Введение к работе
Актуальность работы. В ряде отраслей промышленности для качественного разделения больших объемов неоднородных дисперсных систем вместо низкоэффективного и громоздкого отстойного оборудования широкое распространение получают аппараты центробежного типа - гидроциклоны. Центробежные силы оказывают существенное влияние на протекание не только гидромеханических, но тепловых и массообменных процессов, а в ряде случаев целиком их определяют. Простота конструкции, отсутствие движущихся частей, удобство в эксплуатации позволяют использовать их для осветления, сгущения и классификации суспензий и'пульп в широком интервале концентраций и гранулометрического состава исходных продуктов. Промышленному использованию гидроциклонов способствует также значительный экспериментальный материал и результаты теоретических исследований, посвященные созданию математической модели сепарации дисперсных неоднородных систем типа жидкость - твердое тело.
В то же время гидроциклоны до сих пор недостаточно полно используются для проведения процессов разделения несмешивающихся жидкостей (эмульсий). Это обусловлено более сложным механизмом процесса сепарации, а также отсутствием достаточно надежных методов инженерного расчета, основанных на достоверных опытных данных. Решение этой проблемы невозможно без проведения комплексных исследований и выяснения общих закономерностей разделения несмешивающихся жидкостей, изучения влияния конструктивных параметров и технологических режимов работы на . гидродинамику гидроциклонов и эффективность сепарации в этих аппаратах.
Большую роль при разработке производственного процесса играет также правильный выбор самой конструкции аппарата, которая наряду с высокой производительностью должна обеспечивать необходимое качество получаемых конечных продуктов. К таким аппаратам, как показывает практика, наряду с традиционными цилиндроконичес-кими, можно отнести цилиндрические прямоточные аппараты с позон-ным отводом продуктов разделения и цилиндрические противоточные гидроциклоны с тангенциальной разгрузкой нижнего продукта. Однако, если для первых двух указанных конструкций имеется обширный экспериментальный материал по гидродинамике и расходным характеристикам, то для второго типа аппаратов псе эти данные практически отсутствуют.
Экспериментальные и теоретические исследования, представленные в диссертационной работе, проводились под руководством
академика, д.т.н., профессора Кутеггава A.M. в соответствии с Координационным планом научно-исследовательских работ АН СССР по направлению ТОХТ на 1981-1985 г.г., 1986-1990 г.Г. (2.27.4.1.2); Государственной научно-технической программой России "Новые принципы и методы получения химических веществ и материалов" в рамках макротемы 09.03 "Научные основы создания принципиально новых типов теплооОменного оборудования и аппаратуры для разделения смесей" в 1993-1997 г.г. (09.03.01); Межвузовской научно-технической программой "Теоретические основы химической технологии и новые принципы управления химическими процессами" в 1991-1993 г.г., 1994-1997 г.Г. (05.08).
Целью работы является разработка аппаратов гндроциклонного принципа действия для разделения несмешивающихся жидкостей (эмульсий), разработка методов их инженерного расчета, внедрение в различные технологические процессы.
Научную новизну работы представляют:
метод расчета состава продуктов разделения цилиндрокони-ческого, цилиндрического противоточного и цилиндрического прямоточного гидроциклонов, разработанный на основании детерминированного подхода к решению уравнения движения частицы дисперсной фазы в радиальном направлении и результатов экспериментальных исследований ;
методика расчета локальных значений тангенциальной скорости в объеме цилиндрического противоточного гидроциклона;
результаты поучения поведения капель дисперсной фазы в центробежном поле и определение ее размера на входе в гидроцмк-лон;
расчетная зависимость предельной (критической) скорости подачи исходной эмульсии в гидроциклон, превышение которой при определенных условиях приводит к ухудшению процесса сепарации за счет интенсивного эмульгирования;
полученные данные по распределению тангенциальной скорости, касательных напряжений Рейнольдса, радиальной и тангенциальной степеней турбулентности в объеме цилиндрического противоточного гидроциклона;
методика расчета расходных характеристик цилиндроконичес-кого и цилиндрического прстиноточного гидроциклонных аппаратов при разделении несмешивашшхся жидкостей.
