Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Некоторые актуальные вопросы гидроциклонирования 14
1.1. Гидроциклоны в химической промышленности. 14
1.2. Использование гидроциклонов для разделения эмульсий 26
1.3. Конструкции гидроциклонных аппаратов для разделения несмешивающихся жидкостей. 28
1.4. Поле скоростей в гидроциклонах,
1.4.1. Тангенциальная скорость .34
1.4.2. Радиальная и осевая скорости 42
1.5. Влияние степени турбулентности потока на эффективность работы гидроциклона. 43
1.6. Расходные характеристики гидроциклонных аппаратов 44
1.7. Расчет разделяющей способности гидроциклонов 47
1.8. Выводы по состоянию вопроса и постановка задачи исследования 53
ГЛАВА 2. Оценка эфективности сепарационных процессов в аппаратах гидроциклонного типа 56
2.1. Классификация гидроциклонных аппаратов ективность процессов разделения в аппаратах гидро-циклонного типа 58
2.3. Сопоставление вариантов разделения гетерогенных систем в гидроциклонах на основе энтропийного подхода 68
ГЛАВА 3. Метод исследования и гидродинамика цижндрического противоточного гидроциклона 72
3.1. Основы электродиффузионного метода диагностики турбулентных потоков 73
Измерение касательных напряжений Рейнольдса электродиф фузионным методом .7?
3.3. Экспериментальная установка. Методика проведения эксперимента 30
3.4. Распределение тангенциальной составляющей скорости пото-ка в объеме цилиндрического противоточного гидроциклона. 87
3.5. Степень турбулентности потока в объеме цилиндрического противоточного гидроциклона. 97
ГЛАВА 4. Математическая модель процесса разделения неоднородных дисперсных систем в гидроциклонах .102
4.1. Цилиндрический прямоточный гидроциклон 103
4.2. Цилиндроконический гидроциклон 106
4.3. Цилиндрический противоточный гидроциклон 112
ГЛАВА 5. Теоретические предпосылки разделения эмульсий в гидроциклонах. 116
5.1. Устойчивость дисперсной фазы эмульсий при разделении в гидроциклонах 116
5.2. Особенности разделения несмешивающихся жидкостей (эмульсий) в гидроциклонах 127
5.3. Определение размеров дисперсной фазы эмульсий, подаваемой на разделение в гидроциклон.., 132
ГЛАВА 6. Особенности разделения эмульсий в гидроциклонах ... 141
6.1. К расчету сложных схем соединения гидроциклонов... 141
6.2. Определение критической скорости разделения несмешивающихся жидкостей в гидроциклонах 148
6.3. Исследование осевой зоны разрежения в гидроциклонах... 149
ГЛАВА 7. Влияние конструктивных и режимных параметров на показа тели разделения эмульсий в гидроциклонах 163
7.1. Описание экспериментальной установки. Методика проведения экспериментов. 163
7.2. Экспериментальное определение основных показателей раз деления эмульсий в гидроциклонных аппаратах различных конструкций. 171
7.2.1. Разделение несмешивающихся жидкостей (эмульсий.) с легкой дисперсной фазой в гидроциклонных аппаратах 171
7.2.2. Разделение несмешивающихся жидкостей (эмульсий) с тяжелой дисперсной фазой в гидроциклонных аппаратах 185
7.3. Влияние материала конструкции на разделяющую способность гидроциклона 196
7.4. Расходные характеристики гидроциклонов 200
7.4.1. Общая производительность и распределение потоков в цилиндрическом противоточном гидроциклоне 201
7.4.2. Общая производительность и распределение потоков в цилиндроконическом гидроциклоне 207
ГЛАВА 8. Практическое использование результатов исследований ... 215
3.1. Разработка новых конструкций гидроциклонных аппаратов..215
8.1. Использование гидроциклонов в технологических процесса Y ООС
О СІЛ ,: ,оО
3.3. Расчет показателей разделения несмешивающихся жидкостей в гидроциклонах 259
Основные выводы и результаты 270
Литература. 272
- Использование гидроциклонов для разделения эмульсий
- Сопоставление вариантов разделения гетерогенных систем в гидроциклонах на основе энтропийного подхода
- Экспериментальная установка. Методика проведения эксперимента
- Цилиндроконический гидроциклон
Введение к работе
Решение проблем, связанных с экономией энергии, сбережением сырьевых и материальных ресурсов, устранение противоречий между состоянием технологии и техники на действующих предприятиях и современными, включая экологические, требованиями к производству, обуславливает необходимость интенсификации как отдельных процессов химической технологии, так и их совокупностей в виде больших химико-технологических систем. Одним из наиболее важных вопросов в этом аспекте является охрана водных объектов, связанная с решением сложных многоплановых проблем и поэтому носящая комплексный межотраслевой характер. Особое значение приобретает при этом качественное повышение локальной очистки технологических и сточных вод, целью которой является снижение загрязненности общего стока и сокращение затрат на его очистку, утилизация уловленных в технологическом процессе отходов, что в перспективе позволяет перейти на замкнутые схемы водооборотных циклов. В свою очередь интенсификация процессов в химической и смежных с ней отраслях промышленности невозможна без создания эффективного оборудования и разработки надежных методов его расчета и оптимизации.
