Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемные вопросы теории и практики гидроциклонирования 10
1.1 Общие положения 10
1.2 Обзор конструкций 12
1.3 Проблема износоустойчивости 15
1.4 Гидродинамика потоков в гидроциклоне 17
1.5 О влиянии технологических и конструктивных параметров на показатели работы гидроциклонов 23
1.6 Расчет поля скорости жидкости в гидроциклоне 27
1.7 Расчет параметров гидроциклонирования 33
2 Математическая модель движения жидкости в гидроциклоне 38
2.1 Уравнения движения 38
2.2 Построение автомодельных решений уравнения для функции тока 41
2.3 Численное интегрирование уравнения для функции тока 46
2.4 Расчет поля скоростей жидкости на основе автомодельных решений уравнений гидромеханики.. 48
3 Результаты экспериментальных исследований 56
3.1 Оборудование и методика 56
3.2 Критерии оценки показателей работы гидроциклонов 62
3.3 Влияние конструктивных параметров гидроциклона на эффективность классификации 65
3.3.1 Сливной патрубок 65
3.3.2 Разгрузочное отношение 73
3.3.3 Влияние изменения длины цилиндрической части 77
3.3.4 Конструкция песковой насадки 79
3.4 Влияние технологических параметров на эффективность классификации в гидроциклоне 84
3.4.1 Давление на входе в гидроциклон 84
3.4.2 Содержание твердой фазы в питании 90
3.4.3 Гранулометрический состав питания 93
3.5 Стендовое моделирование многостадийной классификации 94
4 Методика расчета параметров гидроциклонирования 100
4.1 Общие вопросы построения методики 101
4.2 Расчет расходных характеристик 104
4.3 Расчет эффективности разделения 113
5 Практическая реализация результатов исследований 120
Выводы 126
Библиографический список
- Гидродинамика потоков в гидроциклоне
- Построение автомодельных решений уравнения для функции тока
- Влияние конструктивных параметров гидроциклона на эффективность классификации
- Расчет расходных характеристик
Введение к работе
Мировое производство алюминия динамично развивается и сохраняется тенденция увеличения спроса на этот металл [14, 53]. Глинозём на сегодняшний день является единственным видом сырья, из которого электролизом получают алюминий. Большой удельный расход глинозёма (1920-1960 кг/т А1) предъявляет особые требования к его качеству. Действующим в России, Казахстане, на Украине и в Азербайджане ГОСТ 30558-98 предусмотрено ограничение содержания различных примесей и установление марок глинозема в зависимости от его крупности [59].
В 60-х годах XX века на электролизных заводах началось внедрение высокоэффективной технологии сухой очистки отходящих газов. Применение этой технологии практически полностью устраняет выброс фторидов и других летучих компонентов в атмосферу, благодаря возврату их с глинозёмом в электролизные ванны. Однако, разрушение частиц в системе сухой газоочистки вызывает появление рециркуляционной пыли. Мелкие фракции глинозёма увеличивают пыление в процессе загрузки в электролизные ванны и при разрушении корки, что ухудшает чистоту атмосферы в цехе. Большое содержание мелких фракций в глинозёме приводит к потерям при транспортировке. Кроме того, мелкий глинозём при загрузке в электролизёр комкуется, покрывается коркой застывшего электролита и опускается на дно ванны, что снижает производительность электролизёра и увеличивает расход электроэнергии.
Продолжая требовать регламентированной химической чистоты поставляемого глинозёма, электролизные заводы ужесточили требования к его крупности. Классификация по крупности определяет два различных типа глинозема: «мучнистого» и «песчаного» [3], таблица 1. Мучнистая и песчаная марки глинозёма отличаются своими физическими свойствами. Глинозём
песчаного типа характеризуется равномерной крупностью, что обеспечивает его высокую степень растворимости в электролите.
Таблица 1 - Классификация «мучнистой» и «песчаной» марок глинозёма
Низкий угол естественного откоса увеличивает текучесть, что даёт возможность использовать систему автоматической подачи глинозема в электролизеры. Вследствие малого содержания мелких фракций в песчаном глинозёме, снижается пыление, что позволяет уменьшить потери при транспортировке и понизить запылённость в цехах.
По данным ВАМИ (Всесоюзный алюминиево-магниевый институт) частичное (60-80 %) использование песчаного глинозёма для электролиза позволяет увеличить выход алюминия по току на 1,5-2 %, что в масштабе, например КрАЗа (данные 1996-1997г.), снижает потери примерно 1000 т алюминия в месяц. Отмечено, что использование в корпусах электролиза песчаного глинозёма способствовало снижению времени работы электролизёров с открытой поверхностью расплава, что уменьшило на 50 % потери фтора с газоотсосом и более чем в 3 раза уменьшило выбросы фтора в атмосферу.
Таким образом, важным параметром качества глинозёма является гранулометрический состав сырья, позволяющий электролизному заводу работать с максимальной эффективностью и минимальным уровнем выбросов.
Фундаментальные различия технологического процесса на европейских и американских глинозёмных заводах, определяемые качеством используемого
исходного сырья, привели к выпуску продукции в виде мучнистого и песчаного глинозёма соответственно.
Хотя европейские заводы высокопроизводительны, они при этом получают мелкий гидроксид алюминия и, соответственно, после прокалки мелкий конечный продукт. При переводе европейских заводов на производство более крупного глинозема, возникли сложности в достижении стабильности процесса и стабильного гранулометрического состава продукции из-за свойственной процессу цикличности [41, 101], рисунок 1.1.
31.12.99 19.02.00 09.04.00 29.05.00 18.07.00 06.09.00 26.10.00 15.12.00
Рисунок 1.1— Изменение гранулометрического состава глинозема в
течение года
Таким образом, ограничение содержания мелких фракций, определяемое как требованиями технологии электролиза, так и экологическими факторами, выводит на одну из ведущих ролей в технологическом процессе производства глинозема стадию классификации продукционного гидроксида алюминия.
