Содержание к диссертации
Введение
1 .Аналш современного оборудования для разделения суспензий и литературных источников по математическим моделям разделения гетерогенных систем 12
1.1 Анализ литературных источников по конструкциям устройств для разделения суспензий 12
1.1.1 Роторные аппараты для сгущения суспензий 13
1.1.2 Гидроциклоны 21
1.1.3. Другие виды разделителей суспензий 24
1.2 Обзор литературных источников по математическим моделям разделения гетерогенных систем 26
1.2.1. Модели, использующие одночастичный подход 26
1.2.2. Модели, использующие теорию случайных марковских процессов и методы статистической механики 32
Выводы по главе: 39
2. Математическое моделирование процессов разделения суспензии на вращающейся конической насадке и при ударе ее о неподвижный наклонный отбойник 41
2.1 Предварительные экспериментальные исследования 41
2.1.1. Экспериментальное исследование процесса разбрасывания суспензии дисками и коническими насадками 41
2.1.2.Экспериментальное выявление механизма разделения суспензии при ударе ее о неподвижный наклонный отбойник 44
2.2. Математическое моделирование процесса разделения суспензии на вращающейся конической насадке 48
2.2.1.Расчет без учета взаимодействия частиц 48
2.2.2. Расчет процесса разделения с учетом взаимодействия частиц 55
2.3. Математическая модель ударного взаимодействия потока суспензии с неподвижным наклонным отбойником 62
Выводы по главе , 76
3. Экспериментальное исследование процесса разделения суспензии 78
3.1.Экспериментальное исследование процесса разделения суспензий на вращающейся конической насадке 78
3.2. Исследование процесса разделение суспензий при ударе о неподвижный отбойник 82 3.3.Исследование процесса разделение суспензий при косом ударе о неподвижный отбойник 95
Выводы по главе: 97
4. Разработка и расчет устройства для разделения суспензий применительно к их транспортированию 98
4.1.Описание конструкции устройства 98
4.2 Расчет устройства 102
Основные выводы и результаты по работы 108
Литература
- Роторные аппараты для сгущения суспензий
- Модели, использующие теорию случайных марковских процессов и методы статистической механики
- Экспериментальное исследование процесса разбрасывания суспензии дисками и коническими насадками
- Исследование процесса разделение суспензий при ударе о неподвижный отбойник
Введение к работе
Актуальность темы исследования, В настоящее время в химической, металлургической промышленности, в гидротехническом и гидромелиоративном строительстве существует необходимость перемещения больших масс суспензий на значительные расстояния. При этом часто отсутствует возможность применения железнодорожного, автомобильного и других видов транспорта. В этих условиях особенно эффективным оказывается применение гидротранспортных систем, которые, благодаря высокой эффективности, быстро распространяются и уже занимают лидирующее положение в системах внутризаводского транспорта. Однако внедрение оборудования для этих целей часто затруднено отсутствием опыта транспортирования суспензий, особенно с абразивной твердой фазой.
В связи с указанным, повышение эффективности внутризаводского транспорта связано с созданием новых методов и оборудования для этих целей. Одним из возможных и перспективных путей повышения надежности напорного оборудования в гидротранспортных системах является использование на перекачивающих станциях разделителей суспензий. При этом сгущенная часть суспензии транспортируется с помощью осветленной части, которая разгоняется насосом, и оба потока смешиваются в инжекторе. Такой подход к решению задачи транспортирования суспензий позволяет значительно повысить долговечность насосов и надежность гидротранспортных систем.