В ряде отраслей промышленности для качественного разделения больших объемов неоднородных дисперсных систем вместо низкоэффективного и громоздкого отстойного оборудования широкое распространение получают аппараты центробежного типа - гидроциклоны. Однако, как показано в ряде исследований [1-3], центробежные силы оказывают существенное влияние на протекание не только гидродинамических, но тепловых и массообменных процессов, а в ряде случаев целиком их определяют. Простота конструкции, отсутствие движущихся частей, удобство в эксплуатации позволяют использовать их для осветления, -сгущения и классификации суспензий и пульп в широком интервале концентраций и гранулометрического состава исходных продуктов. Промышленному использованию гидроциклонов способствует также значительный экспериментальный материал и результаты теоретических исследований, посвященные созданию математической модели сепарации дисперсных неоднородных систем типа жидкость - твердое тело. Нужно особо отметить, что в некоторых сферах производства, где в силу определенных условий проблемы разделения зачастую приходится решать для замкнутых систем при высоких давлениях, высоких температурах и в присутствии агрессивных сред, преимущества гидроциклона становятся еще более бесспорными.
В то же время, несмотря на несомненную перспективность, гидроциклоны до сих пор недостаточно полно используются для проведения процессов разделения несмешивающихся жидкостей (эмульсий). Это обусловлено более сложным механизмом процесса сепарации, а также отсутствием достаточно надежных методов инженерного расчета, основанных на достоверных опытных данных [2,3]. Решение этой проблемы невозможно без проведения тщательных комплексных исследований и выяснения общих закономерностей разделения несмешивающихся жидкостей, изучения влияния конструктивных параметров и технологических режимов работы на гидродинамику гидроциклонов и эффективность сепарации в этих аппаратах.
Большую роль при разработке производственного процесса играет также правильный выбор самой конструкции аппарата, которая наряду с высокой производительностью должна обеспечивать необходимое качество получаемых конечных продуктов. К таким аппаратам, как показывает практика, наряду с традиционными цшшндроконическими, можно отнести цилиндрические противоточные гидроциклоны с тангенциальной разгрузкой нижнего продукта и цилиндрические прямоточные аппараты с позон -ным отводом продуктов разделения. Однако, если для первой из указанных конструкций имеется обширный экспериментальный и теоретический материал по гидродинамике и расходным характеристикам, то для второго типа аппаратов все эти данные практически отсутствуют. Исходя из этого, целью настоящей работы являлось:
- рассмотрение вопроса оценки эффективности сепарационных процессов в гидроциклонах и обоснование выбора рациональных вариантов конструктивного оформления процессов разделения;
- исследование гидродинамики цилиндрического противоточного гидроциклона с тангенциальной разгрузкой нижнего продукта, получение достоверных данных по распределению тангенциальной скорости жидкости и турбулентности потока в объеме аппарата;
- разработка методики расчета локальных значений тангенциальной составляющей скорости потока в цилиндрическом противоточном гидроциклоне;
- разработка метода расчета расходных характеристик цилиндро-конического и цилиндрического противоточного гидроциклонов при разделении эмульсий;
- разработка инженерных методов расчета ожидаемых показателей разделения неоднородных дисперсных систем (в том числе нестабильных) в цилиндроконическом, цилиндрическом противоточном и цилиндрическом прямоточном гидроциклонах на основе детерминированного подхода к решению уравнения радиального движения частиц в вихревом турбулентном потоке ;
- экспериментальное изучение влияния конструктивных параметров и режимных факторов на основные показатели разделения несмешиваю-щихся жидкостей в гидроциклонах, анализ поведения нестабильных систем в гидроциклонных аппаратах, сопоставление полученных результатов с разрабатываемой моделью;
- разработка инженерного метода расчета сложных схем соединения гидроциклонов при разделении эмульсий;
- получение зависимостей для расчета диаметра осевой зоны разрежения (воздушного столба);
- разработка рациональных конструкций аппаратов гидроциклонного типа для проведения качественного разделения неоднородных дисперсных систем с нестабильной дисперсной фазой и внедрение их в технологические процессы.
Научную новизну работы представляют:
- метод расчета состава продуктов разделения цилиндроконичес-кого, цилиндрического противоточного и цилиндрического прямоточного гидроциклонов, разработанный на основании детерминированного подхода к решению уравнения движения частицы дисперсной фазы в радиальном направлении и результатов экспериментальных исследований ;
- методика расчета локальных значений тангенциальной скорости в объеме цилиндрического противоточного гидроциклона.;
- результаты изучения поведения капель дисперсной фазы в центробежном поле и определение ее размера на входе в гидроциклон;
- расчетная зависимость предельной (критической) скорости подачи исходной эмульсии в гидроциклон, превышение которой при определенных условиях приводит к ухудшению процесса сепарации за счет интенсивного эмульгирования;
- полученные данные по распределению тангенциальной скорости, касательных напряжений Рейнольдса, радиальной и тангенциальной степеней турбулентности в объеме цилиндрического противоточного гидроциклона;
- методика расчета расходных характеристик цилиндроконического и цилиндрического противоточного гидроциклонных аппаратов при разделении несмешивающихся жидкостей.
В работе защищаются:
1. Метод расчета состава продуктов разделения цилиндроконичес-кого, цилиндрического противоточного и цилиндрического прямоточного гидроциклонов, разработанный на основе детерминированного подхода к решению уравнения радиального движения частиц дисперсной фазы и полученных экспериментальных данных по разделению различных типов эмульсий.
2. Зависимости для определения диаметра капель и критической скорости устойчивой работы гидроциклонов при разделении эмульсий, полученные в результате изучения закономерностей поведения капель различных эмульсий в поле центробежных сил.
3. Инженерный метод расчета показателей разделения неоднородных дисперсных систем в сложных схемах соединения гидроциклонов.
4. Результаты экспериментального исследования распределения тангенциальной скорости потока, касательных напряжений Рейнольдса, радиальной и тангенциальной степеней турбулентности в объеме цилиндрического противоточного гидроциклона.
5. Методика расчета локальных значений тангенциальной скорости в цилиндрическом противоточном гидроциклоне.
Результаты данной научно-исследовательской работы отмечались в Отчетах АН СССР и РАН "Важнейшие достижения в области естественных, технических, гуманитарных и общественных наук" по разделу ТОХТ в 1990 г. и 1992 г.
Экспериментальные и теоретические исследования проводились в соответствии:
- с Координационным планом научно-исследовательских работ АН СССР по направлению ТОХТ на 1981-1985 г.г., 1986-1990 г.г. (2.27.4.1.2);
- с Государственной научно-технической программой России "Новые принципы и методы получения химических веществ и материалов" в -рамках макротемы 09.03 "Научные основы создания принципиально новых типов теплообменного оборудования и аппаратуры для разделения смесей" в 1993-1997 г.г. (09.03.01);
- с Межвузовской научно-технической программой "Теоретические основы химической технологии и новые принципы управления химическими процессами" в 1991-1993 г.г., 1994-1997 г.г. (05.08).
Автор благодарит за большую научно-методическую помощь, поддержку и консультации на всех этапах работы академика, доктора технических наук, профессора Кутепова А. М.
Использование гидроциклонов для разделения эмульсий
Применяемые в промышленности в настоящее время основные способы деэмульгирования условно можно разделить на следующие группы
1. Химический способ, заключающийся в удалении барьеров, препятствующих коалесценции капель за счет введения в систему химических веществ - деэмульгаторов, нейтрализующих действие защитного слоя. Деэмульгатор, адсорбируясь на межфазной поверхности дисперсной фазы, способствует диспергированию, пептизации и коллоидному растворению механически прочного гелеобразного слоя [253. Вытеснив с поверхностного слоя капли природные эмульгирующие вещества, деэмульгатор образует гидрофильный адсорбционный слой, обладающий значительно меньшей структурно-механической прочностью, что ускоряет процесс коалесценции.