В принятой на отечественных глиноземных заводах схеме [23, 41], основным этапом получения глинозема из алюмосодержащего сырья является извлечение гидроокиси алюминия. Оно основано на следующем химическом свойстве гидроксида алюминия: кристаллическая гидроокись алюминия, входящая в состав сырья, хорошо растворяется при высокой температуре в растворе едкого натра (каустической щелочи, NaOH) высокой концентрации, а при понижении температуры, и концентрации раствора вновь кристаллизуется. Бесполезные для получения алюминия вещества не переходят при этом в растворимую форму или перекристаллизовываются и выпадают в осадок до того, как производится кристаллизация гидроокиси алюминия. Очищенный от посторонних примесей раствор гидроокиси алюминия в щелочи (представляющий собой, в основном, раствор алюмината натрия ЫаАЮг) подвергается кристаллизации. С этой целью концентрация щелочи и температура раствора понижаются до определенных значений, являющихся оптимальными для получения кристаллов. Процесс существенно ускоряется, если в растворе уже присутствуют кристаллы гидроокиси алюминия. Для этого в раствор специально вводят определенное количество мелкокристаллической гидроокиси алюминия, называемое затравкой. После достаточной степени кристаллизации производится отделение твердой гидроокиси от раствора. Глинозем (AI2O3) получается из гидроокиси алюминия (А1(ОН)з) прокаливанием в печах (кальцинацией) для удаления связанной воды.
Полученный при декомпозиции алюминатного раствора гидроксид алюминия перед прокаливанием проходит предварительную классификацию в гидросепараторах. Часть нижнего продукта гидросепараторов (крупная фракция) используется в качестве продукционного. Остальная часть крупной фракции, а также вся мелкая фракция (верхний продукт гидросепараторов) после сгущения и промывки возвращаются на декомпозицию в качестве затравки. Классификация позволяет улучшить качество получаемого глинозема
по крупности и использовать в качестве затравки более мелкий гидроксид алюминия, обладающий большей удельной поверхностью.
Классификация проводится в две или более стадий. Гидросепаратор представляет собой бак с коническим дном. В верхней части аппарат имеет успокоительный стакан, куда подается исходная пульпа, и желоб для слива; в нижней части - устройство для выгрузки сгущенного продукта. Принцип работы гидросепаратора основан на осаждении частиц под действием силы тяжести, но скорость подачи суспензии гидроксида алюминия (СГА) в гидросепаратор регулируется таким образом, что успевают оседать только крупные частицы гидрата, а более мелкие уходят с маточным раствором в слив. Работа гидросепараторов на отечественных заводах характеризуется следующими примерными нормами технологического режима: содержание твердой фазы в питании 400-550 г/л, в нижнем продукте - 700-900 г/л, в сливе гидросепараторов 150-300 г/л.
Между тем, согласно рисунку 1.1, эффективность классификации существующим оборудованием не позволяет говорить о стабильном качестве выпускаемого глинозема. Задача увеличения производительности действующих заводов при одновременном улучшении качества глинозема, без расширения существующих производственных площадей и кардинального изменения технологии ставит вопрос разработки нового аппаратурного оформления узла классификации на основе применения более производительных и эффективных классификаторов - гидроциклонов.
Исследованиями ВАМИ [21, 24, 50, 60] доказано, что повышение крупности глинозема возможно лишь на основе улучшения эффективности классификации продукционного гидроксида алюминия, более того, внедрение эффективных схем классификации на действующих глиноземных заводах позволит стабилизировать процесс декомпозиции и сгладить колебания крупности. Возможность поэтапной замены существующих классификаторов на гидроциклонные установки в условиях действующего производства,
позволяет высвободить по предварительным оценкам [79] до 50-60 % производственных площадей участков классификации.
На сегодняшний день в технологических циклах американских и австралийских глиноземных заводов успешно применяются гидроциклоны [116, 117]. Отсутствие методики расчета параметров гидроциклонирования, учитывающей особенности отечественной технологии, механический перенос опыта эксплуатации этих аппаратов за рубежом в условия работы отечественных заводов привел к дискредитации возможностей использования схем на основе гидроциклонов [71]. Ряд исследований, начавшихся в 60-е годы прошлого века [16, 20, 25, 52], не получил продолжения. Между тем проблема крупного глинозема требовала разрешения. После ряда исследований по улучшению классификации СГА [21, 42, 50] на глиноземных заводах России и в Казахстане [80] начался активный поиск путей разрешения проблем в использовании гидроциклонных установок для схем классификации.
Выделение круга проблем и путей их разрешения, разработка методики расчета схем классификации, адаптированной к отечественным условиям создают предпосылки к выводу продукции отечественных глиноземных заводов по крупности на мировой уровень качества. Решение задачи получения крупнозернистого глинозема позволит ускорить перевод электролизных заводов на экологически чистые, ресурсосберегающие технологии, обеспечит возможность повышения колкурентоспособности российского алюминия за счет снижения его себестоимости.
10 1 Проблемные вопросы теории и практики гидроциклонирования
1.1 Общие положения
Перспектива использования гидроциклонов в качестве классификаторов гидроксида алюминия в технологическом процессе глиноземного производства требует рассмотрения ряда вопросов.
Выбор гидроциклона в качестве базового аппарата для схемы классификации, обусловлен, прежде всего, высокой эффективностью разделения и производительностью при относительно небольших размерах и стоимости. Кроме того, как показала практика АО «Алюминий Казахстана» [79, 80], эксплуатация гидроциклонов не требует больших затрат и дополнительного персонала для обслуживания.
По оценке [61], библиография по вопросам гидроциклонирования насчитывает более 3800 названий статей, монографий, патентов и авторских свидетельств. В настоящее время гидроциклоны достаточно широко применяются для классификации тонкодисперсных твердых материалов по крупности в водной среде, в частности, при обогащении руд полезных ископаемых. Применение гидроциклонов в металлургическом производстве позволяет значительно снизить энергозатраты на измельчение руд и уменьшить износ мельниц за счет снижения бесполезного доизмельчения частиц руды ниже требуемых предельных размеров. Успешно применяются гидроциклоны в угольной промышленности и нефтедобыче, практическое применение нашли аппараты гидроциклонного типа в пищевой, целлюлозно-бумажной отрасли, в системах водоиспользования. Гидроциклоны успешно могут использоваться в качестве сгустителей, осветлителей, классификаторов во многих технологических циклах промышленного производства [15, 32, 37, 40, 45, 46, 51,57,76,77,111-113, 117].
Широкое применение, этих аппаратов в глиноземном производстве сдерживается двумя основными факторами.
