CC BY
126
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.928.37
Д. Ю. Верин, С. И. Валеев, В. А. Булкин
ГИДРОДИНАМИКА ЦИЛИНДРОКОНИЧЕСКОГО ГИДРОЦИКЛОНА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЭМУЛЬСИЙ С УЧЕТОМ ЭФФЕКТИВНОЙ ВЯЗКОСТИ
Ключевые слова: гидроциклон, разделение.
На основе уравнения Навье-Стокса проведено численное исследование эффективной вязкости в цилиндроконическом гидроциклоне. Установлено, что профиль и численное значение эффективной вязкости зависит от диаметра гидроциклона и от разгрузочного соотношения.
Keywords: hydrocyclone, separation.
On the basis of the Navier-Stokes equation the numerical investigation of the effective viscosity in cylinder-conic hydrocyclone is studied. It is found that, the profile and the numerical value of the effective viscosity depend on the hydrocyclone diameter and the discharge correlation.
Гидроциклоны, благодаря ряду
существенных преимуществ, перед аппаратами выполняющими аналогичные с ним операции, широко используются для процессов разделения как неоднородных дисперсных систем типа жидкость-твердое тело, так и при разделении систем с нестабильным составом дисперсной фазы, таких как жидкость-жидкость. Наибольшее применение в промышленности получили цилиндроконические гидроциклоны [1-5].
Считается [1,2], что турбулентность является одним из основных факторов, определяющих протекание разделительных процессов в гидроциклонах, так как частицы эмульсии (суспензии) в большей или меньшей степени следуют турбулентным перемещениям жидкостных потоков. Большинство авторов указывают на значительное влияние турбулентности на процесс разделения, однако окончательные выводы делать преждевременно, поскольку экспериментальные и теоретические данные о характере турбулентности в различных зонах гидроциклона практически отсутствуют.
При аналитическом подходе к описанию гидродинамики гидроциклонов большинство исследователей исходят из системы уравнений Навье-Стокса, дополненных уравнением неразрывности. Математическая модель процесса разделения в гидроциклоне может быть приближена к реальным условиям введением в уравнения Навье-Стокса эффективной вязкости V = V + . При
моделировании величина эффективной вязкости
V оказывает существенное влияние на
э
распределение скоростей по сечению аппарата.
Исследование влияние эффективной вязкости V на
э
процесс разделения жидкостей эмульсионного типа практически не проводилось.
Расчет основной составляющей
эффективной вязкости V - коэффициента
э
турбулентной вязкости проводился по известному уравнению [1]
2 2 : С Г
8V
Ф
V
Ф
8г
где с -структурная постоянная, для
цилиндроконического гидроциклона принималась равной 0.0012 в цилиндрической части и 0.003 в нижней части конуса [1]; г-текущий радиус; Уф-тангенциальная, составляющая скорости потока жидкости из экспериментальных исследований [6,7].
Полученные профили эффективной
вязкости V по радиусу и высоте в
э
цилиндроконическом гидроциклоне показаны на рис. 1. На графике показаны только осредненные значения полученных величин.
Анализ полученных результатов
показывает, что профиль значений эффективной
вязкости
по
радиусу
высоте
цилиндроконического гидроциклона не остается постоянным. В цилиндрической части (7=40 мм) наблюдается тенденция к возрастанию значений
эффективной вязкости V по направлению от оси
э
аппарата к стенке. Сечения 2=160 мм,. 2=370 мм находятся в конической части гидроциклона. В сечении 2=160 мм эффективная вязкость V
э
возрастает от оси к стенке гидроциклона, но
зависимость V от г уже не линейна.
э
Г
V
и
э
б
Рис. 1 - Зависимость эффективной вязкости от радиуса в цилиндроконическом гидроциклоне
= 4.3,
( % В.СЛ. б - z=370 мм
d
В.СЛ.
Н СЛ .
5
10
) а - z=40 мм, z=160 мм,
Рис. 2 - Изменение вязкости в различных сечениях по высоте в цилиндроконическом гидроциклоне
Профиль эффективной вязкости V в
э
сечении 2=370 можно рассматривать состоящим из
двух областей. Значения V увеличивается по мере
э
приближения к стенке гидроциклона, затем при некотором радиусе достигает максимального
значения и начинает убывать. Профиль V в этом
э
сечении подобен профилю распределения тангенциальной составляющей скорости в этом же
гидроциклоне. Следует отметить, что значения V в
э
цилиндрической части выше, чем в конической.
Результаты исследований эффективной
вязкости
V в цилиндроконическом гидроциклоне
э
показали, что эффективной вязкости V крайне
неравномерно распределена по высоте аппарата, что возможно отрицательно сказывается на разделении эмульсий. Обработка экспериментального
материала разных исследований показывает, что в общем случае профиль и численное значение
V сильно зависит от
э
и от разгрузочного
больше диаметр
эффективной вязкости диаметра соотношения
гидроциклона °В.СЛ.
С.
Чем
-НСЛ.
гидроциклона и соотношение
сВ
Сн
(расход через
верхний слив), тем больше эффективная вязкость
V в гидроциклоне.
э
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. Поникаров С.И., Поникаров И.И., Булкин В.А., Перелыгин О.А. Интенсификация технологических процессов с использованием центробежного поля // Вестник Казан. технол. ун-та. 1998. № 1. с . 96-104
6. Валеев С.И. Очистка сточных вод в гидроциклонах
систем оборотного водоснабжения:
Дис канд.техн.наук. Казань.2000.
7. Валеев С.И., Степанов Н.И., Иванов Н.В., Булкин В.А. Гидродинамика цилиндрических и цилиндроконических гидроциклонов с малым расходом через верхний слив // Вестник Казан. технол. ун-та. 1998. № 2, с.56-59.
© Д. Ю. Верин - сотр. КНИТУ; С. И. Валеев - канд. техн. наук, доц. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, romanova_rg@mail.ru; В. А. Булкин - д-р техн. наук, проф. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ.
а
