научная статья по теме МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ДВУХФАЗНЫХ СМЕСЕЙ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ СГУСТИТЕЛЕ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ДВУХФАЗНЫХ СМЕСЕЙ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ СГУСТИТЕЛЕ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2014, том 48, № 2, с. 214-221

УДК 517.958; 66.021.1:532.5

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ДВУХФАЗНЫХ СМЕСЕЙ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ СГУСТИТЕЛЕ

© 2014 г. Ф. Г. Ахмадиев, |Н. Н. Зиннатуллин

Казанский государственный архитектурно-строительный университет Поступила в редакцию 31.03.2013 г.

Изучена гидродинамическая обстановка в центробежном сгустителе, представляющим собой цилиндрическую трубу, разделенную продольными перегородками на определенное количество секторов. Для описания процесса разделения двухфазной смеси использованы уравнения механики гетерогенных сред, которые записаны в цилиндрической системе координат с учетом особенностей течения. Задача решается полуаналитически. Проведены численные расчеты по построенной математической модели процесса разделения.

Б01: 10.7868/8004035711402002Х

ВВЕДЕНИЕ

Процессы разделения гетерогенных систем составляют основу многих технологических процессов. Для их разделения применяются различные сепараторы, отстойники, фильтры, центрифуги, в частности, центробежный сгуститель [1]. Гидродинамическая обстановка в аппарате определяет основные закономерности процессов разделения, и ее изучение является основой при построении методов его расчета.

Целью настоящей работы является математическое моделирование процесса разделения двухфазных сред в центробежном сгустителе и в подобных аппаратах.

Рабочая среда в процессах разделения представляет собой гетерогенные смеси, и для описания их гидродинамики можно успешно использовать методы механики многофазных сред. Например, в работах [2—4] уравнения механики многофазных сред использованы для расчета процессов разделения двухфазных систем в конкретных аппаратах.

Уравнения сохранения двухфазных сред в областях произвольной формы в безразмерном виде в специальной системе координат х, связанной с областью течения, в безразмерном виде могут быть записаны в виде [5]

1

VI ?Р± +_

¡1 дt Н1И2И3

Уа д (рН 2 НзУХ1)

¡1

дх1

+ V, д (нНзУх2) + Уз д(НН2Ухз)"

¡2 дх2 ¡3 дх3

I = 1,2,

= 0,

(1)

(Яе1 е 2] )р

1х,

'-2]

(.а д!-

V н]дх]J

(е 21 )2 1 д (Н]Н2Н3))

е ]1 Н]Н1Н2Н3

дх1

]2

_1_д (Н]НН3)

Н]НН2Н3 дх2

2 , ( ТТ ТТ ТТ \ _]3

1

1

д (Н]Н1Н2 )

е 1 Н ]Н1Н2Н3

дх3

Ы!V^^ + ^ р^х - /12х, е ]1 ¿1 Н]Нкдх] Бг/1 х Л2]

(Яе2 82])р2

'-2]

Ун У

21

.01 д! V Н]дх]J

+ Р2^2х, + У .^х,^

Бг2

V,

21

Р£р1 (У^гаё01) = —1

1

Реб 21НН2Н3

(2)

(3)

Ы2_д_Г НН Х1+ НН ^ 301 (4)

5х1 ^ Н1 5х1) дх2 ^ Н2 дх2)

+ (в 23 )2М НН д01

дх3 ^ Н3 дх3

р2Ср2 ((ёгаё02 )=реец нНН

( \2 д (е 21) — х дх1

Н 2Н

2Нх2 д02 ) + А_{ НН х2

Н1 дх1) дх2 ^ Н2 дх2 , ] = 1,3,

д02 1+ (5)

+ (В23^ Н^X2 д02

дх3 ^ Н3 дх3

Рис. 1. Принципиальная схема центробежного сгустителя.

к1 Т1

~ * к1 2^1 ,

(6)

а1 + а 2 = 1.

Решение уравнений (1)—(6) при описании различных технологических процессов вызывает большие трудности. В конкретных случаях за счет специального выбора ортогональной криволинейной системы координат, связанной с областью течения, движение двухфазной среды можно свести "близким" к простейшим, что позволяет рассчитывать единым подходом целый класс гидродинамических процессов химической технологии. При этом в уравнениях (1)—(6) некоторые безразмерные параметры бк;-, Яе;-, Бг, Ре оказываются малыми (большими), что свойственно для широкого класса течений. Это позволяет существенно упростить систему уравнений (1)—(6) после оценки порядка членов соответствующих уравнений и использовать их для расчета ряда гидродинамических процессов, например, [2, 3, 6, 7].