Первым - является отсутствие адаптированной к особенностям производства глинозема методики расчета параметров гидроциклонов. Несмотря на большое число публикаций, на сегодняшний день отсутствует надежная методика расчета этих аппаратов, что объясняется сложностью гидродинамических процессов, происходящих в гидроциклоне. Погрешность расчета отдельных параметров (а к ним относятся расход потоков суспензии через питающее, сливное и песковое отверстия, а также содержание твердого и его гранулометрический состав в каждом потоке), по отношению к экспериментальным данным, зачастую превышает 50-100 % [67]. В связи с этим, практически невозможно с большой степенью надежности рассчитать технологические и конструктивные параметры, отвечающие требованиям проектируемых промышленных схем [12].
Второй сдерживающий фактор - интенсивный износ гидроциклона. Несмотря на простоту конструкции, отсутствие движущихся частей, относительную несложность изготовления применение гидроциклонов в промышленных схемах в АО «Алюминий Казахстана», как и на предприятиях глиноземной отрасли России, всегда сдерживалось из-за небольшого срока службы аппарата вследствие интенсивного абразивного износа внутренних поверхностей, находящихся в контакте с частицами обрабатываемого материала. Наибольшему износу подвергаются песковые насадки, сливной патрубок, нижняя часть конуса, где абразивное воздействие производится наиболее крупными частицами при большой их концентрации. Интенсивно истираются также стенка цилиндрической части аппарата в месте поступления пульпы из питающего патрубка и сам питающий патрубок. В связи с достаточно большим количеством аппаратов, необходимых для реализации программы по укрупнению продукции, выбор материала для изготовления гидроциклонов, обуславливающего долговечность аппарата, является одним из
ключевых вопросов, разрешение которого и предопределяет перспективность схемы.
Анализ отечественных и зарубежных публикаций по проблемам и перспективам использования гидроциклонов в крупных промышленных масштабах показывает недостаточную проработку целого ряда вопросов, связанных с применением их в качестве классификаторов. Слабая изученность возможностей регулирования работы, как отдельного аппарата, так и промышленных схем классификации гидроциклонами, привела к негативному стереотипу оценки возможных масштабов и эффективности результатов их использования. Остановимся на основных проблемах внедрения гидроциклонов подробнее.
1.2 Обзор конструкций
Первой проблемой, встающей при проектировании схем гидроциклонирования, является многообразие существующих конструкций этих аппаратов. Технической и справочной литературой, рекламными материалами различных фирм производителей, как зарубежных, так и отечественных, предлагается большое количество конструктивных решений для гидроциклонов и аппаратов гидроциклонного типа [13, 46, 51, 61, 69, 71, 106, 125, 128]. Выбор оптимальной конструкции применительно к конкретным условиям разделения, определяет в конечном итоге технологичность и эффективность проектируемых схем для заданных требований производственного процесса. Учитывая большое влияние конструкции аппарата на гидродинамику процесса и выбор методики расчетов, определим основные типы гидроциклонов.
При всем многообразии конструктивного исполнения, можно выделить четыре основные группы: цилиндрические, конические, цилиндроконические гидроциклоны, а так же, не получившие большого распространения из-за
повышенных удельных энергозатрат, при сравнительно одинаковых с остальными типами гидроциклонов показателях разделения суспензий, -турбоциклоны. Наибольшее распространение, как в отечественном промышленном производстве, так и за рубежом, получили цилиндроконические гидроциклоны. Простота конструкции и изготовления, высокая эффективность разделения, возможность получения высоких плотностей нижнего продукта, низкие эксплуатационные затраты, обусловили преимущественное использование аппаратов именно этого типа.
Внутри данной группы по конструктивным и технологическим особенностям можно выделить несколько основных подгрупп:
- по схеме движения потоков в аппарате (прямоточные и противоточные);
- по количеству продуктов разделения (двухпродуктовые и
многопродуктовые);
- по способу отвода слива (через сливную камеру или непосредственно через
сливную трубу, соединенную со сливным патрубком).
Кроме того, аппараты каждой подгруппы различаются между собой углом конусности (от 5 до 140), длиной цилиндрической части (от 0,2 до 6 диаметров гидроциклона), конструкцией корпуса и материалом футеровки, по компоновке и наличию дополнительных устройств (одинарные и бинарные, с винтовыми вставками, с системой промывки песков и т.д.). Наиболее удачной классификационной схемой, дающей представление о многообразии конструктивных решений аппаратов гидроциклонного типа, представляется схема, приведенная в монографии [51].
Выбор конструкции при проектировании схем гидроциклонирования будет определяться целевым назначением аппарата:
- для осуществления процесса классификации могут использоваться
гидроциклоны с зонным отводом продуктов, с применением разнообразных
конструкций входных устройств, установкой внутри корпуса различных
направляющих потока [31];
для гидроциклонов-сгустителей характерно наличие различных устройств на Песковых патрубках, предназначенных для уменьшения влажности сгущенного продукта, а так же препятствующих забивке пескового отверстия [46];
для гидроциклонов-осветлителей применяются всевозможные устройства для дополнительной сепарации слива [46, 61];
гидроциклоны-деэмульгаторы [61] комплектуются, как правило, различными, встроенными в корпус элементами, обеспечивающими увеличение времени пребывания в аппарате обрабатываемых сред;
для гидроциклонов, используемых в массобменных процессах и процессе флотации, оборудуются вихревые выходные камеры [30], работающие за счет барботажного эффекта, обусловленного эжекционным переносом и диспергированием атмосферного воздуха.
На сегодняшний день в промышленности массово используются цилиндроконические противоточные гидроциклоны, выпускаемые ранее в СССР Первоуральским заводом горного оборудования и Днепропетровским заводом горно-шахтного оборудования по ГОСТ 10718-81 (ныне отменен), а так же зарубежными производителями, крупнейшие из которых «Dorr-Oliver», «Krebs engineers», «AKW Apparate + Verfahren».
Выбор подобной конструкции для процессов классификации гидроксида алюминия обусловлен рядом факторов: возможность регулирования параметров разделения в широких пределах; простота конструкции; минимальный уровень затрат на изготовление и эксплуатацию, что немаловажно при массовом использовании гидроциклонов в производстве, когда парк аппаратов насчитывает десятки и сотни единиц; а так же опыт зарубежных глиноземных заводов использующих в подобных схемах аппараты именно этого типа.