2. Механический способ - расслоение эмульсий под действием гравитационного, центробежного полей или ультразвука, способствующих коалесценции капель за счет снижения кинетической устойчивости эмульсий.
3. Термический способ, заключающийся в подогреве и отстаивании эмульсий при атмосферном или избыточном давлении. Положительный эффект в этом случае достигается за счет того, что при нагревании ускоряется скорость химических реакций, протекающих в эмульсиях, изменяется природа поверхностного слоя, уменьшается вязкость, то есть создаются условия, благоприятные для распада эмульсий.
4. Электрический способ, при котором между глобулами дисперсной фазы образуются дополнительные электрические поля и возникают
электрические силы, способные преодолеть сопротивление стабилизирующих глобулы слоев. В результате действия основного и дополнительных электрических полей происходит столкновение глобул и разрушение образовавшихся вокруг них пленок, что существенно интенсифицирует процесс коалесценции.
С целью минимального расхода энергии и ценных реагентов (деэ-мульгаторов) в промышленных технологических процессах обычно используют различные комбинации вышеуказанных способов. Так, при дез-мульгировании и обезвоживании нефтей на промыслах широко используется термический отстой под давлением с применением деэмульгаторов [263.
В настоящее время значительное внимание уделяется развитию наиболее дешевого - механического способа разделения несмешивающихся жидкостей, разработке и внедрению новых конструкций сепарационнои аппаратуры, основанной на этом способе. Применяемые отстойные резервуары имеют ряд существенных недостатков, таких, как большие габаритные размеры, длительность проведения процесса и, за счет этого, испарение части легколетучих компонентов. Использование центрифуг позволило значительно повысить качество и скорость разделения, однако довольно низкая производительность, требование надежности эксплуатации при квалифицированном обслуживании ограничивают их широкое применение в многотоннажных технологических процессах.
В последние годы в нашей стране и за рубежом появились исследования, в которых для разделения эмульсий в различных отраслях техники используются аппараты гидроциклонного типа [4,15,16,27-43].
Гидроциклоны внедряются в нефтедобывающей промышленности для проведения процессов деэмульгирования и обессоливания нефти [4,27-31], для очистки сточных вод металлургических, нефтеперерабатывающих и химических заводов [32-35]. Имеются сведения [36-38] о прршенении гидроциклонных аппаратов для очистки жидких хладагентов от масла в холодильных установках на предприятиях мясной и молочной промышленности. Ведутся опытно-промышленные разработки по использованию гидроциклонов при получении фотографических эмульсий повышенной концентрации [39-41]. Потенциально перспективны гидроциклонные аппараты в качестве контакторов-сепараторов для проведения массооб-менных процессов, в частности, процессов экстракции, с одновременным разделением получаемых продуктов [15,16,42,433.
В то же время, невозможность использования зависимостей, полученных для разделения систем жидкость-твердое в гидроциклонах, в случае разделения систем жидкость-жидкость, обусловлено следующими специфическими свойствами эмульсий: 1. Непостоянство размера дисперсной фазы при проведении процесса сепарации. 2. Сравнительно малая разность плотностей между дисперсной фазой и дисперсионной средой, которая для большинства технических эмульсий составляет 200-300 кг/м3. 3. Разделение эмульсий, у которых плотность дисперсной фазы может быть больше или меньше плотности дисперсионной среды.
Все эти особенности должны быть учтены при разработке принципов расчета и конструирования гидроциклонов для разделения эмульсий.
Сопоставление вариантов разделения гетерогенных систем в гидроциклонах на основе энтропийного подхода
В большинстве случаев при расчете сепарационных устройств, в том числе гидроциклонного типа, решается так называемая "обратная задача". То есть, задаваясь определенными конструктивными размерами гидроциклона, связанными, как правило, с размером его цилиндрической части, и режимными параметрами эксплуатации, определяют основные показатели разделения (концентрацию дисперсной фазы в целевых продуктах и расходные характеристики этого устройства). Зная требуемые параметры разделения, которые могут быть заданы одним или несколькими качественными или количественными показателями, и сравнивая их с полученными при расчете, подбирают ту или иную конструкцию, а также режимы ее эксплуатации. Однако, в ряде случаев одни и те же требуемые показатели разделения могут быть получены в аппаратах различных конструкций, либо при различных режимах их эксплуатации. В этом случае необходимо сопоставление различных вариантов показателей качества работы гидроциклонов с выявлением лучшего.