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ДВУХФАЗНОЙ СМЕСИ В ОТСЕКЕ ЦЕНТРИФУГИ

Рассматривается ламинарное установившееся течение двухфазной системы в одном отсеке центробежного сгустителя (центрифуги) непрерывного действия [1], который эффективно может быть использован для разделения двухфазных смесей.

При работе этого аппарата исходная смесь поступает в рабочую часть вращающейся с угловой скоростью ю цилиндрической трубы, разделенной продольными перегородками, и течет вдоль трубы в отсеках между ними (рис. 1, 2).

Под действием центробежных сил дисперсная фаза осаждается к стенке трубы, и у стенки течет слой осадка, средний слой представляет собой неразделенную гетерогенную смесь, в верхнем слое течет осветленная несущая жидкость. На выходе из аппарата на уровне границы раздела осадка и осветленной жидкости устанавливается разделительная коаксиально расположенная цилиндрическая вставка. Разделенная на две части смесь (осадок и осветленная жидкость) выходит из сгустителя через соответствующие камеры.

Наличие продольных перегородок в сгустителе создает плавное ламинарное течение за счет увеличения смоченного периметра и исключает вращательное движение смеси относительно стенок аппарата.

Установка в сгустителе цилиндрической вставки вдоль потока позволяет организовать отбор осадка и осветленной жидкости без нарушения плавного режима течения и повторного смешения разделенных фаз. Все эти факторы особенно важны при разделении высокодисперсных гетерогенных систем и когда разность плотностей фаз системы мала. Таким образом, подобное аппаратурное оформление сгустителя позволяет повысить степень разделения (очистки) гетерогенных сред по сравнению с подобными аппаратами, например, [8].

В области течения разделяемых материалов в одном отсеке (рис. 2) выполняются соотношения е21 = (Я2 - Я1)/Ь < 1, е31 = Л20 0/Ь < 1. Тогда исходная система уравнений, описывающая установившееся течение материалов в одном отсеке аппарата, при Яе;- б21 <§ 1 и ¥щ ~ 0 на основании уравнений (1)—(6) в цилиндрической системе координат х1 = г, х2 = г, х3 = 9 записывается в виде

4- (V )+дт=о'

rdr dz

dz rdr

dV

w' и

dr

r2 sel se

■ Pg =

2 n

—г1 + Р'ю r = 0,

dr

dP

= 0,

r 50

4 (a1rV1r ) + f (afa ) = 0, rdr dz

-a

dP +1 д

dz r dr

И (a 2)

.dVk

dr

, 1 d ( ¡ xdViz) ,, o n

+ 7 дёГ(a 2 ^ J- fi2z + aipogz =0,

dPi j. o 2 A

-ai^r - fi2r + aiPiю r = 0, dr

dPi n

-a, —i = 0, i rS0

4 (a2rV2r ) + f (a2V2z ) = 0, rdr dz

-a 2dPi + fi2z + a 2p 0°gz = 0, dz

dPi , r o 2 A

-a+ fi2r + a2P2® r = 0, dr

(7.1) 0, (7.2)

(7.3)

(7.4) (8.1)

(8.2)

(8.3)

(8.4)

(9.1)

(9.2)

(9.3)

dPi n -a 2—i = 0.

2 r 50

(9.4)

Здесь уравнения (7.1)—(7.4) при i = 10 и i = 20 описывают, соответственно, движение осветленной жидкости и осадка как некоторой жидкости с эффективными параметрами, а уравнения (8.1)—(8.4)

и (9.1)—(9.4) течение смеси; fi2 = f (a2)(Vi - V2);

gz = g sin p (в — угол наклона аппарата к горизонтали). Граничные условия для системы (7.1)— (7.4), (8.1)—(8.4) и (9.1)—(9.4) имеют вид

dV

i0z

dr

= 0,

Pi0 — Ртм

при r — Ri

(i a 2ост )Vi0r — aiVir, Vi0z — Viz, Pi0 — Pi, (

i0 dr ' ^ 2/ dr

aiVir = (i - a20) V20r, Viz = V>0z, Pi = P20,

dVi0z / \5Viz s

= ^ (a2)-riL при r = Si,

Hi (a 2)

И 20 "

dV,

20z

при r = S2;

(10.1)

(10.2)

(10.3)

dr dr

V20r = 0, V20z = Vi (z) = V(z, 0) при r = R2; (10.4)

Vi0z = Viz = V20z = Vi0r = Vr = V,0r = 0

при tí = +■

i0r _ rir

6o

(10.5)

2

где Я2 — радиус аппарата; 51 (z), 82 (z) — соответственно расстояние от оси трубы до свободной поверхности, до границы раздела осветленной жидкости и смеси, и до границы раздела смеси и осадка.

