ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2011, том 45, № 2, с. 227-235
УДК 532.542.4:575.5.519.63
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ГИДРОЦИКЛОНА С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ДВУХСТРУЙНЫМ ИНЖЕКТОРОМ
© 2011 г. А. В. Крохина, И. Г. Дик*, X Неессе*, Л. Л. Миньков**, Г. П. Павлихин
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана *Университет Эрланген-Нюрнберг, г. Эрланген, Германия **Томский государственный университет Johann.Dueck@uvt.cbi.uni-erlangen.de Поступила в редакцию 14.12.2009 г.
Представлены результаты измерений расходных характеристик и размеров воздушного столба в гидроциклоне, снабженном специальной насадкой дополнительной инжекции воды в аппарат для управления параметрами классификации. Выявлено, что дополнительная инжекция воды значительно изменяет гидродинамическую обстановку в аппарате. Установлена зависимость изменения расхода воды через верхнюю и нижнюю сливные насадки от направления инжекции и расхода инжектируемой воды. Предложены объяснения механизмов воздействия радиально и тангенциально направленной инжекции на характеристики классификации.
ВВЕДЕНИЕ
Гидроциклоны широко используют в технологиях очистки сточных вод и почв для разделения суспензий и фракционной классификации твердых частиц и зернистых материалов по крупности в жидкостных потоках [1—7]. Однако, несмотря на широкое применение гидроциклонов и значительный прогресс в технике гидроклассифицирова-
ния, оптимизация параметров классификации этого процесса остается актуальной задачей [7, 8].
Одним из методов улучшения характеристик работы гидроциклона является дополнительная инжекция воды в аппарат [9—15] (схема гидроциклона с инжектором представлена на рис. 1). Установлено [14], что инжекция наиболее эффективна, когда она осуществляется внизу конической части аппарата.
(а)
(б)
Отвод осветленного продукта
Подвод инжектируемой
воды 6
(сШ
Схема тангенцального инжектора
Инжектор
Подвод суспензии
Схема радиального инжектора
Рис. 1. Схема экспериментальной установки гидроциклона со встроенным инжектором (а) и два типа инжектора (б): 1 — гидроциклон из прозрачного материала; 2 — инжектор; 3 — бак, заполненный водой; 4 — вентиль; 5 — манометр; 6 — цифровой расходометр.
Предполагается, что инжектируемые струи воды должны придать дополнительную радиальную скорость твердым частицам, направленную от стенки к оси аппарата. Такие мелкие частицы, подхватываемые восходящим центральным вихрем, будут уноситься к верхнему сливу и, таким образом, не будут засорять сгущенный продукт в нижнем сливе. Экспериментальные доказательства возможностей улучшения характеристик отделения мелких частиц с использованием инжектирования даны в [9—14].
Важную роль при разделении фаз в гидроциклоне играют гидродинамические характеристики. При этом большое значение имеют сведения о распределении потоков в выходных сечениях аппарата [1, 2, 4, 5]. В частности, мельчайшие фракции твердой фазы слабо сегрегируются центробежными силами и выносятся через сливные отверстия пропорционально соответствующим потокам воды.
Другой важной гидродинамической характеристикой гидроциклонирования является размер воздушного столба, возникающего из-за подсасывания воздуха в аппарат [1, 16—20]. Воздушный столб несколько редуцирует рабочий объем аппарата и влияет на характер истечения, особенно в нижнем сливе. Изучение гидродинамических характеристик гидроциклона является основой, предваряющей исследования сепарационных характеристик разделения
[1-5].
Обе указанные характеристики могут существенно изменяться при наложении инжекцион-ных струй на поток основного питания. Для стандартных гидроциклонов гидродинамические характеристики изучены довольно хорошо [1-5], а вот их изменения под влиянием инжекции - недостаточно [11, 21]. Нижеприведенное исследование в некоторой степени восполняет этот пробел.
Целью настоящей работы является выяснение основных деталей воздействия характеристик ин-жекции (способ подачи инжектируемой воды, интенсивность инжекции) на расходные характеристики гидроциклона, распределение потоков через выводные сопла, размер воздушного столба в аппарате и угол распыления струи в нижнем сливе.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
В экспериментах использовался цилиндрокони-ческий гидроциклон диаметром 50 мм со встроенной системой инжекции воды внизу конической части. Диаметр верхнего слива гидроциклона составляет 14 мм, а нижнего слива 7.2 мм. Рабочим материалом являлась вода. Схема экспериментальной установки показана на рис. 1.
Экспериментальная установка (рис. 1а) включает в себя гидроциклон из прозрачного материала 1 со встроенным инжектором 2, размещенным над баком, заполненным водой 3. Вода подается в гидроциклон при помощи центробежного насоса. Давление на входе в гидроциклон регулируется при помощи вентиля 4 и измеряется при помощи манометра 5, расположенного на входе в гидроциклон. Расход инжектируемой воды измеряется при помощи цифрового расходомера 6.
Механизм инжекции воды 2 состоит из внешнего кольца и вставленного в него внутреннего кольца (рис. 1б), имеющего два диаметрально противоположно расположенных отверстия диаметром 2 мм. Через регулирующий вентиль инжектор соединен с питанием воды, которая наполняет механизм и поступает в гидроциклон через отверстия. Инжектор установлен внизу конической части гидроциклона, при этом общая длина гидроциклона и его конической части не изменена.