Цель работы. Целью настоящей работы является создание математических моделей и на их основе разработка методики инженерного расчета устройства для разделения суспензий применительно к ее транспортированию.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие научные задачи:
-
создание математической модели процесса разделения суспензий на вращающейся конической насадке с учетом полидисперсности твердой фазы;
-
экспериментальное выявление возможности ударного разделения суспензии и разработка математической модели этого процесса;
-
проверка адекватности разработанных математических моделей опытным данным, полученным на лабораторных установках;
-
разработка конструкции устройства для разделения суспензий, содержащих абразивную твердую фазу, применительно к ее транспортировке, при высокой производительности и достаточном качестве разделения;
-
создание на основе теоретических и экспериментальных исследований методики инженерного расчета и выявление оптимальных режимных и конструктивных параметров устройства;
Научная новизна работы.
-
впервые изучен процесс ударного разделения суспензий на твердую и жидкую фазу и составлена математическая модель этого процесса;
-
экспериментально определены значения коэффициента восстановления при ударном взаимодействии твердых частиц суспензии с преградой;
Р0С НАЦИОНАЛЫ*** БИВЛИОТЕКА
-
разработана конструкция устройства для разделения суспензий, содержащих значительное количество абразивной твердой фазы, защищенная патентом Российской Федерации;
-
создана научно обоснованная и экспериментально проверенная методика инженерного расчета оптимальных режимных и конструктивных параметров разделителя суспензий применительно к их транспортированию.
На защиту выносятся следующие положения.
-
математическая модель процесса разделения суспензий на вращающейся конической насадке;
-
математическая модель процесса разделения суспензий при ударе о неподвижный отбойник;
-
конструкция и метод расчета устройства для разделения суспензий применительно к их транспортированию;
Практическая ценность работы.
-
использование разработанного устройства позволяет с достаточно высокой степенью разделения применительно к процессу гидротранспортирования выделять из суспензии абразивную твердую фазу при высокой производительности и низких энергозатратах;
-
создана методика инженерного расчета, которая находит использование при разработке оборудования для разделения суспензий в задачах химической и других отраслей промышленности;
Достоверность полученных результатов.
Достоверность научных положений и выводов диссертации базируется на комплексном применении современных физико-механических и математических методов анализа, а также удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных данных.
Апробадия работы.
Основные разделы работы докладывались на XX научной конференции стран СНГ в г. Одесса в 2002 г. и Международной научной конференции «Энергоресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства» г. Иваново, 2004 г.
Публикации.
По материалам выполненных исследований опубликовано семь научных работ.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения Общий объем работы - 128 стр, в том числе 124 стр. основного текста, включая рисунки и таблицы, с приложениями и списком литературы № 141 наименований.
Роторные аппараты для сгущения суспензий
Выбор метода разделения суспензий определяется, прежде всего, ее свойствами. Разделительная способность суспензий зависит не только от размеров частиц, но и от соотношения плотностей твердой и жидкой фаз. Исходя из этих двух факторов, осуществляется выбор метода разделения.
Наибольшее применение в промышленности получил метод разделения суспензий в поле центробежных сил - центрифугирование. Основное достоинство данного метода состоит в том, что центробежные силы оказывают на разделяемую фазу гораздо большее воздействие, чем силы тяжести или давления. Поэтому он позволяет более эффективно проводить механическое разделение суспензий, чем отстаивание или фильтрование.
Оборудование для осуществления процесса центрифугирования можно разбить на два больших класса по способу организации вращательного движения жидкости [21]. В оборудовании, относящемуся к первому классу, вращательное движение жидкости задается движением ротора. Такие машины получили название центрифуг[21-38]. Ко второму классу оборудования для центробежного разделения суспензий следует отнести аппараты, в которых вращательное движение жидкости обеспечивается особыми способами ее ввода в корпус аппарата. Такие аппараты не имеют движущихся частей и носят название гидроциклонов [39-53].
