1.4. Оборудование для гидромеханических процессов

Лабораторная работа № 10

определение влияния конструктивных и технологических параметров гидроциклона на эффективность его работы

Цель работы: выявление влияния конструктивных и режимных параметров гидроциклона на эффективность разделения суспензий.

Введение

Настоящая учебно-исследовательская работа лабораторного практикума по МАХП, выполняемая студентами специальности 24.08.01, призвана дать студентам навыки работы с гидроциклонами и методику определения влияния режимных и конструктивных параметров на эффективность работы конкретного вида оборудования. Перед выполнением работы студентам необходимо ознакомиться с теорией гидроциклонов, их конструкцией и конструкцией лабораторной установки (некоторые сведения по этим вопросам содержатся в настоящем описании).

Разделение суспензий в гидроциклонах

Непрерывное разделение суспензий за счет центробежной силы возможно путем сообщения неоднородным смесям вращательного движения в неподвижном сосуде. Аппарат, применяемый для этой цели, называется гидроциклоном. Последний (рис. 1) состоит из цилиндроконического корпуса, снабженного вверху тангенциально расположенным штуцером для ввода суспензии, нижним штуцером для отвода сгущенного осадка и верхним соосным патрубком для выхода фугата. Достоинствами гидроциклона являются простота устройства (отсутствие вращающихся частей) и обслуживания, компактность и низкая стоимость, его недостаток – невысокая степень разделения, т.е. большая концентрация жидкости в осадке и твердых частиц в фугате. Разделяемая суспензия, войдя в гидроциклон с большой скоростью, приобретает вращательное движение и по мере ее перемещения вниз, крупные твердые частицы концентрируются вблизи внутренней поверхности конуса. В центральной части корпуса возникает встречный восходящий поток фугата, содержащего неотделившиеся мелкие твердые частицы. Уходящие из гидроциклона потоки сгущенного осадка и фугата находятся в соотношении, зависящем от сечений штуцеров для их отвода. На практике приняты следующие относительные размеры гидроциклонов: H/D=5, d/D=0.28, d₁/D=0.34, h/D=0.4. Диаметр цилиндрической части гидроциклона редко превышает D=750 мм.

Обозначив объемные расходы суспензии, осадка и фугата через V_{c ,}V₀ и V_ф, а абсолютные объемные концентрации твердой фазы в этих потоках - соответственно через а_ст, а_от и а_фт, напишем уравнение материального баланса по твердой фазе: а_стV_c= а_отV_o+ а_фтV_ф, откуда а_от = а_ст( V_c/V_o ) - а_фт (V_ф/V_o ).

Опытом установлено, что максимально возможные значения а_от и а_оф практически одинаковы и лежат в интервале 0.4 - 0.5 .

При превышении этих максимальных концентраций нормальная работа гидроциклона нарушается из-за закупорки выходных штуцеров. Максимальные концентрации, естественно, быстрее достигаются по мере увеличения а_ст, но при этом одновременно падает степень разделения, поэтому применение гидроциклонов для разделения высококонцентрированных суспензий оказывается малоэффективным.

Cтепенью осаждения называется отношение массовых количеств твердой фазы в осадке ( G_от ) и в исходной суспензии ( G_ст ) , отнесенных к

1 м³ жидкой фазы:

=100( G_от/G_cт )=100[(G_ст - G_фт )/G_ст ] = ( 1 - G_фт/G_ст )*100% ,

где G_фт - массовое количество твердой фазы в фугате, приходящееся на 1 м³ жидкости.

В реальных условиях твердая фаза суспензии представляет собой полидисперсную смесь, поэтому в теоретических расчетах, базируются на предельном диаметре твердой частицы d_а , полагая, что частицы с размером d> d_а уходят с осадком, а с размером d< d_а - с фугатом. Тогда количества твердой фазы в остатке и фугате определяются с помощью кривой распределения. При этих условиях, в зависимости от режима движения, предельные диаметры могут быть найдены из известных уравнений, например, для ламинарного режима

d_а = [ 18_ж* ( lnR₂/R₁ )/ (_т -_ж)^

Твердая фаза исходной суспензии, осадка и фугата представляет собой, однако, полидисперсную смесь. Вследствие сложной гидродинамической обстановки в циклоне и частичного агрегирования мелких частиц с фугатом уносятся частицы с размером d>d_а, а с осадком – частицы с размером d<d_а. Следовательно, суммарную степень осаждения можно определить только по степеням осаждения отдельных фракций _i, располагая кривыми распределения относительных массовых количеств твердых частиц m_i в исходной суспензии по диаметрам d_i отдельных фракций:

Рис. 1. Схема гидроциклона

Опытами установлено, что величина _i зависит от отношений V_o/V_c и d/d_а.

Для определения производительности гидроциклона можно воспользоваться уравнением расхода при истечении жидкости из затопленного отверстия: V_c = _рd²/4*(p/g_c ) ^0.5 , где _р = (d₁)² / ( D² - d² ) – коэффициент расхода; p – перепад давления в гидроциклоне; _c – плотность суспензии Заметим, что p =  _ж(w_ф²/2) или p= ₁_с(w_с²/2), где w_ф и w_с скорости выхода фугата и входа суспензии, соответственно.

Значения  и ₁ зависят от конструктивных размеров гидроциклона, физических свойств исходной суспензии, режима ее движения и соотношения потоков осадка и фугата. Обобщенные формулы для надежного расчета  отсутствуют, поэтому в инженерных расчетах пользуются экспериментальными данными.

Гидроциклоны применимы также для разделения нестойких эмульсий, в которых одна из жидких фаз находится в дисперсном виде (капли). Процесс сильно осложняется в данном случае тем, что капли внутри гидроциклона изменяют свою форму и размеры, а также коалесцируют. Работу гидроциклона характеризуют двумя коэффициентами разделения. Для фугата _ф=1 - а_фт/ а_ст , а для осадка ₀ = 1 - (1 - а_от )/(1 - а_cт ), где а_ст , а_от и а_фт - объемные концентрации тяжелой фазы в исходной эмульсии, осадке и фугате.

Имеющиеся опытные данные показывают, что с ростом V_о/V величина _ф падает, а  ₀ растет по мере увеличения входной скорости эмульсии. Увеличение концентрации тяжелого компонента в эмульсии приводит к резкому падению _ф и росту  ₀ в степени, возрастающей с увеличением V_ф/V_с. Обобщающие закономерности по разделяющей способности и гидравлическому сопротивлению гидроциклонов для разделения эмульсий пока отсутствуют.