1.3 Проблема износоустойчивости
Одним из главных сдерживающих факторов внедрения схем гидроциклонирования является интенсивный абразивный износ аппарата. Материал для изготовления гидроциклона должен обеспечивать минимальный коэффициент трения между внутренними поверхностями и обрабатываемой суспензией при обеспечении высокой износоустойчивости, так как изменение геометрических размеров гидроциклона, вследствие износа, влечет изменение параметров классификации [33]. Для предотвращения износа применяются высокопрочные материалы, футеровка резиной, каменным литьем, что увеличивает стоимость изготовления. Наиболее эффективным методом защиты традиционно считается каменное литье на основе базальта [51]. Нужно отметить, что применение каменного литья осуществляется, как правило, только для гидроциклонов больших диаметров (от 360 мм и выше). Гидроциклоны меньших диаметров, ввиду дороговизны футеровки, а так же особенностей последующей обработки, изготавливают из отбеленного чугуна. Срок службы корпусов таких аппаратов составляет около полугода, песковые насадки изнашиваются в течение трех-шести дней.
В 70-х годах прошлого столетия некоторые зарубежные фирмы (Ака-Вортекс, ФРГ; Кребс Инжиниринг, США и ряд других) освоили производство гидроциклонов из полиуретана. Полиуретаны представляют собой продукты, получаемые совместной ступенчатой полимеризацией полиизоцианатов (например диизоцианатов ) и полиэфиров. Характер этой полимеризации состоит в том, что каждый из компонентов в отдельности не способен полимеризоваться. Вместе же они полимеризуются с образованием высокомолекулярного продукта, состав которого равен составу обоих исходных компонентов. Использование в качестве исходных продуктов различных соединений позволяет получать полиуретаны, обладающие различными свойствами: от мягких эластичных до жестких, хрупких [19].
Основное достоинство полиуретанов - это высокая стойкость к абразивному износу, а также высокая масло-бензостойкость, сопротивление ударным нагрузкам, воздействию агрессивных сред (растворителей, кислот, щелочей). К сожалению, не удалось обнаружить работ, посвященных анализу износоустойчивости различных материалов, и в частности полиуретанов, при изготовлении из них различных деталей гидроциклонов.
С учетом важности получения объективных данных, в АО «Алюминий Казахстана» были проведены в 2002-2003 г. промышленные испытания по определению износоустойчивости деталей гидроциклонов, изготовленных из различных материалов [11]. Экспериментально установлено, что износоустойчивость полиуретановых деталей гидроциклонов, в зависимости от условий эксплуатации, от 4 до 9 раз выше, чем у применяемого в настоящее время для изготовления аналогичных деталей чугуна. При сравнимой стоимости изготовления применение полиуретана позволяет значительно увеличить срок службы аппаратов и снизить эксплуатационные затраты.
Результаты испытаний износоустойчивости полиуретановых гидроциклонов при работе на СГА в сравнении с литьевой сталью и чугуном приведены на рисунке 1.2.
Отработано, месяцев
Рисунок 1.2 - Динамика износа внутренней поверхности гидроциклона
для различных материалов
Уникальные свойства материала, подтвержденные промышленными испытаниями, приложение А, а так же высокое качество поверхностей деталей, изготавливаемых из литьевых полиуретанов, не требующее последующей обработки, обусловили выбор для изготовления быстроизнашивающихся деталей гидроциклонов, работающих на СГА, форполимера уретанового марки СКУ-ПФЛ-100, ТУ 2294-003-46898377-2001.
1.4 Гидродинамика потоков в гидроциклоне
Вопросу гидродинамики потоков в рабочей зоне гидроциклона посвящено значительное количество работ. Гидродинамическая картина течений в цилиндроконическом гидроциклоне отличается большой сложностью и существуют различные мнения о характере потоков в аппарате и их влиянии на параметры гидроциклонирования. Между тем определение взгляда на гидродинамику потоков внутри гидроциклона определяет стратегию построения математической- модели процесса и методики последующего расчета.
При работе аппарата возникают два вращающихся потока — периферийный нисходящий и центральный восходящий. Часть жидкой фазы с наиболее крупными частицами твердой фазы выходит через песковое отверстие (разгрузку гидроциклона), а большая часть жидкой фазы с более мелкими частицами внутри гидроциклона меняет направление и выносится через сливной патрубок. Плотность суспензии в объеме внутренней полости непостоянна и возрастает от центра к периферии, а также сверху вниз. При вращении потока жидкости в приосевой части гидроциклона образуется газовый столб, заполненный воздухом, подсасываемым через отводные отверстия.
Метод разделения полидисперсных суспензий в гидроциклоне основан на различии в движении частиц различной крупности и удельного веса вследствие воздействия на них различных сил в рабочем пространстве. На частицу внутри аппарата действуют центробежная сила; сила тяжести; выталкивающая сила, зависящая от плотности среды; сила сопротивления среды и др. Кроме того, при работе гидроциклона, по мнению [51, 61], накапливается класс частиц промежуточной крупности, циркулирующий в зоне между разгрузочными отверстиями и оказывающий заметное влияние на параметры разделения.
Вязкость суспензии в гидроциклоне изменяется, как и плотность, по высоте и по радиусам аппарата и зависит от давления на входе в гидроциклон, определяющего скорость движения частиц и время их пребывания в аппарате, разгрузочного отношения и концентрации твердого в разделяемой суспензии [31,61,69].
Необходимо отметить, что суспензии с высоким объемным содержанием твердой фазы (более 25-30 %) могут обладать свойствами неньютоновских жидкостей [63, 65], то есть массовая концентрация твердого в питании, сливе и разгрузке, а так же распределение концентрации твердого в суспензии по объему аппарата будут оказывать существенное влияние на параметры классификации и выход продукта [10]. Возможность возникновения структуры при классификации гидратных пульп была рассмотрена в работе [7].
Исследования распределения давлений и плотности суспензий по объему аппарата [31, 32, 51, 61, 62] устанавливают, что в гидродинамической картине классификации частиц во внешнем потоке, по крайней мере, существует две фазы. Первая фаза процесса классификации частиц осуществляется в верхней части аппарата. Это движение вращающихся частиц к стенке аппарата осуществляемое по законам поведения частиц в центробежном поле прямоточного гидроциклона. Эффективность процесса главным образом зависит от фактора разделения или тангенциальной скорости частиц. Вторая фаза процесса имеет место в конической части напорного гидроциклона. Эта
фаза определяется тем, что движение вращающихся крупных частиц переходит в стесненное, с образованием вращающегося осадка и замедлением скорости вращения дисперсионной фазы у стенки аппарата.
