Введение к работе
Актуальность темы исследования. Процессы разделения суспензий широко применяются в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической, металлургической, микробиологической и других отраслях промышленности. По данным НИИхиммаш оборудование для процессов разделения неоднородных систем составляет 60% всего оборудования современного химического предприятия. Традиционные центрифуги, применяемые в настоящее время на производствах, малоэффективны при переработке тонкодисперсных систем. Одним из самых эффективных с точки зрения интенсификации процесса разделения, является способ, в основе которого лежит и центробежное поле, и тонкопленочное течение. Ротор-но-пленочные центрифуги с коническими насадками показали высокую эффективность при разделении тонкодисперсных суспензий, однако, в очень узком диапазоне изменения параметров работы. Наиболее устойчивое внешнее течение реализуется на криволинейных поверхностях, но широкое внедрение роторно-пленочных центрифуг с криволинейными насадками сдерживается отсутствием теоретически обоснованных и экспериментально проверенных методик их расчета. Поэтому тема диссертационной работы является высоко актуальной и представляет значительный теоретический и прикладной интерес.
Одним из самых перспективных научных методов изучения различных явлений сложной природы является системный анализ, при котором изучаемая проблема представляется в виде системы, состоящий из подсистем более низкой иерархии. Причем эти процессы различны по своей физической природе, протекают различными скоростями, вносят различный вклад в достижение главной задачи технологической установки, взаимозависимы друг от друга и от внешних, иногда случайных, факторов.
Поэтому математическое моделирование (или численный эксперимент) является одним из основных и наиболее мощных инструментов системного анализа. При условии разработке полной математической модели, отличающейся дешевизной и безопасное то, оіражающей всю полноту взаимосвязи процессов низкой иерархии, ее анализ позволяет получать весьма информативные результаты в широком, недоступном физическому моделированию, диапазоне изменения параметров процессов.
В настоящее время суспензии с нелинейно-вязкой дисперсионной средой перерабатываются в промышленности в больших количествах. Не учет нелинейного характера кривой течения может привести к большим погрешностям.
Роторно-иленочиые центрифуги позволяют не только разделять тонкодисперсные труднофильтрусмыс суспензии, но классифицировать по фракциям твердый осадок.
Поэтому математическое суспензий с неньютоновской дисперсионной средой на криволинейных насадках и разработка методики инженерного расчета роторно-готеночных центрифуг с криволинейными насадками на основе анализа математической модели составляют весьма актуальную задачу, представляющую как теоретический, так и прикладной интерес.
Цели работы. Целью настоящей работы является разработка методики инженерного расчета роторно-пленочной центрифуги с криволинейными насадками для проведения процессов разделения тонкодисперсных суспензий и классификации твердых частиц.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие научные задачи:
I. Разработать математическую модель процессов разделения тонкодисперсных суспензий и классификации твердых частиц на криволинейных насадках, адекватно отражающих физическую картину.
2. Разработать алгоритм и программу численного решения полученной системы.
3. На основе найденных полей скоростей, давления в пленке неньютоновской жидкости и ее толщины, а также времени прохождения твердой частицей поверхности раздела фаз, определить основные параметры работы ро-торно-пленочных центрифуг с криволинейной насадкой.
4. Проверить адекватность разработанных математических моделей путем сравнения теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными на лабораторной установке.
5. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать методику инженерного расчета роторно-лленочных центрифуг для проведения процессов разделения тонкодисперсных суспензий и классификации твердых частиц на криволинейных насадках.
Научная новизна работы. В работе получены следующие новые научные результаты:
1. Впервые рассмотрен процесс разделения тонкодисперсных суспензий с неньютоновской дисперсионной средой на роторно-пленочной центрифуге с насадкой произвольной формы, как сложной системы всплытия частицы к поверхности раздела фаз при условии стесненного движения частиц и процесса прохождения поверхности раздела фаз, и получена полная математическая модель процесса разделения.
2. Предложен новый метод решения полных уравнений реодинамики для случая неполной автомодельное™ с разработкой алгоритма этого решения.
3. Проведены экспериментальные исследования процесса разделения тонкодисперсных суспензий в центробежном поле для случая внешнего течения по поверхности криволинейной насадки и найдены параметры разделения для различных режимов работы роторно-пленочной центрифуги.
4. Разработана научно обоснованная и экспериментально проверенная методика инженерного расчета роторно-пленочной центрифуги, обобщающая все существующие формы центробежных насадок.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Математическая модель процесса разделения тонкодисперсных суспензий с неньютоновской дисперсионной средой на насадках произвольной формы с учетом «стесненного» осаждения ансамбля частиц.
2. Вид решения полных уравнений реодинамики, позволивший свести эту систему уравнений в частных производных к системе обыкновенных дифференциальных уравнений.
3. Метод решения для случая неполной автомодельности и алгоритм этого решения.
4. Аналитические зависимости для определения основных параметров работы роторно-пленочных центрифуг.
5. Результаты экспериментального исследования процессов разделения тонкодисперсных систем и классификации твердых частиц на криволинейных насадках.
6. Методика инженерного расчета роторно-пленочных центрифуг с криволинейными насадками.
Практическая ценность работы.
1. Разработанная методика инженерного расчета роторно-пленочной центрифуги с криволинейной насадкой может быть использована для анализа гидродинамических и тепло - массообменных процессов, реализуемых в центробежном поле, принята к внедрению на промышленных предприятиях г. Волгограда и Волгоградской области.
2. Аналитические зависимости для определения параметров работы могут быть использованы для очень широкого спектра перерабатываемых жидкотекучих сред Й для центробежных насадок любой формы.
3. Экспериментально найдена форма криволинейной насадки, на которой реализуется устойчивое течение в широком диапазоне параметров работы
роторно-пленочной центрифуги.
4. Разработанная методика инженерного расчета процессов разделения и эффективного метода мокрой классификации твердых частиц найдет широкое применение, как в традиционных, так и в специальных отраслях промышленности.
Достоверность полученных результатов.
1. Научные результаты получены путем анализа математической модели процесса разделения тонкодисперсных суспензий со «степенной» дисперсионной средой на вращающейся криволинейной поверхности на основе полных уравнений реодинамики и «стесненного» движения ансамбля частиц.
2, Полученные аналитические зависимости для определения основных гидродинамических параметров течения для случая предельного перехода к конической насадке и плоскому диску хорошо согласуются с результатами других авторов.
3, Полученные теоретические результаты подтверждены автором экспериментально на лабораторной установке и хорошо коррелируют с теоретическими и экспериментальными данными для плоского диска и конической насадки других авторов.
Апробация работы. Основные разделы работы докладывались на международной конференции в г. Вологда, региональной конференции молодых исследователей в г. Волгограде, а также на научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета 1999-2003 г.
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано семь научных работ, три из которых в центральной печати.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы -140 страниц, в том числе 127 страниц основного текста с приложением и списком литературы из 157 наименований на 13 страницах.
