CC BY
15
УДК 677.494.7-13
К. А. Фонарева (асп.), Б. А. Сентяков (д.т.н., проф.)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЛОКНИСТЫХ СОРБИРУЮЩИХ ИЗДЕЛИЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ СПОСОБОМ
Воткинский филиал Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова, кафедра технологии машиностроения и приборостроения 427436, г. Воткинск, ул. Шувалова, 1; тел. (34145)51500; [email protected]
K. A. Fonareva, B. A. Sentyakov
DESIGN OF PROCESS OF REGENERATION OF FIBRED SORBING WARES BY CENTRIFUGAL METHOD
Votkinsk branch of the Izhevsk State Technical University named M.T. Kalashnikov 1, Shuvalova Str, 427436, Votkinsk, Russia; ph. (34145)51500, e-mail:[email protected]
Установлено, что для извлечения нефтепродуктов из волокнистых сорбирующих изделий на основе полиэтилентерефталатного волокна эффективен метод центрифугирования. Полученные расчетные зависимости продолжительности центрифугирования и производительности процесса отделения жидкости от волокнистого сорбирующего изделия центробежным способом могут быть использованы в процессе проектирования реальных установок для регенерации волокнистых изделий и при анализе процессов отделения жидкостей от волокнистых изделий способом центрифугирования.
Ключевые слова: нефтепродукты; полиэти-лентерефталатное волокно; регенерация; сорбент; центрифугирование.
Работа выполнена в рамках выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по программам «СТАРТ» (контракт №11856р/21591) и «СТАРТ-2» (контракт №324ГС2/21591) федерального государственного бюджетного учреждения «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере».
Аварийные разливы нефтепродуктов могут возникать при их производстве, транспортировке, переработке, хранении, приеме, отпуске и использовании. Наиболее сложными являются разливы нефтепродуктов на поверхности воды Для устранения последствий таких разливов используют волокнистые сорбенты многократного применения. При этом возникает задача отделения нефтепродуктов от сор-
Дата поступления 15.01.17
It is found that for the extraction of oil sorbent fiber products based on polyethylene terephtha-late fibers centrifugation method is effective. The calculated depending on the duration of the centrifugation process and the liquid separation performance of the fibrous sorbent articles centrifugal method can be used in the design process for the regeneration of real installations fibrous products in the analysis processes to separate liquids from fibrous articles centri-fugation method.
Key words: centrifugation; oil; polyethylene terephthalate fibers; regeneration; sorbent.
The work was carried out within the framework of the implementation of research and development work under the START programs (contract No. 11856p/ 21591) and S TART-2 (contract No. 3224GS2/21591) of the federal state budgetary institution «Fund for the Promotion of Small Forms of Enterprises in Scientific and technical sphere».
бента для обеспечения возможности его повторного использования и возврата нефтепродукта в товарный оборот.
Перспективным направлением в области создания оборудования для такой регенерации сорбентов является разработка эффективных устройств, обеспечивающих получение минимального остаточного содержания нефтепродуктов в материале после отжима в любых погодных условиях с высокой производительностью технологического процесса.
Опыт эксплуатации валкового отжимного оборудования для регенерации (отжима) сорбирующих изделий 2' 3 показал, что процесс отжима в них отличается высоким и неравномерным остаточным содержанием нефти и нефтепродуктов, то есть имеет низкий коэффициент отжима ввиду того, что резиновые валы прокручиваются и изделия не получают равномерную отжимную нагрузку. Также теряются сорбционные свойства сорбентов после многократного прохождения через них.
Одним из ценных достижений в истории науки является создание и использование поля центробежных сил, которое оказалось весьма эффективным для разделения неоднородных систем в центрифугах. Такое разделение, получившее название центрифугирования, служит основой многих новых промышленных
4
процессов .
