CC BY
88
Перспективы применения центробежных реосепараторов
Л.П. Карташов, д.т.н., профессор, ОНЦ УрО РАН;
В.В. Назаров, кт.н, Оренбургский ГУ
Большое разнообразие существующих продуктов, перерабатываемых центробежными реосепараторами, требует совершенствования методов исследования процесса разделения многофазных, многокомпонентных растворов на фракции. Эта работа должна быть направлена на создание современных технологий, высокопроизводительных и универсальных машин.
Центробежные реосепараторы (ЦРС) в каждой отрасли являются специальными машинами. Причина — многообразие свойств материалов. Характер движения дисперсной частицы в конусном рабочем зазоре (КРЗ) реосепаратора в среде, например, ньютоновской жидкости (веретённое, чистое моторное масло), значительно отличается от её поведения в дисперсионной среде, подчиняющейся законам Шведова —
Бингама, Кэссона, Оствальда, Кельвина и др. Одни из этих материалов при течении больше проявляют свойства линейно-пластического тела (например, сгущённое молоко), другие — дилатантной жидкости (сливки), третьи — нелинейно-пластического тела (натуральный мёд при 30°С). Многие материалы проявляют структурную вязкость, тиксотропию и другие свойства [1].
Все продукты, перерабатываемые реосепара-торами, обладают, кроме вязкостных, широким спектром пластических, упругих, прочностных свойств, присущих любому материальному телу. Теории сепарирования Г.И. Бремера и Е.М. Гольдина эти свойства не учитывают [2, 3]. Известен случай практического решения данной проблемы шведской фирмой «Alfa Laval» [4]. Она выпустила на рынок реосепаратор MBUX, предназначенный для извлечения дрожжей и микроорганизмов, легко перемещающихся в барабане
против действия центробежных сил, используя псевдопластические свойства суспензии.
Результаты исследования. Изучение свойств реально существующих продуктов — задача науки реофизики. Эта наука позволяет вести поиск необходимых заменителей, более эффективных и простых по составу (бинарных в идеале). Определение новых моделей жидких и жидкообразных систем и их математических функций вызвано созданием более точной техники измерений, переходом к описанию реологических состояний материалов (при различных реофизических способах воздействия на них) уравнениями в интегральной форме.
Потребность в создании реосепараторов и реоцентрифуг универсального типа связана с появлением большого количества новых материалов (полимеров, композитов, пластмасс). Более глубокая переработка основных и вторичных продуктов (отходов производства) требует автоматизации главных операций технологических процессов разделения и классификации.
В настоящее время задача первичной центробежной переработки любых растворов решена. Одна из проблем современного производства — переработка вторичного сырья, представляющего собой во многих случаях равновесную систему. Но существующие специальные конструкции реосепараторов для этого почти не приспособлены или пользователи не знают о возможностях этих машин.
В качестве примера можно привести переработку обезжиренного молока, молочной и творожной сыворотки и других отходов молокозаводов, очистку сточных вод. Задачами, стоящими здесь перед учёными и инженерами-технологами, являются — разделение этих многокомпонентных многофазных растворов, получение после полной операции очистки чистой дисперсионной среды (воды) и ценных белковых пищевых продуктов. Путь решения этой проблемы всё в той же универсализации реосепараторов.
Применение различных дополнительных методов воздействия на материал в КРЗ позволит предварительно дестабилизировать равновесную систему, объединить молекулы растворённого вещества в более крупные частицы, способные отделяться в центробежном поле. Внедрение новых регулируемых параметров повысит степень управляемости центробежными машинами, увеличит их мобильность, позволит быстро перенастраивать на переработку разных материалов, улучшит качество разделения, даст новый толчок научно-техническому прогрессу.
Очень остра в наши дни проблема загрязнения окружающей среды нефтяными отходами при эксплуатации автомобилей, тракторов, комбайнов, речных и морских судов, различ-
ных бензиновых и дизельных энергетических установок (сливается масло, выбрасываются фильтры). Без постоянной очистки моторных, трансмиссионных, индустриальных масел, мазута и других технических жидкостей от посторонних включений (воды, механических примесей) невозможна хорошая работа этих машин. Применение фильтров не даёт высокой степени очистки. Мелкие частицы, которые ими не задерживаются, снова попадают в систему смазки и разрушают рабочие поверхности деталей. Такой способ очистки неэффективен.
Исследованиями установлено, что около половины всех разрушений подшипников двигателей происходит из-за неэффективной очистки масла [5], которая проводится с помощью сменных фильтров, центрифуг, работающих на принципе реактивного действия струи. Сколько бы высоко ни было совершенство конструкций различных машин и агрегатов (двигателей, трансмиссий, ходовой части), позволяющее сократить расход масел, потери все же значительны. Например, в холодное время года при транспортировке и хранении загустевших масел с высокой вязкостью, при заливке его в двигатели на стенках тары остаётся до 15% дефицитнейшего материала. О низкой системе организации сбора, утилизации и сдачи отработанных нефтепродуктов на регенерационные пункты и говорить не приходится. Сдаваемые отходы, как правило, не удовлетворяют требованиям ГОСТа, их сортировка неудовлетворительна.