Роторные аппараты для сгущения суспензий В настоящее время в нашей стране и за рубежом выпускается большое количество роторных аппаратов различных типов. Их классификация может быть произведена по следующим признакам [21-22]: по величине фактора разделения, по величине производительности, по режиму работы, по способу выгрузки осадка, по конструктивным признакам. Важнейшим из этих признаков является фактор разделения, который характеризует напряженность поля центробежных сил в центрифуге и представляет собой отношение центробежного ускорения к ускорению силы тяжести: Ф О)2Г (1.1) Здесь ю-угловая скорость вращения ротора, г- радиус барабана, g-ускорение силы тяжести. В зависимости от величины безразмерного числа Ф центрифуги делятся на два класса: центрифуги нормальные (Ф 3500), центрифуги j скоростные или сверхцентрифуги (Ф 3500). Нормальные центрифуги применяются, как правило, для обработки суспензий, содержащих крупнозернистую, среднезернистую и мелкозернистую твердую фазу, а также для отжима штучных материалов.
Сверхцентрифуги применяются, главным образом, для обработки тонких и коллоидных суспензий малой концентрации. Эти аппараты в силу специального технологического назначения и особенностей конструкции носят названия трубчатых центрифуг или сепараторов. Независимо от фактора разделения процессы центрифугирования суспензий можно подразделять на центрифугальное осветление, центробежное сгущение и осадительное центрифугирование.
Центрифугальное осветление - это процесс наиболее тщательного удаления с помощью центрифуг примесей, содержащихся в жидкостях в незначительных количествах (не более 5%). В качестве примеров центрифугального осветления можно указать на удаление загрязнений и примесей из лаков и смазочных масел в целях регенерации последних.
Центробежное сгущение - процесс, при котором выделенные частицы дисперсной фазы концентрируются в относительно небольшом объеме дисперсионной среды. Эффективность процесса оценивается по степени сгущения и уноса. Степень сгущения определяется отношением содержания дисперсной фазы в концентрате и в исходном продукте.
Осадительное центрифугирование является процессом разделения суспензий, содержащих значительное количество твердой фазы. Примерами осадительного центрифугирования являются отделение угольного шлама от воды, выделение твердой фазы из сточных вод и т.д. Осадительное центрифугирование в общем случае слагается из трех физических процессов: осаждение твердой фазы, уплотнение осадка и удаление жидкости из пор осадка.
Конструкции центрифуг подробно освещены в литературе [21-38], в связи с этим приведем их только основные конструктивные их схемы, приведенные в названных источниках.
Принципиально каждая центрифуга имеет вращающийся с большой скоростью барабан с устройствами ввода пульпы, вывода осадка и фугата. Пользуясь известной классификацией, а также особенностями конструкций, разработанных в результате выполнения данной работы, будем рассматривать центрифуги в зависимости от толщины жидкостного слоя во вращающемся барабане. В соответствии с этим приведем конструкции для обычного осадительного разделения и тонкослойного разделения.
К центрифугам первой группы относятся непрерывно действующие центрифуги со шнековой выгрузкой осадка (рис. 1.1) [21,23]. Указанные центрифуги применяются для разделения суспензий с широким интервалом дисперсности твердой фазы(10-0,005мм) и объемной концентрации.
Модели, использующие теорию случайных марковских процессов и методы статистической механики
Гидроциклоны - это аппараты, выгодно отличающиеся от других типов оборудования для разделения суспензий простотой устройства, отсутствием движущихся частей, высокой производительностью 1]. Они компактны и дешевы в изготовлении и эксплуатации, более соответствуют санитарным нормам. Гидроциклон состоит из двух основных частей: цилиндрической и конической. В цилиндрической части имеется входной патрубок прямоугольного или круглого сечения, по которому исходная суспензия подается тангенциально в гидроциклон. Для вывода мелких частиц служит сливная трубка. В конической части снизу находятся разгрузочная насадка, через отверстие которой удаляются из аппарата более крупные частицы. Метод разделения твердых частиц различной величины в гидроциклоне основан на различии в их движении под действием центробежной силы и силы сопротивления движению. Частицы, неспособные под действием центробежных сил преодолеть сопротивление радиального потока жидкости, уносятся к центральной части (оси) гидроциклона и, попадая во внутренний восходящий поток, выносятся через сливную трубу.