Центробежный способ заключается в удалении влаги из изделий при центробежном отжиме, основанном на использовании центробежной силы, развивающейся при быстром вращении рабочего органа центрифуги — ротора, в который закладывают изделия, подлежащие отжиму. Центробежная сила, действующая на массу материала изделий, создает внутреннее давление в слоях материала, кроме того, эта сила непосредственно действует на массу самой влаги. В результате влага стремится удалиться из материала 5.
Для создания инженерной методики расчета и проектирования аппаратов для регенерации насыщенных нефтью волокнистых сорбирующих изделий способом центрифугирования необходимо получить расчетные зависимости, связывающие основные технические характеристики таких центробежных аппаратов со свойствами волокнистых сорбирующих изделий и отделяемых от них в процессе центрифугирования жидкостей.
Целью настоящей работы является определение зависимости производительности Q процесса отделения жидкости от волокнистого сорбирующего изделия на основе полиэтилен-терефталатного волокна центробежным способом. В задачи работы входит получение расчетной формулы для определения продолжительности центрифугирования.
Объекты и методы исследования
Для проверки производительности процесса отделения жидкости от волокнистого сорбирующего изделия центробежным способом в качестве объектов исследования были
выбраны три образца, имитирующие нефте-улавливающие сорбционные боны, в которых в качестве сорбционного наполнителя использовалось полиэтилентерефталатное волокно, полученное путем переработки вторичного полиэти-лентерефталата (пластиковых бутылок) 6. Средний диаметр элементарных волокон йв=50 мкм. Общая масса образцов составила шв=0.088кг. В качестве нефтепродукта использовалось моторное масло с кинематической вязкостью 10W при 0 оС составила около 1295 ССТ (1.295-10-3 м2/с) 7. Сбор нефтепродуктов про-
о
изводился механическим методом : в подготовленную емкость, заполненную водой, наливался нефтепродукт, который образовывал на поверхности воды слой (пленку) толщиной около 10 мм. Сверху на поверхность нефтепродукта укладывались исследуемые образцы, которые принудительно погружались в емкость ниже уровня воды. Через 10—15 с образцы, впитавшие нефтепродукт, доставались из сосуда и взвешивались. При такой схеме погружения образцов они сорбировали только нефтепродукт, не впитывая при этом воду. Затем образцы, впитавшие нефтепродукт, подвергались центрифугированию на опытно-промышленном образце центробежной установки 9 с последующим взвешиванием. Продолжительность разгона перфорированного барабана конструкции центробежной установке до постоянной скорости вращения п = 800 об/мин с образцами, впитавшими нефтепродукт, составила 0.1 мин. Продолжительность центрифугирования образцов с нефтепродуктом составила 0.5 мин.
Для определения зависимости производительности Q процесса отделения жидкости от волокнистого сорбирующего изделия центробежным способом процесс регенерации волокнистых сорбирующих изделий центробежным способом представим следующим образом. Насыщенное нефтью, или, в общем случае, жидкостью, волокнистое сорбирующее изделие в виде цилиндрического бона или подушки помещается в цилиндрический перфорированный барабан. В зависимости от размеров барабана и изделий, возможна загрузка одновременно нескольких изделий. Затем барабан, ось которого размещена вертикально, приводится во вращение. Под действием центробежных сил жидкость, просачиваясь между элементарными волокнами изделия, перемещается к периферийной поверхности барабана и через множество выполненных в ней отверстий малого диаметра перемещается за пределы барабана — в приемную емкость.
Рис. 1. Графическая модель процесса регенерации волокнистого сорбирующего изделия методом центрифугирования
Условно графическая модель процесса регенерации волокнистых сорбирующих изделий центробежным способом представлена на рис. 1.
Основным допущением при решении поставленной задачи является то, что регенерируемое волокнистое сорбирующее изделие принято представить в виде множества цилиндрических капилляров длиной Ь и диаметром Си, расположенных радиально. Будем условно считать также, что каждый из капилляров в начальный момент времени полностью и равномерно заполнен жидкостью.