Несмотря на противоречивость данных различных исследователей о влиянии реологических характеристик рабочей среды на параметры классификации [31, 61], что вызвано, по-видимому, различием условий эксперимента, конструктивных особенностей гидроциклонов, а так же свойств рабочих жидкостей, при работе на тяжелых суспензиях следует учитывать особенности суспензий с большим содержанием твердой фазы, так как увеличение массовой концентрации твердого в питании [15, 55] отрицательно сказывается на эффективности классификации. Иначе говоря, необходим гибкий подход к методике расчета параметров гидроциклонирования, и для каждого конкретного случая необходимо кроме учета конструктивных особенностей, режима работы аппарата учитывать и возможность влияния на процесс реологических свойств разделяемой суспензии. При содержании твердого в питании 15-20 % содержание твердого в песках может составлять 36-40 %. Очевидно, требуется корректировка расчетных зависимостей для определения параметров работы гидроциклона в случае классификации концентрированных суспензий, либо при получении нижнего продукта с высокой концентрацией твердой фазы.
В общем случае, не удается произвести разделение твердой фазы по определенной граничной крупности частиц. Как правило, разделение осуществляется при полном или почти полном выделении в разгрузку наиболее крупных фракций и распределении мелких фракций между верхним и нижним продуктами. Разделяющая способность аппарата будет зависеть от соотношения результирующей центробежной силы и силы сопротивления.
На сегодняшний день существуют две точки зрения на строение потоков внутри гидроциклона. Первая базируется на представлениях о характере перехода жидкой фазы из нисходящего потока в восходящий по всей высоте
конуса гидроциклона [46]. По данным других исследователей [31, 51], основная часть жидкой фазы переходит в восходящий поток в нижней части конуса. Причина расхождения взглядов по мнению В.В. Найденко [46] заключается в различии конструктивных параметров аппаратов, используемых для проведения эксперимента. Определяемые конструкцией циркуляционные зоны внутри аппарата могут иметь пренебрежимо малые размеры и такие, влияние которых на параметры разделения приводит к значительным отклонениям показателей от расчетных.
Анализ публикаций, посвященных экспериментальным исследованиям гидродинамики процессов разделения в гидроциклоне [12], показывает, что за редким исключением, авторы не акцентируют внимание на режиме работы аппарата, что, как представляется, является второй причиной расхождения взглядов на структуру и распределение потоков.
Существует четыре основных технологических режима работы: свободное истечение слива и шлама в атмосферу, истечение с подпором в сливном трубопроводе и свободным выходом шлама, истечение с подпором в шламовом отверстии и свободным истечением слива, истечение продуктов с подпором в сливном и шламовом трубопроводе. Адекватность математической модели будет определяться степенью учета конкретного режима работы аппарата. Второй и третий режимы используются, как правило, для получения тонких сливов, либо сгущенного продукта с минимальным содержание жидкой фазы соответственно. Четвертый режим характерен для мультициклонных установок, объединенных общим корпусом с истечением слива и разгрузки под уровень. Для решения задач ступенчатой классификации полидисперсных суспензий, когда предъявляются вполне определенные требования, как к сливам, так и к нижнему продукту, наиболее рациональным режимом представляется режим со свободным истечением слива и разгрузки [7, 31].
Подобный режим характеризуется зонтообразным характером разгрузки и, при условии стабильности давления на входе, образованием устойчивого
воздушного столба. Определение размеров воздушного столба в гидроциклоне, а так же оценка его влияния на параметры классификации имеют важное значение, как на стадии расчета аппарата, так и при оценке возможностей оптимизации процесса с целью достижения необходимого качества продуктов классификации.
Нужно отметить, что результаты исследований условий возникновения воздушного столба, расчетные зависимости для определения его размеров и формы от конструктивных и технологических параметров приводимые различными исследователями и проанализированные И.Г Терновским и А.М.Кутеповым [61] довольно противоречивы. Между тем, Р.Н.Шестов [69] и А.И.Поваров [51] отмечают, что воздушный столб возникает в гидроциклоне даже при полностью закрытом песковом патрубке. Для режима работы цилиндроконического гидроциклона при свободном истечении продуктов разгрузки и слива в атмосферу с зонтообразной разгрузкой воздушный столб возникает вдоль всей оси аппарата, соединяя песковый и сливной патрубки. Диаметр столба по данным различных исследователей составляет 0,23-0,75 dcn, где dCJl - диаметр сливного патрубка.
Методика подхода и выводы в решении вопроса определения параметров воздушного столба различных исследователей достаточно подробно изложены И.Г Терновским и А.М.Кутеповым [61] . Большой разброс результатов оценки размеров, видимо, стоит отнести не столько на счет выбора методики расчетов и принятых при этом допущений, сколько на различие условий эксперимента, конструктивных особенностей, а так же свойств рабочих жидкостей.
Отметим, что изменение вязкости жидкой фазы при проведении стендовых испытаний не выявило такого отчетливого влияния на параметры классификации, как в случае изменения содержания твердого в питании [51]. Увеличение содержания твердого в питании увеличивает плотность пульпы в аппарате, что приводит к уменьшению радиальных скоростей и вызывает изменение содержания твердого и гранулометрического состава разгрузки и
слива. Если говорить о режиме работы с зонтообразной разгрузкой, то к гидроциклону применима теория центробежных форсунок [22]. Согласно [66], увеличение вязкости суспензии будет вызывать увеличение гидравлических потерь в аппарате, снижение тангенциальных скоростей и скорости вращения центрального потока. Уменьшение диаметра воздушного столба в свою очередь вызывает увеличение площади кольцевых сечений в разгрузочном и сливном отверстии, что должно сказываться на относительной доле потока, выходящего через песковую насадку. Отсутствие данных по работе гидроциклона при изменении концентрации твердой фазы СГА обуславливает необходимость проведения стендовых испытаний для проверки вышеизложенных предположений.