Основная трудность при решении системы уравнений (7)—(9) при граничных условиях (10) заключается в решении уравнений (7.2), (8.2). Из уравнений (7.3)-(7.4), (8.3)-(8.4), (9.3)-(9.4) сле-

др

дует, что перепады давления вдоль аппарата —- не

дz

зависят от г и 0. Причем выражения давления и перепада давления, определенные по этим уравнениям, имеют вид

Pi0 - Ртм + (i a2ост)po®

(r2 - Ri2)

dP

(11)

i0

- (i -a 2ост )poro2RiRi';

dz

Pi = Pатм + (i -«2ост }pl®2

(82 - Ri2) 2 (r2 -82)

рю

dPi = - (i - а 2ост }po®2RiRi' +

dz

+ [(i -а2ост}po -p]w28i8i;

(12)

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ

(5? - R?) +

P?0 = Ратм + (1 а ?ост )р1®

pw

(5? -5?)

■ a?oP?w

(? -5?)

2 2

dpo /л - ?!

dz

(13)

= -(1 -а?ост)p1w RR1 +

+ [(1 -а 2ост )р1 -p]®28i8; + (р-а 20Р1 )w28282.

Далее, для решения уравнений (7.2), (8.2) представим их с учетом соотношений (11)—(13) при = const в виде

1 dfJVz

rdrV dr

dpi

.1 dV

r2 dQ2

■Ар,- = 0,

(14)

где Др;- = дз- + \ М, Р1 = «1Р1 + «2Р2, индекс

I означает 10, 1, 20, соответственно для каждой из трех зон. Здесь и в дальнейшем штрих означает производную соответствующих величин по г, также будем считать, что в пределах каждого слоя а,-по г не меняется.

Уравнение (14) представляет собой уравнение Пуассона. Его решение затруднительно вследствие наличия неизвестных границ зон 81 и 82, также различного типа граничных условий на границах области течения при г = Я1 и г = Я2. Поэтому для его решения будем использовать приближенный метод сведения к обыкновенным дифференциальным уравнениям [9].

Решение уравнения (14) реализует экстремум интеграла (функционала)

J =

Я

щ

dr

1 fdVz

56

- ?ApVz

rd6dr, (15)

Vz = £

cos

(?j - 1)Ж)

(16)

j=i

Если для скорости Ук в разложении (16) ограничиться первым приближением, то из (15) следует зависимость

Яо

J =

б« ((ф ? I dr

f ? Л п

V ?б 1 /

ф1

?

■ 4 Ар, — ф1

п

rdr. (17)

Неизвестная функция ф1 (г) выбирается из условия экстремума интеграла /. Тогда соответствующее дифференциальное уравнение, согласно условию Эйлера—Лагранжа, будет

A d (rdk I + r dr\ dr

n

Ф1

Ц - 4Ар^ = 0. (18)

I г п

Это известное уравнение Эйлера, решение которого имеет вид

/ п п \

4Ар;-

Ф1 (r) = ■

п

((/0« -1)

c1r

+ c?r 1 + r

(19)

J

Таким образом, получены зависимости для определения продольной составляющей скорости в каждой зоне

Vz (r, е) = -(-

nIn -(

(20)

лег dpi, X ' dz +P'gz

C1, ¡r

■ c?, r

Постоянные интегрирования с1{ и с2;- определяются по граничным условиям (10).

Далее из уравнений (8.3) и (9.2), (9.3) следует, что

Vr = V?r +а1а? (p« -p«) ®?r// (а?),

V?z = V1z +| -а? д1 + а?P?gz

I/ (а ? )•

(21.1) (21.2)

для которого исходное дифференциальное уравнение (14) является уравнением Эйлера—Лагранжа.

Согласно методу сведения к обыкновенным дифференциальным уравнениям, пробные функции выбираются так, чтобы скорость Ук обратилась в нуль

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком