 л/с. Данное соотношение расходов устанавливалось при диаметре нижнего слива (^.сл.)=11 мм, диаметре верхнего сливного патрубка (45.сл.)=5 мм. Давление
на входе в гидроциклон (Рвх) устанавливалось равным 0.12 Мпа, статическое давление в сечении входного патрубка Рвх0=0.05Мпа, скорость во входном патрубке гидроциклона Увх=7.48 м/с.
Статическое давление возрастает от оси к стенке гидроциклона, и его величина остается постоянной на одинаковых радиусах по всей высоте аппарата (рис. 2 а).
На рис. 2 б приведено распределение тангенциальной скорости по радиусу и высоте аппарата. Закономерности, присущие для предыдущих условий сохраняются. Анализ опытных данных указывает, что профиль тангенциальной скорости потока в данном гидроциклоне можно рассматривать состоящим из трех областей: центральную, приосе-вую и пристенную. В приосевой зоне наблюдается увеличение значений тангенциальной скорости, причем для всех сечений эта зона практически одинакова. Однако, следует отметить, что увеличение значения тангенциальной скорости в приосевой зоне происходит и набольшем удалении от входного патрубка, по сравнению с предыдущими исследованиями. В центральной зоне величина тангенциальной скорости остается постоянной по радиусу, следует отметить, что зона постоянной тангенциальной скорости увеличивается по мере удаления от верхнего сливного патрубка.
В пристенной зоне наблюдается увеличение тангенциальной скорости, особенно в верхней части аппарата, где еще сказывается условия ввода эмульсии.
Результаты экспериментального исследования показали, что в пространстве между сливным патрубком и корпусом аппарата происходит стабилизация тангенциальной скорости потока жидкости в некоторый постоянный профиль по высоте.
Исследование полей скоростей и давлений показали, что в цилиндроконическом гидроциклоне [8] профиль тангенциальной составляющей скорости движения ближе к квазипотенциальному вращению, а в цилиндрическом гидроциклоне с малым расходом через верхний слив, данный профиль к квазитвердому вращению. Принимая во внимание критерий устойчивости турбулентного потока, предложенный Релеем и связанный со стремлением частиц к сохранению своего импульса, можно сказать, что наличие поля напряженности с отрицательным градиентом (квазитвердое вращение в цилиндрическом гидроциклоне), способствует сохранению указанной величины и, следовательно, будет способствовать устойчивости течения в радиальном направлении, т.е. наличие поля напряженности с отрицательным градиентом обеспечивает сохранение или даже рост момента импульса, что, в конечном счете, ведет к сохранению устойчивости потока в радиальном направлении и подавлению турбулентности [9, 10], Наличие же поля напряжений с положительным градиентом (квазипотенциальное вращение в цилиндрическом гидроциклоне) предопределяет возникновение отрицательного момента
импульса, а последнее приводит к снижению устойчивости закрученного потока, т.е. к развитию турбулентности.
г i^f
/ Г
/ ппппп г А ЛЛЬЛА Ю О СЮ DO г-15 ■9 t-T I Ним Экм )ММ
!
Рис. 2 - Распределения статического давления и
тангенциальной скорости в цилиндрическом гидроциклоне (при отводе 10.4 % жидкости от общего потока через верхний сливной патрубок)
Литература
1. Терновский И.Г., Кутепов А.М. Гидроциклонирование. М.: Наука, 1994.
2. Поваров А.И. Гидроциклоны на обогатительных фабриках. М.: Недра. 1978. 232 с.
3. Найденко В.В. Применение гидроциклонов в технологических процессах очистки природных и сточных вод // Исследование и промышленное применение гидроциклонов. Горький. 1981. 180 с.
4. Мустафаев А.М., Гутман Б.М. Гидроциклоны в нефтедобывающей промышленности. М.:Недра, 1981, 260 с.
5. Валеев С. И. Очистка сточных вод в гидроциклонах систем
оборотного водоснабжения: Дис.....канд. техн. наук. Ка-
зань.2000.
6. Валеев С.И., Верин Д.Ю., Булкин В.А. Выбор метода измерения для исследования полей скоростей и давлений гидроциклона // Вестник Казан. технол. ун-та.. 2013. Т. 16, № 15, с. 292-294.
7. Валеев С.И., Булкин В.А. Применение гидроциклонов для очистки сточных вод в системе оборотного водоснабжения // Вестник Казан. технол. ун-та. 2013. Т.16, № 15, с. 294-296.
8. Верин Д.Ю., Валеев С.И., Булкин В.А. Гидродинамика цилин-дроконического гидроциклона для разделения эмульсий с учетом эффективной вязкости // Вестник Казан. технол. ун-та. 2013. Т.15, № 15, с. 117-119.
9. Булкин В.А. Разработка, методы расчёта и внедрение вихревых аппаратов с объёмными факелами орошения для очистки газовоздушных потоков: Автореф. дис. ...д-ра техн. наук. Казань, 1989.
10. Гринспен Х. Терия вращающихся жидкостей. Л. Гидрометео-издат. 1975. 304 с.
С. И. Валеев - к.т.н., доц. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, [email protected]; Д. Ю. Верин - асп., инж. той же кафедры, [email protected]; В. А. Булкин - д.т.н. проф. той же кафедры, [email protected].