Анализ публикаций разных авторов выявил единство взглядов [61, 51, 69, 27] на форму воздушного столба в цилиндроконическом гидроциклоне установленном вертикально. Поверхность столба в этом случае имеет цилиндрическую (точнее - слабоконическую) форму. Кроме того, исследованиями, проведенными В.В. Найденко [46] на цилиндроконическом гидроциклоне, подтверждено, что нижняя граница разделения потоков на нисходящий и восходящий располагается непосредственно у разгрузочного отверстия. Отсюда вполне логично вывести ряд предположений:
диаметр воздушного столба в нижней части конуса при данном режиме работы гидроциклона не должен превышать диаметра песковой насадки;
вследствие эжектирующего эффекта при подсосе воздуха через разгрузочное отверстие возможен заброс части отделенного крупного продукта в слив гидроциклона, что снижает выход продукта разгрузки и отрицательно влияет на качество слива.
Таким образом, противоречивость экспериментальных данных и взглядов на роль воздушного столба и влияние концентрационных свойств суспензий на параметры классификации требуют проведения эксперимента для уточнения расчетных характеристик, полученных на стадии проектирования.
1.5 О влиянии технологических и конструктивных параметров на показатели работы гидроциклонов
Все исходные параметры, влияющие на показатели работы гидроциклона, можно разделить на две группы - конструктивные и технологические. К первой группе относятся геометрические размеры гидроциклона, рисунок 1.3.
Deif — внутренний диаметр гидроциклона, dCJl - внутренний диаметр сливного патрубка, dn — диаметр пескового патрубка, Ъ, h — ширина и высота входной щели, hCJ1, hK0H, кщ - высота сливного патрубка, конической и цилиндрической части соответственно, а - угол конуса.
Рисунок 1.3 - Схема гидроциклона
Ко второй группе параметров относятся давление на входе в гидроциклон, гранулометрический состав питания, концентрация твердого в питании, плотность твердой и жидкой фазы, вязкость и температура суспензии. Проектирование гидроциклонов на основе имеющихся в литературе зависимостей связано с определенными трудностями. Многочисленные формулы для расчетов обеспечивают достаточную точность результатов лишь в условиях геометрического подобия проектируемого аппарата и прототипа, испытания которого явились основой для получения вышеуказанных зависимостей. В большинстве же случаев литературные рекомендации по расчетам параметров гидроциклонов приводятся без указания типа исследованных аппаратов, соотношений их конструктивных размеров и параметров рабочих суспензий. Наиболее полный анализ влияния конструктивных и технологических параметров на работу гидроциклона проведен в работах [46, 51, 69, 116]. Однако имеющиеся расхождения и отличия в оценках влияния отдельных факторов на параметры классификации требуют проведения эксперимента на начальной стадии определения оптимальной конструкции единичного гидроциклона.
Как было отмечено ранее, для отечественных глиноземных заводов характерно сходство и постоянство температуры и вязкости жидкой фазы СГА, а так же плотностей твердой и жидкой фазы. В работе [6] были определены основные факторы, влияющие на эффективность классификации гидратной пульпы, исходя из особенностей технологического процесса производства глинозема:
давление на входе в гидроциклон, как возможный инструмент регулирования работы схемы;
содержание твердого в питании, так как многостадийная схема предполагает использование для последующих этапов, как сливов, так и песков предыдущих стадий;
гранулометрический состав питания.
Влияние давления на параметры классификации, достаточно хорошо изучено и, видимо, требуется лишь корректировка имеющихся зависимостей. Влияние концентрации и гранулометрического состава СГА на параметры классификации на сегодняшний день изучено мало в связи с отсутствием до последнего времени промышленных схем классификации гидрата на отечественных глиноземных заводах.
Анализ работ по оценке влияния конструктивных параметров на эффективность классификации показывает, что ряд вопросов так же достаточно хорошо изучен и не вызывает трудностей при выборе оптимальных размеров. Так, данные о влиянии диаметра DS4 на крупность разделения и на производительность аппарата при разделении суспензий в цилиндроконических гидроциклонах сведены в таблицы [46, 51, 69, 116], построенные на основании статистических данных. В частности для задачи классификации гидроксида алюминия возможно использование гидроциклонов диаметром от 75 до 200 мм, в зависимости от гранулометрического состава питания, с производительностью одного аппарата от 4 до 40 м3/ч.
Учитывая широкий диапазон разброса диаметра частиц гидрата в системе от 0 до 125 мкм, а так же то, что оценка качества глинозема по дисперсному составу ведется по остаточному содержанию фракций менее 32 или 45 мкм, наиболее оптимальным для аппарата представляется диаметр 150 мм.
Достаточно хорошо исследован вопрос о форме и размерах питающего патрубка и входного отверстия для гидроциклонов, работающих в циклах классификации. Входной диаметр dex, где для отверстия прямоугольной формы
dex -^Abhln, предлагается выбирать в пределах 0,15-0,25 Deil, соотношение сторон b/h для гидроциклонов диаметром 100-150 мм рекомендовано в пределах - 0,25-0,4.
Не вызывает расхождения во мнениях и влияние угла конусной части цилиндроконического гидроциклона на эффективность классификации. С уменьшением угла конуса, увеличивается hK0H и объем аппарата, улучшается его
Гидродинамика потоков в гидроциклоне
Первой проблемой, встающей при проектировании схем гидроциклонирования, является многообразие существующих конструкций этих аппаратов. Технической и справочной литературой, рекламными материалами различных фирм производителей, как зарубежных, так и отечественных, предлагается большое количество конструктивных решений для гидроциклонов и аппаратов гидроциклонного типа [13, 46, 51, 61, 69, 71, 106, 125, 128]. Выбор оптимальной конструкции применительно к конкретным условиям разделения, определяет в конечном итоге технологичность и эффективность проектируемых схем для заданных требований производственного процесса. Учитывая большое влияние конструкции аппарата на гидродинамику процесса и выбор методики расчетов, определим основные типы гидроциклонов.
При всем многообразии конструктивного исполнения, можно выделить четыре основные группы: цилиндрические, конические, цилиндроконические гидроциклоны, а так же, не получившие большого распространения из-за повышенных удельных энергозатрат, при сравнительно одинаковых с остальными типами гидроциклонов показателях разделения суспензий, -турбоциклоны. Наибольшее распространение, как в отечественном промышленном производстве, так и за рубежом, получили цилиндроконические гидроциклоны. Простота конструкции и изготовления, высокая эффективность разделения, возможность получения высоких плотностей нижнего продукта, низкие эксплуатационные затраты, обусловили преимущественное использование аппаратов именно этого типа.