Имеющийся набор колец позволяет инжектировать воду в радиальном направлении ортогонально к движению основного потока в аппарате и тангенциальном направлении сонаправлено с движением основного потока воды в гидроциклоне.
Для исследования влияния инжекции на гидродинамику аппарата были экспериментально определены расходы потоков воды через нижнюю насадку и верхнюю сливную насадку QO, а также диаметр воздушного столба йас внутри аппарата и угол распыления а через нижний слив в зависимости от расхода питания аппарата Qf и различных значений расхода инжектируемой воды Q¡nj.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Гидродинамика гидроциклона без инжектора. Для
исследования влияния инжекции на гидродинамику аппарата предварительно были измерены расходные характеристики гидроциклона без включенного инжектора.
На рис. 2 показана полученная зависимость расхода воды от давления
О- = 2.75р
0.49
(1)
которая соответствует большинству эмпирических формул, представляемых другими авторами [1, 2, 4, 5, 22, 23].
Увеличение давления питания способствует увеличению расходов воды через верхнюю и нижнюю выходные насадки в соответствии со следующими эмпирическими зависимостями (рис. 2):
Ои = 0.32р
0.34
Qo — 2.46p .
(3)
Одним из важных показателей в теории гидро-циклонирования является сплит-параметр S =
= QO / Qu [1, 2]. Из (1) и (2) следует, что
У = 7.69p
0.18
(4)
dl — 105.5/6,
(5)
A Qu/ QU = и AQo/QO = Qo - Qo
QU
qO
включаю-
щие в себя в качестве базовых характеристик значения расходов при нулевой инжекции [21].
Изменение расхода на входе О^1 в гидроциклон зависит от расхода инжектированной воды, и экспериментально получен следующий ее вид:
f q:
= 1 - 0.12
Q
inj
f
Q
(6)
f
г° г° г° /
Qf, Qo, Qu, л/с
Обрабатывая фотографические снимки воздушного столба, установлена зависимость диаметра воздушного столба в цилиндрической части гидроциклона от давления питания гидроциклона в виде
0.3 p, МПа
что качественно соответствует предложенной в [19] зависимости вида Л°ас к р05. Увеличение давления приводит и к увеличению угла распыления жидкости у нижнего слива.
Уравнения (1)-(3) описывают расходные характеристики аппарата, а численные коэффициенты, входящие в них, результируют все геометрические характеристики используемого в экспериментах гидроциклона.
Гидродинамика гидроциклона с инжектором. Гидродинамика работы гидроциклона в присутствии инжекции воды зависит от конструкции инжектора, которая обеспечивает тангенциальный или радиальный ввод струй воды.
Можно объединить все измерения расходов воды при различных давлениях через каждую из выходных насадок гидроциклона единой кривой,
используя безразмерные переменные Qinj/ О^1,
Рис. 2. Зависимость расходов гидроциклона через питающую насадку (1), верхнюю (2) и нижнюю (3) выводные насадки от давления питания.
Ötan _ .^0
O — Qo
1 + 1.371 (Qn f
1.07-
(7)
.rad
а для случая радиальной инжекции Qo в виде
Örad _
o — Qo
1+Г Щ
Qf
(8)
Расход через верхний слив при тангенциальной инжекции с ростом Q ¡nj- растет более интенсивно, чем при радиальной инжекции.
На рис. 4 представлены зависимости расхода воды через нижний слив в "универсальных" переменных для случаев тангенциальной и радиальной ин-жекции.
Для нижнего слива при тангенциальной инжекции проявляется слабая немонотонность зависимости расхода воды от величины инжекционного потока, и уравнение расхода можно аппроксимировать квадратичной функцией
Ötan _ .^0
U — QU
inj
1 + 0.651 ВД - 12.09(Q
2-\
(9)
Изменение расхода воды через верхний слив для различных давлений при увеличении расхода инжектируемой воды для тангенциального и радиального впрысков показано на рис. 3.
Зависимость расхода воды через верхний слив для случая тангенциальной инжекции О0 может быть представлена следующей эмпирической формулой:
При радиальной инжекции эта зависимость имеет следующий вид:
rad 0
qu — QU
1 + 4.7
inj
1.26п
(10)
Таким образом, дополнительная инжекция коренным образом изменяет гидродинамику аппарата.
Качественные различия изменения расходных характеристик аппарата при тангенциальной и радиальной инжекции объясняются различной гидро-
Aß0/Ö0 (а) Aß0/ßO (б)
Рис. 3. Расход воды через верхнюю сливную насадку: 1 — р = 0.08 МПа; 2 — р = 0.14 МПа; 3 — р = 0.2 МПа; (а) — тангенциальная инжекция; (б) — радиальная инжекция.
AQuZQu (а) AQu/Qu (б)
Рис. 4. Расход воды через нижнюю сливную насадку: 1 — р = 0.08 МПа; 2 — р = 0.14 МПа; 3 — р = 0.2 МПа; (а) — тангенциальная инжекция; (б) — радиальная инжекция.
динамической ситуацией, складывающейся внутри аппарата. При тангенциальном способе впрыска инжектированная вода вплетается в основной поток в гидроциклоне и тем самы
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.