Выделив в капилляре на расстоянии г от оси вращения барабана элементарный столб жидкости диаметром С и высотой Сг, определена действующая на него центробежная сила
СРц= йшж-(о2г, (1)
где масса элементарного столба жидкости йтж определяется как произведение его объема на плотность рж жидкости:
Стж = 0.25ржтСк2Сг. (2)
Подставив (2) в (1), имеем
СРц=0.25ржп с1к2а)2гёг.
(3)
После интегрирования выражения (3) в пределах от Я1 до Я2 определена центробежная сила, действующая на весь столб жидкости, заключенной в капилляре:
= 0.125ржп с42ю2(Я22 - Я12). (4) Под действием этой силы происходит движение жидкости по капилляру и истечение ее за пределы барабана. Следовательно, перепад давления, под которым происходит истечение, может быть определен как отношение этой силы к площади капилляра:
АР = 4 Рц/ж42 . (5)
Подставив в (5) значение ¥ц из (4), имеем: АР = 0.5ржт2(Я22 - Я!2). (6) Выразив угловую скорость т через частоту вращения п барабана:
ю=2пп, (7)
выражение (6) принимает вид:
АР = 2 п2п2рж(Я22 - Я2). (8)
Объем жидкости, имеющей вязкость вытекающей через капилляр длиной Ь = Я2 - Я1 и радиусом ги = С/2 за время £ под давлением АР, определяется по формуле Пуазейля:
V = птк4ДРЬ/8^(Я2- ЯД (9)
Заметим, что правомерность применения формулы (9) для рассматриваемого случая истечения жидкости через капилляр может потребовать дополнительного обсуждения. Дело в том, что по мере истечения жидкости из капилляра уменьшается центробежная сила, действующая на оставшуюся в капилляре жидкость, а, следовательно, размещенная в числителе формулы (9) величина перепада давления ДР в действительности не является постоянной величиной — она уменьшается от максимального значения ДР до нуля. Размещенная в знаменателе формулы (9) величина длины капилляра Ь также не остается постоянной — она уменьшается по мере истечения жидкости также от максимальной от величины Ь = Я2 — Я\ до нуля. Однако законы изменения этих величин разные, хотя пределы одинаковые. Поэтому правомерность использования формулы (9) будем считать условно доказанной.
Если считать, что капилляр перед процессом центрифугирования полностью заполнен жидкостью, то объем этой жидкости равен:
V = жтк2 (Я2 - Я1). (10)
Приравняв правые части выражений (9) и (10), получена формула для определения времени полного истечения жидкости через капилляр Ь, которое можно считать продолжительностью процесса отделения жидкости от волокнистого сорбирующего изделия:
Ь = 8^(Я2 - Я1)2/тк2 ДР. (11)
Подставив в (11) значение ДР из (8) после преобразований, имеем:
Ь = (Я2 - Я1)/п2п2тк2(Я2 + ЯР (12)
Гидравлический радиус капилляра тк в формуле (12) зависит от среднего диаметра йв элементарных волокон, из которых образовано волокнистое сорбирующее изделие, и определяется по полученным ранее экспериментальным данным из табл. 1.
Гидравлический радиус капилляра тк в формуле (12) зависит от среднего диаметра йв элементарных волокон, из которых образовано волокнистое сорбирующее изделие и определяется по полученным ранее экспериментальным данным из табл. 1.
Продолжительность процесса центрифугирования волокнистого изделия, рассчитанная по формуле (12), представлена в табл. 2 в зависимости от диаметра волокон йв и радиуса капилляра тк.
Производительность Q процесса отделения жидкости от волокнистого сорбирующего изделия центробежным способом определяется по формуле:
Q = vжкom/t , (13)
где Кот = 0.9 — экспериментальный коэффициент отделения, показывающий какая часть жидкости отделяется от волокнистого сорбирующего изделия в процессе центрифугирования;
Vж — объем жидкости, отделенной от волокнистого сорбирующего изделия в процессе центрифугирования, который вычисляется исходя из определения коэффициента сорбции Кс:
Таблица 1
Зависимость радиуса капилляра гк от диаметра волокон dв
№ бе диаметр тнп, те, Кс, Гк
оп волокна, м масса масса образца коэффициент гидравлический
ыт собранной волокна, кг сорбции радиус капилляра, м
а нефти, кг (эксперимент)
1 0.000010 0.0723 0.00270 26.78 0.000034
2 0.000030 0.093 0.00301 31.23 0.00011
3 0.000051 0.10138 0.00262 38.7 0.00021
4 0.000130 0.03671 0.00429 8.56 0.00025
Таблица 2
Продолжительность процесса центрифугирования в зависимости от диаметра волокон dв и радиуса капилляра гк
№ опыта диаметр волокна, м Гк гидравлический радиус капилляра, м Г продолжительность процесса центрифугирования, с
1 0.000010 0.000034 1064
2 0.000030 0.00011 133
3 0.000051 0.00021 35.5
4 0.000130 0.00025 25.3
где
шж = Ксшв или Ужрж = КсУврв, (14)
рв=10—30 кг/м3 — плотность волокнистого
сорбирующего изделия,
Уд= пН(К2—К1)г — объем волокнистого сорбирующего изделия, размещенного в барабане центрифуги высотой Н.
Из (14) имеем:
Уж = КспН(Я2-Я1)2Рд/рж. (15) Подставив в формулу (13) значения Уж из (15) после преобразований, формула для расчета производительности Q (м3/с) процесса отделения жидкости от волокнистого сорбирующего изделия с известными характеристиками центробежным способом имеет вид:
Q = КсяН(Я2-Я1)2Рд Кот/рж1- (16) Фактическая производительность опытного образца центробежной установки с парогенератором определяется по формуле:
* факт = Qф акт' Ьфакт,
(17)
где Qфакт и £факт — фактическая масса отжатой нефти или нефтепродуктов за фактическое время.
Р,
факт
составила 2.442 кг/мин или 0.0028
м3/мин. Производительность Q процесса отделения жидкости от волокнистого сорбирующего изделия центробежным способом, рассчитанная по формуле (16), составляет 0.0026 м3/мин.
Результаты и их обсуждение
Анализируя формулу (12), заметим, что продолжительность процесса центрифугирования зависит от динамической вязкости нефти которая, в зависимости от месторождения и температуры, может изменяться от 1 до 30 мПа-с. Очевидно, что продолжительность процесса значительно уменьшается с увеличением среднего диаметра элементарных волокон, образующих волокнистое сорбирующее изделие. Существенного уменьшения продолжительности процесса центрифугирования можно добиться при увеличении радиуса и частоты вращения перфорированного барабана центрифуги и уменьшения поперечного размера волокнистого сорбирующего изделия.
Расхождение результатов расчета производительности процесса отделения жидкости от волокнистого сорбирующего изделия с экспериментальными данными, полученными при испытании опытного образца центробежной установки, не превышает 7%. Таким образом, формула (16) для определения производительности процесса отделения жидкости от волокнистого сорбирующего изделия из полиэтилентерефталатно-го волокна центробежным способом может быть использована в процессе проектирования реальных установок для регенерации волокнистых изделий и при анализе процессов отделения жидкостей от волокнистых изделий способом центрифугирования.
Литература
1. Иванова М.А., Муртазина Р.Т., Зенитова Л.А. Центрифугирование как способ регенерации по-глащенной нефти сорбентом «Гринсорб» // Вестник Казанского технологического университета.- 2012.- Т.5, №21.- С.127-129.
2. Ершов С.В., Калинин E.H. Компьютерный анализ ячеечной модели процесса механического обезвоживания волокнистого материала в валковой паре // Известия вузов. Технология текстильной промышленности.- 2012.- №1(337).-С.137-141.
3. Фомин Ю.Г. Разработка теоретических основ и средств повышения эффективности обработки тканей валковыми модулями отделочных машин: Дис. ... докт. техн. наук.- Иваново, 2001.- 406 с.
4. Соколов В. И. Современные промышленные центрифуги.- М.: Машиностроение, 1967.520 с.
5. Лебедев В. С Расчет и конструирование типовых машин и аппаратов бытового назначения.-М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982.— 328 с.
References
1. Ivanova M.A., Murtazina R.T., Zenitova L.A. Tsentrifugirovanie kak sposob regeneratsii poglashchennoi nefti sorbentom «Grinsorb» [Centrifugation as a way of regeneration of the absorbed oil sorbent «Grinsorb»]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of the Kazan technological university], 2012, vol.5, no.21, pp.127-129.
2. Ershov S.V., Kalinin Ye.N. Komp'yuternyi ana-liz yacheyechnoy modeli protsessa mekhaniches-kogo obezvozhivaniya voloknistogo materiala v valkovoy pare [Computer analysis of the cell model of the process of mechanical dehydration of fibrous material in a roll pair]. Izvestiya vuzov. Tekhnologiya tekstil'noy promyshlennosti [Proceedings of universities. Technology of the textile industry], 2012, no.1(337), pp.137-141.
3. Fomin Yu. G. Razrabotka teoreticheskikh osnov i sredstv povysheniya effektivnosti obrabotki tkanei valkovymi modulyami otdelochnykh mashin [Development of theoretical bases and means of increasing the efficiency of tissue processing modules of roller finishing machines]. Doct. techn. sci. diss. Ivanovo, 2001, 406 p.
6. Святский В.М., Сентяков Б.А., Святский М.А., Широбоков К.П., Фонарева К.А. Процессы получения и практического использования поли-этилентерефталатного волокна из вторичного сырья.— Старый Оскол: Изд-во «ТНТ», 2013.— 162 с.
7. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей.— Л.: Наука, 1975.— 226 с.
8. Каменщиков Ф.А., Богомольный Е.И. Удаление нефтепродуктов с водной поверхности и грунта.— М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2006.— 528 с.
9. Пат. №2476272 РФ. Центробежная установка для отделения жидкости от волокнистого материала / Фонарева К.А., Сентяков Б.А., Широбоков К.П., Святский В.М.// Б. И.- 2013.- №6.
Sokolov V.I. Sovremennye promyshlennye tsentrifugi [Modern industrial centrifuges]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1967, 520 p. Lebedev V. S. Raschet i konstruirovanie tipovykh mashin i apparatov bytovogo naznacheniya [Calculation and design of typical machines and devices for household use]. Moscow: Lyogkaya i pischevaya promyshlennost Publ., 1982, 328 p. Svyatsky V.M., Sentyakov B.A., Svyatsky M.A., Shirobokov K.P., Fonareva K.A. Protsessy polu-cheniya i prakticheskogo ispol'zovaniya polieti-lentereftalatnogo volokna iz vtorichnogo syr'ya [Processes of obtaining and practical use of polyethylene terephthalate fiber from secondary raw materials]. Stary Oskol, TNT Publ., 2013, 162 p.
Frenkel Y. I. Kineticheskaya teoriya zhidkostei [Kinetic theory of liquids]. Leningrad, Nauka Publ., 1975, 226 p.
Kamenschikov F.A., Bogomolny E.I. Udalenie nefteproduktov s vodnoi poverkhnosti i grunta [Removal of oil products from the water surface and soil]. Moscow-Izhevsk, Institute for Computer Research Publ., 2006, 528 p.
Fonareva K.A., Sentyakov B.A., Shirobokov K. P., Svyatsky V.M. Tsentrobezhnaya ustanovka dlya otdeleniya zhidkosti ot voloknistogo materiala [Centrifugal unit for separating liquid from fibrous material]. Patent RF, no. 2476272, 2013.
4
5
6
7
8
9