Внутри данной группы по конструктивным и технологическим особенностям можно выделить несколько основных подгрупп: - по схеме движения потоков в аппарате (прямоточные и противоточные); - по количеству продуктов разделения (двухпродуктовые и многопродуктовые); - по способу отвода слива (через сливную камеру или непосредственно через сливную трубу, соединенную со сливным патрубком).
Кроме того, аппараты каждой подгруппы различаются между собой углом конусности (от 5 до 140), длиной цилиндрической части (от 0,2 до 6 диаметров гидроциклона), конструкцией корпуса и материалом футеровки, по компоновке и наличию дополнительных устройств (одинарные и бинарные, с винтовыми вставками, с системой промывки песков и т.д.). Наиболее удачной классификационной схемой, дающей представление о многообразии конструктивных решений аппаратов гидроциклонного типа, представляется схема, приведенная в монографии [51].
Выбор конструкции при проектировании схем гидроциклонирования будет определяться целевым назначением аппарата: - для осуществления процесса классификации могут использоваться гидроциклоны с зонным отводом продуктов, с применением разнообразных конструкций входных устройств, установкой внутри корпуса различных направляющих потока [31]; - для гидроциклонов-сгустителей характерно наличие различных устройств на Песковых патрубках, предназначенных для уменьшения влажности сгущенного продукта, а так же препятствующих забивке пескового отверстия [46]; - для гидроциклонов-осветлителей применяются всевозможные устройства для дополнительной сепарации слива [46, 61]; - гидроциклоны-деэмульгаторы [61] комплектуются, как правило, различными, встроенными в корпус элементами, обеспечивающими увеличение времени пребывания в аппарате обрабатываемых сред; - для гидроциклонов, используемых в массобменных процессах и процессе флотации, оборудуются вихревые выходные камеры [30], работающие за счет барботажного эффекта, обусловленного эжекционным переносом и диспергированием атмосферного воздуха.
На сегодняшний день в промышленности массово используются цилиндроконические противоточные гидроциклоны, выпускаемые ранее в СССР Первоуральским заводом горного оборудования и Днепропетровским заводом горно-шахтного оборудования по ГОСТ 10718-81 (ныне отменен), а так же зарубежными производителями, крупнейшие из которых «Dorr-Oliver», «Krebs engineers», «AKW Apparate + Verfahren».
Построение автомодельных решений уравнения для функции тока
Осевая и радиальная составляющие скорости жидкости выражаются через новую неизвестную функцию F таким образом: г dr s у = Л = 2ггг-2(Г_ рЛ j г dz \ s Поверхности s-const представляют собой конические поверхности. Вертикальная составляющая скорости обращается в нуль на конической поверхности s si} где величина 1 определяется из условия: 151/ и. На этой поверхности достигается экстремальное (максимальное) значение функции Объемный расход жидкости через сливной патрубок равен: 2л Rj 2 1 Я Q= \d$ \urdr = 2n \- Ыг = 2яш(К2) - f(o) О оо о г дг V \\ ц (2 9) Здесь 2 - внутренний радиус сливного патрубка. Перейдем к безразмерным D переменным. За определяющий линейный размер возьмем радиус цилиндрической части гидроциклона, а в качестве характерной скорости жидкости примем величину м У Y-nKQ J. Безразмерная функция тока 2 , Q , связана с размерной при помощи формулы: V/==uo ol// = — . Поэтому, как показывает соотношение (2.9), через нижний обрез сливного патрубка должна проходить линия тока .
Установим, в каких случаях уравнение для функции тока (2.6) сводится к обыкновенному дифференциальному уравнению. Если искать функцию тока в виде (2.7), то левая часть уравнения для функции тока представляется в виде произведения z на некоторую функцию от переменной s. Поэтому задача сведется к интегрированию обыкновенного дифференциального уравнения в том случае, когда такой же вид имеет и правая часть. Это условие будет выполняться, если имеют место следующие равенства:
Частный случай этого уравнения, соответствующий значению т / 9 рассматривается в работе Блура и Ингхэма [92]. Различие заключается только в том, что использовались не цилиндрические, а сферические координаты. При указанном значении т наиболее простой вид имеет асимптотическое разложение решения при малых s, которое только и рассматривалось в [92].
Однако, как показано ниже, при т- 11 выражение для величины Н имеет неоправданную с физической точки зрения особенность на стенках гидроциклона.
Выражение для величины #, которое получается в результате интегрирования первого из соотношений (2.10), имеет особенность на стенке гидроциклона при 0 m 2 # ЦрИ т 0 функция тока неограниченно возрастает при z - 0 # Поэтому в рассматриваемом случае следует ограничиться рассмотрением значений параметра т, удовлетворяющих неравенству: т 2.
б) Другой частный случай уравнения (2.11) соответствует значению а = , т.е. И = const т в этом случае уравнение для величины F имеет вид:
Выражение для величины Г5 которое получается в результате интегрирования второго из соотношений (2.10), показывает, что в данном случае при т - 1 тангенциальная составляющая скорости w имеет особенность на стенках гидроциклона. Поэтому при Н = const следует рассматривать лишь значения параметра т, удовлетворяющие неравенству: т 1.
Наконец в общем случае, когда а 0 и b 0 следует рассматривать лишь значения параметра т, удовлетворяющих неравенству: т 2. В этом случае один из параметров, а или. , можно исключить из уравнения (2.11) путем рг -ит/2р? соответствующей замены неизвестной функции. Например, полагая 2, получаем:
Влияние конструктивных параметров гидроциклона на эффективность классификации
Определение гранулометрического состава гидрата проводилось по методике дифракционного определения крупности материалов,-сертифицированной и зарегистрированной Госстандартом Республики Казахстан за № 02-1-98, на лазерном дифракционном микроанализаторе частиц Analysette 22, обеспечивающем более точные результаты анализа по сравнению с ситовым методом определения гранулометрического состава [17, 44].
Принцип действия анализатора основан на изучении дифракционной картины, образующейся при прохождении лазерного луча через ячейку с непрерывно движущейся суспензией исследуемого образца. Результаты работы прибора непосредственно передаются на ЭВМ, где обрабатываются при помощи специального программного обеспечения. Работа прибора полностью автоматизирована, от оператора требуется лишь в нужный момент поместить образец в ячейку.
Графическое представление результатов классификации производилось в виде интегральных либо дифференциальных кривых распределения крупности частиц [34, 51].