Наиболее качественная очистка масел возможна с помощью специальных нефтяных ЦРС с тарельчатыми вставками конусного вида. Практика применения их в циркуляционных системах смазки машин [2] не нашла должного воплощения (например, в автомобилях, комбайнах, тракторах). Это объясняется сложностью реосепараторов по сравнению с более простыми центрифугами. Да и те не применяются в легковых автомобилях — в самом многочисленном классе машин. Другая причина, по которой ЦРС отвергаются автомобильными конструкторами, — их неуправляемость.
Совершенствование конструкций реосепара-торов в целях увеличения количества параметров, поддающихся регулированию в автоматическом режиме, несомненно, повысит возможности использования этого перспективного устройства в автотракторной промышленности. Выгода от такого внедрения следующая:
• повышается качество очистки материалов;
• появляется возможность восстановления технических свойств масел, частичная или полная регенерация их уже в процессе эксплуатации и, может быть, автоматическая замена масла одного вида другим, более эффективным для данного режима работы;
• автоматизируется процесс контроля качества нефтепродуктов во время работы того или иного агрегата;
• упрощаются конструкции машин в результате совмещения функций масляных насосов с центробежной очисткой, повышается работоспособность и эффективность их использования;
• снижаются эксплуатационные расходы и трудоёмкость технического обслуживания; увеличивается долговечность деталей машин.
Кроме того, экологические проблемы также будут в значительной степени решены.
Развитие такого раздела механики жидкостей, как реология масел, позволяет с новой стороны взглянуть на проблему диагностики автомобилей с помощью центробежных автосепараторов. Здесь открываются самые широкие возможности. Например, по состоянию масел, циркулирующих в системах смазки машин, можно определять их неисправности, находить причины отклонений от нормальной работы различных агрегатов. По своему составу масла — это сложные продукты. Они обладают всеми свойствами, присущими реальным материальным телам: упругостью, прочностью, вязкостью и др. Изменения их в процессе работы машины вполне контролируемы приборами и методами экспериментальной реологии, но требуют подробного изучения. Исследования должны быть направлены на решение следующих задач:
• диагностику неисправностей в работе различных агрегатов машин, связанных с системами смазки;
• получение рекомендаций о возможных режимах очистки масла с последующим восстановлением его рабочих функций путем регенерации;
• создание более простых (бинарных) заменителей, представляющих собой чувствительные к различным силовым, электрическим, магнитным полям устойчивые композиции.
Одновременная реализация первых двух задач в современных машинах возможна с установкой центробежных автосепараторов. Решение третьей задачи будет способствовать разработке систем гидроавтоматики с использованием магнитореологических и других эффектов, успешно внедряемых сейчас во многих машинах и устройствах [6]. Появится возможность создания единой системы смазки автомобилей (ЕСС).
Хорошо отработана реологией методика управления свойствами различных материалов. В связи с этим встаёт вопрос о роли тех или иных компонентов (добавок), которые положительным образом влияли бы на качество очистки масла. Эти добавки могут вноситься по мере надобности по команде контролирующих устройств, например, магнитных датчиков, установленных в маслопроводе, или того же автосепаратора,
работающего в режиме вискозиметрических измерений. Равномерное распределение добавок по всему объёму рабочей жидкости возможно через реосепаратор после его автоматической перенастройки в режим концентратора. Таков же порядок настройки автосепаратора в режим регенерации масла.
Один и тот же продукт (например, молоко) может обладать различными свойствами. Причина этого явления заключается в природе молока. Молоко — сложный биологический продукт, состоящий из различных компонентов, каждый из которых в зависимости от условий получения, транспортировки, хранения и переработки по-своему влияет на состояние системы в целом. Контроль изменения этих свойств на ЦРС в целях повышения его производительности возможен при автоматизации этого процесса. Создание систем автоматического регулирования (САР) с внедрением новых регулируемых параметров позволит использовать их для переработки как первичных, так и вторичных молочных продуктов. В этом перспективность новых моделей, дающая простор широким фундаментальным исследованиям.
Важными задачами науки механики жидкости являются процессы переноса массы, тепла, энергии в реологически сложных средах, жидкостях-композитах, определение параметров, управляющих этими процессами при действии на частицу жидкости центробежных сил.