В гидроциклоне в начальный момент заполнения жидкостью образуется вращающаяся воронка. При дальнейшем заполнении аппарата и при истечении жидкости из выходящих отверстий вдоль оси гидроциклона образуется воздушный столб, размеры которого определяются целым рядом факторов и в первую очередь давлением питания. Размеры и форма воздушного столба оказывают значительное влияние на процессы, происходящие в аппарате.
Первым гидроциклоном, получившим широкое распространение, был гидроциклон Голландского государственного горного управления[44] До сих пор эта конструкция принята за основу при проектировании современных гидроциклонов. Дальнейшее развитие конструкций гидроциклонов шло по пути изменения и усовершенствования отдельных узлов и геометрии гидроциклона. Интересна конструкция гидроциклона, предложенного, Дальстромом [45], Цилиндрическая часть циклона сверху полностью открыта, а верхний слив удаляется через отогнутую трубу, врезанную в средней части цилиндра гидроциклона. Из-за открытой верхней части такой гидроциклон может работать только при очень низких давлениях питания, что приводит к более грубому разделению, чем в гидроциклонах других конструкций.
В работах [50-52] описаны конструкции гидроциклонов, применяемых на отечественных обогатительных фабриках. Эти конструкции отличаются друг от друга способом слива, различным конструктивным оформлением Песковых насадок и питающих патрубков. Принципиальное отличие от рассмотренных конструкций имеет конструкция турбоциклона[52], где вращение жидкости обеспечивается при помощи турбинки, установленной внутри корпуса и приводимой в движение через привод электродвигателя. Турбоциклон не получил широкого распространения из-за сложности конструкции и значительных удельных расходов энергии при равных с обычными гидроциклонами показателях работы. В настоящее время накоплен достаточно обширный опыт использования разного рода сгустителей суспензий в горнодобывающей промышленности.
Для разделения разбавленных тонкодисперсных суспензий с целью получения более тонкого слива целесообразно применять гидроциклоны малого размера. Но так как производительность небольших гидроциклонов мала, их объединяют в батареи.
Этот принцип положен в основу при конструировании мультигидроциклонов, состоящих из циклонных элементов малого диаметра (15-20мм), которые питаются от общего пульпопровода и представляют собой один агрегат. Очевидно, что любая конструкция гидроциклона,как бы она ни была совершенна, не может быть оптимальной для проведения любых процессов разделения.
С целью повышения эффективности разделения суспензий[53] в устройстве изображенном на рис.1.7, увеличена окружная составляющая скорости движения суспензии с помощью ускорителя потока. При работе разделителя суспензия подается через тангенциальный патрубок 2 в верхнюю часть конического корпуса 1 и закручивается. В результате действия центробежных сил твердые частицы отбрасываются к стенкам и движутся по спиральным транспортным перегородкам 5 к тангенциально установленным патрубкам 3, через которые сгущенная суспензия безударно выводится из аппарата. Осветленная жидкость движется по спиральным перегородкам 5 на некотором расстоянии от корпуса 1, затем переливается через кольцевую перегородку 6 и выводится из разделителя через коническую камеру 4. Разгонная жидкость под некоторым давлением подается в ускорители потока- дополнительные патрубки 7, увеличивает скорость движения суспензии- этим достигается повышение степени разделения.
Экспериментальное исследование процесса разбрасывания суспензии дисками и коническими насадками
В настоящее время гидротранспортирование широко применяется при гидродобыче угля, руд, нерудных полезных ископаемых, освоении месторождений в сложных горно-геологических условиях, транспортировании мелких углей, руд, торфов, концентратов, отходов обогащения и других материалов[1,2,5].
Использующееся в настоящее время оборудование, для указанных целей, в основном насосного типа, достаточно сложно по конструкции, требует больших количеств жидкости и подвержено значительному износу. По этой причине его применение в других отраслях, в частности, в химической промышленности для внутризаводского транспорта-сравнительно ограничено.