По форме дифференциальная кривая чаще всего представляет собой статистическую кривую распределения с одним максимумом, но может иметь и другую . форму, это зависит от характера дисперсности системы. Дифференциальные кривые распределения более информативны при проведении оценки поведения узких классов при классификации суспензий.
Медианный диаметр частиц [34], характеризующий среднюю крупность частиц в данной системе, находится по интегральной кривой распределения.
Возможные ошибки графического дифференцирования были минимизированы за счет автоматизации измерений и применения компьютерной программы расчета содержания узких классов. Количество интервалов построения дифференциальной кривой принято равным 9 (меньше 10 мкм, 10-20 мкм, 20-32 мкм, 32-45 мкм, 45-63 мкм, 63-80 мкм, 80-95 мкм, 95-125 мкм, больше 125 мкм). При построении дифференциальных кривых по оси абсцисс откладывались средние для интервала значения: 5, 15, 26, 39, 54, 72, 88, 110, 130 мкм соответственно.
Целью экспериментальных исследований было определение оптимальных конструктивных параметров и технологических режимов работы аппарата, отвечающих как задаче получения крупнозернистого глинозема, так и максимально вписывающихся в технологический процесс участка.
Экспериментальное определение оптимальных режимов предполагает выбор метода поиска. В настоящее время для решения задач оптимизации разработано значительное число методов [4, 56], однако нельзя отдать предпочтение какому-либо одному. Учитывая постоянство входных параметров участка декомпозиции, в качестве наиболее приемлемого был выбран метод покоординатного поиска. Суть его состоит в последовательной оптимизации процесса по отдельным факторам при фиксированных значениях остальных. Экспериментатор задается конечным количеством исследуемых факторов, формирующих факторное пространство. В первом цикле, двигаясь параллельно одной из осей факторного пространства, определяем оптимум исследуемого фактора, затем, двигаясь от этой точки по следующей оси, определяем оптимум следующего фактора и так - по количеству выбранных осей. Координаты оптимума, полученного за такой цикл, используются в качестве исходной точки второго цикла. Количество циклов определяется достижением заданных параметров, либо сходимостью результатов предыдущего и последующего цикла в пределах ошибки анализа результатов. Определение оптимумов на каждом из этапов ведется графически. Приоритет в выборе данного метода определяется особенностями исследовательской работы в условиях действующего производства [5]: незначительные отклонения входных характеристик дают возможность повторной проверки результатов опыта, а небольшое количество изменяемых в процессе эксперимента параметров, формирующих факторное пространство, минимизирует затраты времени и средств.
Расчет расходных характеристик
Достаточно проблематичным является расчет расходных характеристик гидроциклона. Анализ работ посвященных данной теме [46, 51,61], показывает, что в каждом конкретном случае авторы для практических промышленных расчетов рекомендуют формулы, полученные на основе зависимостей, определенных экспериментальным путем.
Многообразие формул для расчета производительности гидроциклона позволяет сделать, между тем, общие выводы. Объемная производительность гидроциклона, как его гидравлическая характеристика, зависит в первую очередь от конструктивных параметров. Данные эксперимента [6, 8] показали, что основное влияние на объемную производительность оказывают dBX , dCJl и Рвх. Влияние нижней насадки проявляется только тогда, когда она близка dCJl, что выходит за рамки рассматриваемого режима классификации.
Исходя из классификации предлагаемых для расчетов производительности формул.по группам [46, 61], рекомендаций по границам их применимости и, основываясь на результатах опытов [6, 126], расчет производительности для противоточных цилиндроконических гидроциклонов-работающих на СГА предлагается производить по формуле вида: Q = кD(d dсл)тTJР 5 где Q - производительность гидроциклона по питанию, м /с; ко - коэффициент, зависящий от диаметра гидроциклона; dBX - диаметр круга, площадью равной площади сечения входного патрубка, м; dCJl - диаметр сливного патрубка, м; т -показатель степени, Рвх - давление на входе в гидроциклон, Па.
Наиболее часто в литературе предлагается для расчетов использовать формулы именно этого вида. Наибольшее количество рекомендаций по использованию формулы Поварова [51], или, как ее еще называют, — модифицированной формулы Механобр: Q = 5kDkadnd4gH , где коэффициенты ко, ка - определяются по диаметру и углу конусной части, dn, d- диаметры входной и сливной соответственно, //-давление на входе.
Шмигидин [71] для глиноземного производства предлагает использовать для гидроциклонов диаметром до 250мм формулу Олевского [13] : Q = 0,94dexdCJ 4 . Довольно часто, особенно в ранних работах, например [57], встречается рекомендация по использованию формулы Честона: 6 = 23,6F„V?, где Fex - площадь питающего отверстия, Р - перепад давлений в аппарате. Размерности параметров для приведенных выше формул в каждом случае свои и не совпадают с системой СИ.
В соответствии с методом анализа размерностей, формулу для нахождения производительности следует представлять в виде: Q = knd "d (Ї "\І(Р I о ) -e D ex en \ \ ex г пит / э где п — показатель степени, рпит - плотность суспензии на входе гидроциклона.
Между тем, исходя из прикладного характера, решаемой в данной работе задачи, автор, основываясь на экспериментальных данных, счел возможным, с учетом того, что плотность питания гидроциклона для данного процесса изменяется в достаточно узких пределах, представить формулу для нахождения производительности гидроциклона в виде: e oKAJ044 (4.1) где показатель степени определен по данным стендовых испытаний.
По результатам анализа данных стендовых испытаний гидроциклонов диаметром 150, 500, 750 мм [6, 79, 126-128], а так же данных других исследователей [25, 71] для гидроциклонов диаметром 75 и 250 мм, используемых в циклах классификации гидратных пульп, с углом конической части от 10 до 40 градусов формула для определения безразмерного коэффициента kD в формуле (4.1) представляется в виде: кп = — -х 2.25x10-4 D 0.15 где Вгц— диаметр гидроциклона, м.
Была произведена проверка возможности применения формулы для геометрически подобных гидроциклонов, работающих на СГА с использованием данных полученных другими авторами [52, 78]. Погрешность вычислений производительности гидроциклонов в процессах классификации СГА по формуле (4.1) составила 5 % от фактической. Зная, таким образом, производительность единичного аппарата, можно определить необходимое количество гидроциклонов.