Как известно [120,1213 для проведения такого сопоставления необходимо соблюдать следующие условия: 1. Осуществлять решение задачи на основании сопоставления одной конкретной величины (или функции). 2. Иметь соответствующие степени свободы у рассматриваемого объекта. 3. Иметь возможность количественной оценки рассматриваемой конкретной величины (или функции).
Известно, что в зависимости от вида разделительного процесса и физического смысла используемых показателей - аргументов функций отклика [1,6,119] выделяют четыре основных группы критериев сопоставления : - технологические критерии; - термодинамические критерии; - экономические критерии; - статистические критерии.
Поскольку в данном случае имеется неопределенная ситуация, связанная с возможностью выбора элемента системы, отличного от других по каким-либо заданным признакам, наиболее перспективными в этом отношении по нашему мнению [122,123] являются термодинамические критерии, основанные на сопоставлении энтропии исходной смеси и целевых продуктов разделения (2.14).
Легко видеть (Рис. 2.4), что функция (2.15) имеет нулевое значение только в случае получения чистого продукта (присутствие только одной фазы, то есть а-1, либо а-0). В других случаях функция (2.15) имеет значения, отличные от 0. Однако, в любом случае при улучшении показателей разделения сумма условных энтропии продуктов разделения qBHB+qHHH (2.16) будет снижаться (Рис. 2.5).
Таким образом в качестве целевой функции для сопоставления различных вариантов предлагается использовать зависимость (2,16).
Во-первых, сопоставление значений данной функции, полученной для разных типоразмеров гидроциклонных аппаратов и режимов их эксплуатации позволит выявить наиболее рациональные варианты разделения для рекомендации их к внедрению.
Во-вторых, если потребителем заданы определенные показатели разделения, то они могут быть также рассчитаны по зависимости (2.16), причем сопоставление результатов экспериментов будут удов
Индексы "р" и мзм относятся соответственно к расчетному варианту и требуемым характеристикам целевых продуктов.
В качестве примера можно рассмотреть вариант испытания гидроциклонов диаметром D-2-1CT2 м, 0 =6,4-10-3 м, dB=»6-lCT3 м, «=10 при разделении смеси с исходной концентрацией дисперсной фазы с Со-31,85 кг/м3.
При испытаниях менялся диаметр нижнего разгрузочного патрубка (сіні=3-1СГ3 м, с1Н2=2-1СГ3 м) и скорость на входе в аппарат (VBXI-6,97 М/С, VBX2-=4,08 М/С).
В результате были получены следующие расходные характеристики и показатели разделения: I вариант II вариант Qol-0,81 м3/ч; 0о2-0,47 м3/ч; Qsl-0,71 М3/ч; 0в2"0,451 М3/Ч; Оні-0,1 м3/ч; QH2-0,091 м3/ч; Сн1=163,55 кг/м3; СН2 164,78 кг/м3; Сві-26,25 КГ/М3; СВ2-13,30 КГ/м3.
Как видно из полученных результатов, расход жидкости и концентрация продукта в нижнем сливе в обоих вариантах практически равны. Однако первый аппарат обладает большей производительностью по исходной смеси, но, в то же время, и большим уносом дисперсной фазы через верхний слив. Проведя расчет каждого из вариантов по формуле (2.16) и сопоставив результаты, получим: QBIHBI+QHIHHI-O,1690 qB2HB2+qH2HH2-0,1945, то есть первый вариант предпочтительнее.
Экспериментальная установка. Методика проведения эксперимента
Одной из основных гидродинамических характеристик гидроциклона, как показано ранее, является тангенциальная составляющая скорости потока УФ, характеризующая интенсивность поля центробежных сил в каждой точке аппарата и в основном определяющая величину фактора разделения при проведении процесса сепарации.
В данной работе распределение тангенциальной скорости потока жидкости в объеме цилиндрического противоточного гидроциклона осуществлялось электродиффузионным методом диагностики турбулентных потоков на экспериментальной установке, описанных в п.п. 3.1, 3.2.
На Рис.3.8 представлен экспериментальный гидроциклон со сменными насадками, выполненный из оргстекла для облегчения установки и ориентировки датчика. Основные измерения проводились в следующих диапазонах геометрических параметров аппарата (обозначения даны в соответствии с Рис.3.8): D = (5-7,5)10-2 м; L/D - 3,0-5,2; dB/dH -0,8-3,75; dBX/D = 0,1-0,23; 1т = (4,8-9,0)10-2 м, (1T/L -0,4-0,12).
Скорость на входе в гидроциклон изменялась от 2,0 м/с до 12,4 м/с, причем верхний ее предел был ограничен механической прочностью датчика.
Кроме того ряд экспериментов был проведен на цилиндрическом противоточном гидроциклоне D - 12,5-Ю-2 м подобной конструкции (Рис.8.7) и с аналогичным соотношением основных геометрических размеров.
Результаты экспериментальных исследований (Приложение 1) показам, что в пространстве между верхним разгрузочным патрубком и корпусом аппарата происходит стабилизация тангенциальной составляю щей скорости потока в некоторый постоянный, по всей высоте гидроциклона профиль, состоящий из двух областей (Рис.3.9).
Первая, пристенная область описывает распределение тангенциальной скорости вращения жидкости в нисходящем потоке, в котором происходит основной процесс разделения дисперсных фаз под действием силы инерции в соответствии с разностью удельных весов. На этом участке, несмотря на некоторое остаточное влияние входного отверстия, величина осредненной тангенциальной скорости Уфе может быть принята постоянной.
Исследования гидродинамики потока непосредственно на входе в гидроциклон показали, что при безударном вводе жидкости в аппарате происходит резкая деформация профиля скорости.
На Рис.3.9 видно, что этот профиль (сечение N 1) представляет собой асимметричную кривую с максимумом, несколько смещенным от центра входного отверстия к стенке аппарата и составляющим порядка 80 % от средней скорости во входном питающим патрубке. Вогнутость в левой его части можно объяснить резким падением скорости потока в этом направлении за счет одностороннего расширения струи. Следует также отметить, что если в самом питающем отверстии имеется ярко выраженный пик скорости, то на участке от края входного отверстия до внешней стенки верхнего сливного патрубка происходит очень быстрое выравнивание скорости потока до величины - Уфе. При удалении от входного отверстия пик скорости постепенно сглаживается и на расстоянии, равном диаметру аппарата его можно уже практически не учитывать .
Подробное изучение влияния основных геометрических и технологических параметров в указанных выше пределах на величину осредненной тангенциальной скорости Уфе позволило установить следующее:
1. Изменение размеров верхнего (dB) и нижнего (dH) разгрузочных отверстий не оказывает существенного влияния на величину Уфе (Рис.3.10 и 3.11). Причина этого заключается, очевидно, в том, что верхний разгрузочный патрубок находится во внутреннем восходящем потоке и определяет именно его гидродинамическую картину течения. Непосредственного же контакта с нисходяпщм потоком он практически не имеет и соответственно влияния оказывает слабое.
В то же время, нижнее разгрузочное отверстие, хотя и находится во внешнем нисходящем потоке, оказывает большее влияние на образование внутреннего восходящего потока, регулируя поступающее в него количество жидкости, чем на сформировавшийся в верхней части аппарата профиль скорости, зависящий в первую очередь от условий ввода и интенсивности закрутки.
Следует заметить, что аналогичный эффект отмечается [10,63] для осредненного значения тангенциальной скорости Уфе в цилиндроко-нических гидроциклонах.
2. Глубина погружения верхнего сливного патрубка также не влияет на значение Уфе (Рис.3.12).
3. Величина осредненной тангенциальной скорости Уфе прямо пропорциональна величине средней скорости потока на входе в аппарат (Рис.3.13), что хорошо согласуется с данными, полученными в работах ряда исследователей [80,81].
4. Основными параметрами, определяющими значение Уфе в гидроциклоне, являются геометрические симплексы dBX/D и L/D, первый из которых характеризует условие ввода, а второй - размеры аппарата. На Рис.3.14 и 3.15 представлены результаты обработки полученных экспериментальных данных, из которых видно, что с увеличением значения СІВХ/D величина падения скорости на входе в аппарат Уфе/Увх также возрастает. И наоборот, с увеличением значения L/D величина Уфе/Увх начинает заметно падать.
Цилиндроконический гидроциклон
Расчет и проектирование гидроциклонных аппаратов для разделения неоднородных гетерогенных систем, определение оптимального режима их эксплуатации возможны только на основе поведения разделяемых систем в рабочей зоне устройства. В первую очередь это относится к дисперсным фазам, нестабильным в процессе сепарации, таким как эмульсии.
Эмульсии - гетерогенные системы, состоящие из двух несмешиваю-шихся жидкостей, одна из которых (дисперсная фаза) распределена в другой (дисперсионной среде.) в виде капель различных размеров, являются наиболее трудными для теоретических и экспериментальных исследований. Это связано с тем, что дисперсную фазу составляет способная к деформации и дроблению жидкость.
В то же время, необходимо отметить, что сам процесс дробления капель является сложной и малоизученной областью гидродинамики. Полученные в этой области результаты [24,145,146] носят, как правило, качественный, оценочный характер. Однако и они представляют большой интерес, поскольку только используя эти результаты можно осуществить технологический расчет оборудования для обработки эмульсий.
Анализируя гидродинамику гидроциклонов [1], можно утверждать, что в развитом турбулентном потоке, который характерен для аппаратов центробежного типа, капли дисперсной фазы постоянно подвергаются дестабилизирующему воздействию. При этом возникновение в капле разрушающих напряжений может быть вызвано, как правило, следующими двумя главными гидродинамическими факторами:
1. При попадании капли из невращающегося потока во вращающийся к ней мгновенно прилагается разрушающая нагрузка, зависящая от радиальной координаты капли в этот момент. Давление на обе стороны внешней поверхности можно определить по уравнению Лапласа [145]: Р=Р2.-Р1=6 (1/Г1+1/Г2) (5. 1) где: гі,Г2 - радиусы кривизны границ поверхности. Однако не вызывает сомнения и тот факт, что деформация капли и способность ее к разрыву зависит не только от формы течения, но и ОТ фИЗИЧеСКИХ СВОЙСТВ ОбеИХ фаз - ОТ ИХ ПЛОТНОСТИ (рф,рс), вязкости (іф,дс) и межфазного поверхностного натяжения (6).
Для малых деформаций формула (5.1) хорошо согласуется с опытом. В случае больших деформаций, как показывают эксперименты [12,24,147], существенным оказывается отношение Мф/(ис- Если это отношение мало, то новые капли образуются за счет вытягивания и дробления первоначальной капли. Если же отношение Мф/р,с велико, то капля постепенно вытягивается в длинную нить, которая может не дробиться в дальнейшем. Дробление такой капли зависит также и от времени пребывания в рабочей зоне аппарата. Это, отнюдь, не означает, что увеличение вязкости дисперсной фазы является само по себе стабилизирующим фактором, однако если вязкость достаточно велика, то время, требующееся для деформации и дробления капель может стать весьма значительным.
Порядок величины времени (t), требующегося на деформацию и разрушение капли вязкой жидкости, В.Г.Левич [145] предложил оценивать на основании уравнения Навье - Стокса. Опустив в нем квадратичный член и произведя оценку порядка остальных членов, получаем Іл,гкДф/б. (5.2) В свою очередь в работе [148] предлагается следующая формула, выражающая условие полного разрушения капель диаметром dK за время t, нахождения в центробежном поле П (0-46/ )/(2})]dt l. (5.3) О
Расчеты по зависимости (5.2), в связи с ее приближенным характером, имеют несколько заниженные значения t, хотя в достаточной степени оценивают влияние основных переменных. В то же время зависимость (5.3), в которую входят те же параметры, но имеющая более строгое аналитическое и экспериментальное обоснование, показывает, что в ряде случаев время, необходимое на разрушение капель, может превосходить время пребывания жидкости в гидроциклоне, которое легко определяется по зависимости (4.12).
При этом следует учитывать, что, например, при сдвиговом течении, может происходить поворот (или вращение) капель в потоке, а не их деформация сдвига.
Это свидетельствует об незначительном влиянии внутренней динамики центробежного поля на разрушение капли по сравнению с внешним гидродинамическим воздействием жидкости на каплю.
2. Если некоторая масса жидкости попадает в турбулентный поток не смешивающейся с ней жидкости, обладающей достаточно высокой степенью турбулентности, то происходит дробление этой жидкости под воздействием турбулентных пульсаций. В этом случае при малом содержании диспергируемой жидкости образуется разбавленная эмульсия, которая ведет себя как однородная жидкость и подчиняется законам Ньютона и Пуазейля.