В существующей теории сепарирования в качестве базовой принята простая ньютоновская модель вязкой жидкости. Вязкость этой жидкости зависит только от температуры, но основных параметров, входящих в аналитические зависимости данной теории, значительно больше. Их можно разделить на следующие группы:
1. Геометрические — размеры конусных тарелок, их число; длина и ширина КРЗ; площадь сечения потока; объём жидкости, проходящей через барабан, и т.д.
2. Кинематические — радиальная и окружная скорости движения частицы жидкости; скорость сдвиговой деформации; частота вращения ротора; время нахождения материала в зоне разделения и др.
3. Динамические — напряжение сдвига, давление, энергия, мощность и др.
4. Технологические — температура, вязкость, концентрация, размеры дисперсной частицы и т.д.
Управляющими из них являются:
• частота вращения ротора;
• скорость подачи жидкости;
• давление;
• температура;
• плотность сливок на выходе из барабана в автоматической системе нормализации мо-
лока и сливок, разработанная фирмой «Seital» (Италия) [7].
Ограничение числа параметров управления привело к тому, что ЦРС фактически являются неуправляемыми машинами.
Большинство материалов, перерабатываемых ЦРС, являются неньютоновскими, аномально вязкими. Вязкость реальных жидкостей зависит не только от температуры. Интенсивность электрического, магнитного полей, скорости химической реакции, происходящей одновременно с процессом разделения в центробежных реакторах, степень механического воздействия и другие факторы существенно влияют на вязкость.
В качестве примера реализации последнего способа воздействия на перерабатываемый материал можно взять реосепаратор Х20 фирмы «Alfa Laval». Он приспособлен для прокачки тяжёлой высоковязкой нефти перед подачей её в магистральный трубопровод. Это снижает её вязкость и даёт большой экономический эффект. Раньше этого добивались подогревом и насыщением нефти химикатами-деэмульгаторами.
Узкие КРЗ, высокие давление и температура травмируют материал в рабочей зоне разделения. Добиваясь большой производительности, приходится жертвовать качеством. Напряжённый режим переработки в некоторых случаях вызывает необратимые качественные изменения (например, высокая температура приводит к коагуляции белков в молоке). Это недопустимо при дальнейшем использовании в технологическом процессе продуктов, полученных на реосепараторе.
Опыт зарубежных фирм показывает решение этой проблемы в переработке некоторых продуктов. Так, при создании нового поколения лекарств и медикаментов, получаемых из клеточных культур млекопитающих, фирмой «Alfa Laval» разработан техпроцесс сепарации, требующий особенно мягкой обработки с минимальным механическим воздействием на жидкость. Её реосепаратор Culturefuge предна-
значен для осветления (тонкой очистки) высококачественных напитков от частиц, чувствительных к встряхиванию и лёгкому механическому воздействию. Переработка таких материалов на других машинах приводит к разрушению частиц и создаёт проблемы с выделением, что резко снижает качество конечного продукта.
Такая же проблема решается фирмой «Westfalia Separator» (Германия) в проекте «Мягкий поток» [8]. Реосепараторы для молока и пива оснащаются гидрогерметичной системой подачи, предназначенной для щадящей загрузки продукта в барабан. Это даёт оптимальный осветляющий эффект. Система сепарации с полирующим эффектом — альтернативная процессу фильтрации.
Выводы. Научные работы, посвящённые разработке универсальных многоцелевых, высокопроизводительных машин и аппаратов, более чем актуальны. Они нацелены на будущее: помогут выжить многим отраслям промышленности России. Задача учёных, конструкторов — создание ЦРС нового типа, способных высококачественно перерабатывать различные сложные по свойствам материалы — устойчивые и неустойчивые композиты. Решение указанной задачи позволит уменьшить дефицит этих машин, повысить их производительность, улучшить качество разделения.
Литература
1. Карташов Л.П., Назаров В.В. Центробежные реосепараторы. Екатеринбург: ИПМ УрО РАН, 1997. 87 с.
2. Бремер Г.И. Теория центробежной очистки нефтепродуктов и её практическое применение при эксплуатации нефтяных сепараторов в сельскохозяйственном производстве: сборник научных трудов по земледельческой механике. Л., М.: Сельхозиздат, 19б1. Т. 6. С. 39—52.
3. Гольдин Е.М. Гидродинамические основы процесса тонкослойной сепарации // Труды ВСХИЗО. 1959. Вып. 3. С. 63-79.
4. URL: http://dpm.uaprom.net/p834848-separatory-alfa-laval. html.
5. Новые тракторы и автомобили / под ред. Н.А. Гончарова. М.: Колос, 1983. 224 с.
6. Прикладная механика и реофизика: сборник научных трудов / под общей редакцией д.т.н. З.П. Шульмана. Минск: ИТМО АН БССР, 1983. 175 с.
7. URL: http:// www.abmmilk.ru/node/126.
8. URL: http:// www.vinmoldova.md/index.php?mod= content&id=493