Высокая влажность транспортируемых материалов, тиксотропностъ, абразивный характер значительно затрудняют эксплуатацию систем механического транспорта, так как вызывают коррозионное повреждение траспортных устройств, интенсивное зарастание рабочих поверхностей транспортных лент, роликов, течек, бункеров, вагонеток и так далее, что требует частых остановок технологических систем для чистки и ремонта с большими затратами ручного труда.
На ряде заводов (Волховский алюминиевый, Крымский двуокиси титана, Кингисеппское ПО "Фосфорит", Чарджоуский химзавод, Череповецкое ПО "Аммофос" и другие) находятся в эксплуатации системы гидротранспортирования фосфогипса со складированием его в гидрозащищенных отвалах. Длительная промышленная эксплуатация, несмотря на различный уровень технических решений, собственно систем гидротранспортирования, для подавляющего большинства заводов показала их высокую надежность. Остановки цехов ЭФК по причине выхода из строя систем гидротранспортирования фосфогипса на этих заводах практически отсутствовал.
Данный вид транспорта отличается: - Возможностью работы с высокой производительностью, широким диапазоном Т/Ж перекачиваемой пульпы, а также возможностью работы с малым количеством воды (при Т/Ж=1:2,5-3.); - Нечувствительностью к изменениям свойств пульпы; - Гибкостью транспортной системы в отношении возможности привязки ее к реальным условиям действующих заводов, возможностью транспортирования на значительные расстояния, определяемые конкретными условиями сооружения отвалов или объектов переработки, и сравнительно низкими эксплуатационными затратами.
Таким образом, решение проблемы транспортирования сыпучих материалов гидравлическим способом может быть оценено как наиболее оптимальный вариант.
Из практики эксплуатации системы гидроудаления огарка на Череповецком ПО "Аммофос" известно, что износ перекачивающих насосов происходит за счет наличия в потоке пульпы твердой фракции с размером частиц от 300 мкм и выше, обладающей абразивной способностью[21].
Предлагаемое решение предусматривает вывод твердой фракции с размером частиц от 300 мкм и выше из потока пульпы, прокачиваемой насосом.
Теоретические и экспериментальные исследования, представленные в данной работе, способствовали созданию устройства для транспортирования суспензий[122]. В данном устройстве совмещены способы разделения суспензии на вращающейся конической насадке и при ударе о неподвижный отбойник.
Исследование процесса разделение суспензий при ударе о неподвижный отбойник
Теоретические и экспериментальные исследования, представленные в данной работе, способствовали созданию устройства для транспортирования суспензий[122]. В данном устройстве совмещены способы разделения суспензии на вращающейся конической насадке и при ударе о неподвижный отбойник. представлена принципиальная схема устройства для транспортирования суспензий. Устройство содержит центробежный насос 9, неподвижный корпус 1, состоящий из цилиндрической и конической частей, подсоединенный к приемной камере водоструйного элеватора 10. Во внутреннем объеме корпуса 1 расположена коническая насадка 2, установленная в подшипниковом узле 3 и снабженная приводом вращательного движения вокруг вертикальной оси 8, патрубок для подачи суспензии 4 разделительное устройство 5, установленное на периферийной части конической насадки с возможностью регулировки расстояния между ним и насадкой, соединенное с приемником жидкой фазы 6, конический отбойник 7.
Устройство работает следующим образом.