Результаты работы отмечались в Отчетах АН СССР и РАН "Вал-
нейшие достижения в области естественных, технических, гуманитарных и общественных наук" по разделу ТОХТ в 1990 г. и 1992 г.
Практическая значимость и реализация результатов.
Результаты экспериментальных, теоретических и опытно-промышленных исследований послужиш осноеой для разработки методики инженерного расчета аппаратов гидроциклонного типа, что позволило решить ряд практических задач, результаты которых внедрены в промышленность.
Для очистки жидкого аммиака от масла в холодильных установках был разработан серийный агрегативный маслоотделитель Я10-ЕГЦ с использованием цилиндрического прямоточного гвдроциклона повышенной производительности (совместно с ВНИКТКхояодпром).
Использование гидроциклонов для очистки стеаратосодержащих стоков Долгопрудненского химического завода позволило произвести полное отделение стеаратов непосредственно в технологической линии и исключить их налипание на стенках трубопровода и возможность забивки транспортных коммуникаций завода.
Комплекс работ, проведенных на АО "Прогресс" (г.Степно-гсрск), включал разработку аппаратов для наделения из кулъту-ральной жидкости лизина, полученного путем ферментации на среде с ацетатом в качестве источника углерода. Введение в культураль-ную жидкость соляной кислоты и перемешивание ее осуществлялось в специальной конструкции цилиндрического гидроциклона в условиях автоматического регулирования рН при одновременном отделении выделяющегося газа в центробежном поле (А.с. N 1426095).
Результаты исследований я предложенные методики расчета использованы нл АО "Усольехимпром" (г.Усолье-Сибирское) при создании установок для очистки известкового молока в производствах эпихлоргидрина, нормального гипохлорита кальция, тркхлорзтилена; узлов очистки сточных вод цеха ЦКЛ-2 Кучичского керамического комбината облицовочных материалов (г.Железнодорожный); очистки промывных вод цеха ЛЩ-3 Новолипецкого металлургического комбината (г.Липецк) и ряде других.
Разработанные в ходе выполнения работ гидроциклоны с нижним бункером применены при очистке технологических вод в установках Еоопнрования торцов силовых конденсаторов ьа АООТ "КВАР" (г.Серпухов) и ряде производств АО "АКРОН" (г. Новгород).
Результаты теоретических и экспериментальных исследований использовались при разработке методических указаний, в дипломном
- 4 -и курсовом проектировании, а также учебном процессе.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 1 симпозиуме "Исследование и промышленное применение гидроциклонов" (Горький, 1980); III Всесоюзной научной конференции "Современные машины и аппараты химических производств" (Ташкент, 1983); II Всесоюзной научно-технической конференции по гидромеханическим процессам разделения неоднородных смесей" (Курган, 1983); Всесоюзной конференции "Современные проблемы химической технологии" (Красноярск, 1986); X Всесоюзной конференции "Химреактор-10" (Куйбышев-Тольятти,1989); Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка и внедрение вихревых электромагнитных аппаратов для интенсификации технологических процессов - АВС-89" (Тамбов, 1989); III Всесоюзной научной конференции "Гидромеханические процессы разделения гетерогенных систем (Тамбов, 1991); VIII Республиканской конференции "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств" (Днепропетровск, 1991); XV Менделеевском сгезде по общей и прикладной химии (Минск, 1993); Межреспубликанской научно-технической конференции "Интенсификация процессов химической и пищевой технологии - Процессы-93" (Ташкент, 1993); IV Международной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов - KXTII-IV-94" (Москва, 1994); 3~ей Республиканской конференции по интенсификации нефтехимических процессов - Нефтехимия-94" (Нижнекамск, 1994); IX Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии - ММХ-9" (Тверь, 1995); Международных конгрессах ХИСА (Прага, 1990, 1993).
Публикации. По материалам исследований опубликовано более 60 работ в международных, академических и отраслевых журналах и изданиях, получено 36 авторских свидетельства и 2 патента, 2 ме-г тодических указания.
Объем работы. Диссертация включает введение, восемь глав, выводы, список использованных источников (200 наименований) и 24 приложения. Работа изложена на 359 страницах и содержит 92 рисунка и 4 таблицы.