Введение к работе
Актуальность работы. Во многих отраслях промышленности, в частности в химической, целлюлозно-бумажной, пищевой, текстильной и др., для разделения волокнистых суспензий с целью очистки оборотных и сточных вод или извлечения ценных волокон все большее распространение получают гидроциклоны. Благодаря простоте конструкции, надежности и удобству в эксплуатации, высокой удельной производительности и компактности эти аппараты успешно работают совместно, а иногда и полностью замещают родственное осветлительно-сгустительное и классификационное оборудование.
Однако, промышленное использование гидроциклонов для разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий опережает комплексное исследование разделительного процесса в этих аппаратах. На практике это приводит порой к аномальным закономерностям. Известно, что увеличение абсолютных размеров частиц твердой фазы суспензии, разделяемой в центробежном поле гидроциклона, должно приводить к увеличению эффективности сепарации. Это подтверждается многочисленными опытами и промышленными испытаниями при разделении суспензий, содержащих сферические или квазисферические твердые частицы. Но при разделении суспензий, состоящих из волокон, это правило выполняется лишь для относительно коротких волокон, а при превышении определенной длины эффективность их сепарации резко снижается. При этом известны случаи, когда увеличение размера гидроциклона приводило к увеличению эффективности сепарации волокон вопреки снижению интенсивности центробежного поля, о чем свидетельствуют работы таких исследователей как М.Г. Реусов, А.В. Акопов, В.А. Диков, G. Kemp, H.F. Ranee, G.H. Nuttall, I.F. Hendry.
Очевидно, что причиной такого аномального поведения частиц является их форма. Кроме того, пространственная ориентация волокон внутри гидроциклона также оказывает существенное влияние на эффективность их сепарации. Тем не менее эффект пространственной ориентации волокон в турбулентном закрученном потоке, имеющий место в жидкостных вихревых аппаратах, в настоящий момент исследован крайне мало. Практически отсутствуют надежные методики расчета эффективности центробежной сепарации волокон в гидроциклонных аппаратах.
Таким образом, задачи исследования поведения волокон различных размеров внутри гидроциклона и влияния на эффективность их сепарации основных конструктивных и технологических факторов являются весьма актуальными. Создание методики расчета гидроциклонных аппаратов для разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий, а также разработка рекомендаций по конструированию гидроциклонов для этой цели весьма актуально для эффективного промышленного использования этого оборудования.
Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических и пищевых производств» Дзержинского филиала Нижегородского государственного технического университета в соответствии с государственной научно-технической программой
«Экологически безопасные процессы химии и химической технологии» (проект № 486).
Целью работы является исследование основных закономерностей поведения волокон при их сепарации в гидроциклонных аппаратах и разработка на основании этих исследований методики расчета эффективности разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий в гидроциклонах, а также рекомендаций по их конструированию.
Научную новизну работы представляют:
экспериментальные исследования эффекта пространственной ориентации цилиндрических волокон в вихревой камере и цилиндрокоиическом гидроциклоне, уточнение математической модели пространственной ориентации неизометрических частиц в турбулентных закрученных потоках применительно к цилиндрическим волокнам, а также впервые полученные расчетные зависимости для определения углов ориентации волокон в жидкостных вихревых аппаратах;
результаты исследования влияния на эффективность разделения волокнистых суспензий основных конструктивных и технологических параметров и предложенные вероятностные зависимости выхода критически длинных волокон через нижний патрубок гидроциклона;
результаты экспериментального исследования размеров воздушного столба в гидроциклоне и формулы для расчета диаметра воздушного столба внутри гидроциклона и в его выходных отверстиях;
методика расчета эффективности разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий в гидроциклонах.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Результаты экспериментальных, теоретических и опытно-промышленных исследований послужили основой для разработки методики и программы машинного счета эффективности разделения малоконцентрированных волокнистых суспензий в гидроциклонах для конструирования отдельных элементов гидроциклонных аппаратов. Это позволило решить ряд промышленных задач и реализовать результаты работы на практике.
На базе Дзержинского филиала НГТУ были проведены опытные исследования по извлечению волокнистого биологического препарата из маточного раствора опытно-промышленной установки, разработанной во Всероссийском институте защиты растений (г.Санкт-Петербург). В результате чего установка была модернизирована путем замены отстойного оборудования на гидроциклон типа ТВП-25. Это позволило повысить эффективность разделения, снизить занимаемые установкой площади и обеспечить непрерывность рабочего процесса.
Разработанная программа машинного счета передана Государственному научно-исследовательскому институту химических продуктов (г.Казань) для проектирования гидроциклонных установок очистки оборотных и сточных вод в производствах нитроцеллюлозы. С помощью программы производится расчет многих ожи-
даемых параметров работы гидроциклонных аппаратов и подбор основных конструктивных и режимных параметров для обеспечения требуемой степени очистки. Результаты расчетов по программе хорошо согласуются с результатами промышленных испытаний.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (YSTM-96, Москва, 1996), 2-ой Нижегородской сессии молодых ученых (Н. Новгород, 1997), Школе по моделированию автоматизированных химико-технологических процессов (Новомосковск, 1997), 2- и 3-ей Всероссийских научно-технических конференциях «Методы и средства измерений физических величин» (Н. Новгород, 1997, 1998), региональном семинаре «Экологические проблемы Верхне-Волжского региона. Условия перехода к устойчивому развитию» (Иваново, 1997), Всероссийской научной конференции «Современные технологии текстильной промышленности» (Текстиль-97, Москва, 1997), 11-ой Международной научной конференции «Математические методы в химии и технологиях» (ММХТ-11, Владимир, 1998), 1-ой Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Н.Новгород, 1999), 3- и 4-ом Международных симпозиумах молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств» (Москва, 1999, 2000), Межрегиональной научно-технической конференции «Химическая промышленность: современные задачи техники, технологии, автоматизации, экономики» (Дзержинск, 1999), Международных конгрессахCHISA96, CHISA98 (Прага, 1996, 1998).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе статья в академическом журнале, 15 тезисов докладов на Всероссийских и Международных научных конференциях и конгрессах, отчет по государственной бюджетной научно-исследовательской работе.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка использованных источников, включающего 156 наименований. Работа изложена на 170 страницах и содержит 75 рисунков, 26 таблиц и 7 приложений.