Подлежащая транспортированию суспензия из патрубка для подачи суспензии 4 поступает на вращающуюся коническую насадку 2, где при вращении, под действием центробежных сил поднимается по насадке и с помощью разделительного устройства 5, от суспензии отделяется слой, не содержащий твердой фазы, который затем отводится в приемник жидкой фазы 6, а из него попадает на вход центробежного насоса 9, соединенного с активным соплом водоструйного элеватора 10. Сгущенная часть суспензии, проходя через щель между разделительным устройством 5 и конической насадкой 2, ударяется о конический отбойник 7 и разделяется на жидкую фазу, которая стекает приемник жидкой фазы и твердую, которая отскакивает и поступает в приемный заборник водоструйного элеватора 10. Увлекаемая потоком жидкой фазы из ею активного сопла, сгущенная фаза поступает в магистральный трубопровод. Таким образом, в устройстве для транспортирования суспензий кинетическая энергия, сообщенная жидкой фазе центробежным насосом, преобразуется далее для транспортирования твердой фазы, т.е. в рассматриваемой схеме транспортирования пульпы, срок службы насоса значительно повышается вследствие вывода из потока пульпы, протягиваемой насосом, твердой фракции с размером частиц более 0,3 мм.
Как показали теоретические и экспериментальные исследования, проведенные во 2 и 3 главах, эффективность разделения суспензии зависит от конструктивных и режимных параметров установки.
Насосное оборудование, применяемое в системах гидротранспорта наиболее быстро изнашивается от попадания в него абразивных частиц размером более 0.1-0,3. мм[21]. Следовательно, разрабатываемое устройство для разделения суспензий не должно допускать попадания в осветленную фазу суспензии твердых частиц крупнее определенного диаметра.
Порядок расчета устройства: -определение исходных данных; -определение минимальной скорости встречи частиц с отбойником, обеспечивающей отражение частицы размером D ; -определение размера конической насадки; -определение частоты вращения конической насадки; -определение мощности, затрачиваемой разделителем; 1 .Исходные данные для расчета: Отношение Т/Ж в исходной суспензии; производительность аппарата Q; максимальный диаметр твердых частиц, которые попадают в осветленную фазу D ; гранулометрический состав твердой фазы; коэффициент восстановления. 2. Определение минимальной скорости встречи частиц с отбойником, обеспечивающей отражение частицы размером D
Расчет устройства следует начинать с определения необходимой скорости налегания частицы диаметра D на наклонный отбойник [123-129]
Как отмечено во 2-й главе, при взаимодействии потока предварительно сгущенной суспензии с неподвижным отбойником, происходит ее дальнейшее сгущение. Вероятность попадания твердой частицы, т.е. уноса ее потоком стекающей по поверхности отбойника жидкой фазы зависит от энергии частицы, а следовательно от ее скорости в момент удара.
Распыливающая коническая насадка должна сообщить такую скорость твердым частицам, чтобы их энергии было достаточно для преодоления сил поверхностного натяжения стекающего суспензионного слоя, и отразиться от отбойника. Наиболее вероятный минимальный размер частицы, попадающей в осветленную фазу D , определяется уравнением (2.58). Решив это уравнение относительно EQ, получим: 8
Решением уравнений (2.83-2.84) и (4.1) в символьном виде, получим скорость Vmin, необходимую для отражения частицы размером D от отбойника.
Экспериментальными исследованиями, приведенными в главе 3, установлено, что максимальная скорость срыва твердых частиц с конического распылителя происходит при угле конусности более 45. Дальнейшее увеличение угла конусности приводит к снижению производительности аппарата.
Определение размера конической насадки В проектируемом устройстве основная масса жидкой фазы отделяется при движении суспензии по поверхности вращающейся конической насадке с помощью конического разделительного устройства, установленного в верхней части.
Как показано в главе 2, вначале, из движущегося потока суспензии, под действием центробежных сил, на внутреннюю поверхность насадки осаждаются более крупные частицы, затем мелкие. После полного осаждения суспензия движется в виде двух слоев, слоя очищенной жидкой фазы и предварительно сгущенной суспензии. Забор жидкой фазы следует производить в зоне, где полностью осела твердая фаза. Величину образующей конуса и угловую скорость насадки определяем из условия осаждения частицы размера D . В наихудшем случае частица находится в точке 0 (рис.4.3)
