Структура течения жидкости в гидроциклоне для разделения эмульсий с малым содержанием легкой фазы тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСТИТЕТ имени А.Н.Туполева

На правах рукописи

СТЕПАНОВ НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ

СТРУКТУРА ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ГИДРОЦИКЛОНЕ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЭМУЛЬСИЙ С МАЛЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЛЁГКОЙ ФАЗЫ.

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Казань -1997

^ #

#

С ^

У

Работа выполнена в Казанском Высшем Артиллерийском Командно-Инженерном Училище имени маршала артиллерии М.Н.Чистякова

Научный руководитель: - доктор технических наук,

профессор БУЛКИН В.А. кандидат технических наук ИВАНОВ Н.В.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Глебов Г.А. кандидат технических наук Сагбиев И.Р. (КГТУ)

Ведущая организация: - Научно-исследовательский институт

нефтепромысловой химии (г.Казань)

Защита состоится " (А^й/'У^У 1997 года в

часов на заседании диссертационного совета Д 063.43.01 Казанского Государственного Технического Универститета имени А.Н.Туполева по адресу: 420111, Казань, ул. К.Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ

Автореферат разослан У^Л СЦ^ 1997 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

А.П.Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разделение жидкостей эмульсионного типа на практике встречается часто, практически все промышленные предприятия имеют сточные воды, содержащие нефтяные примеси. В настоящее время это разделение производят в основном длительным отстаиванием в резервуарах-отстойниках большого объёма. В отстойниках работающим фактором является разность в плотностях разделяемых фаз. Использовать эту разницу в плотностях целесообразней в центробежном поле, где величину фактора разделения можно получить на несколько порядков выше, чем в поле гравитации.

Наиболее простым в изготовлении и экономичным в эксплуатации при реализации данного метода, является использование гидроциклонов.

Как в России, так и за рубежом проведено большое количество теоретических и экспериментальных исследований, посвященных различным аспектам гидроциклонирования. Среди этих работ необходимо выделить исследования М.Дриссена, Д.Келсалла, Г.Тарьяна, В.В.Найденко. К фундаментальным исследованиям последних лет можно отнести труды Московской Академии Химического Машиностроения под руководством академика А.М.Кутепова. Но, следует отметить, что все эти исследования проводились при большем расходе через верхний сливной патрубок.

Для получения максимальной селективности конструктивно гидроциклон должен быть выполнен таким образом, чтобы соотношение расходов по сливам соответствовало концентрациям разделяемых фаз.

Для разделения эмульсий с малым содержанием лёгких примесей, к которым относятся нефтесодержащие сточные воды промышленных предприятий, через верхний слив должна отводиться лишь небольшая часть потока, а основная часть должна отводиться через нижний слив. Такое перераспределение потоков существенно сказывается на формировании полей скоростей и давления. Рассматривая осевую составляющую движения потока, можно отметить, что на стенке аппарата она направлена вниз. По мере уменьшения радиуса величина данной составляющей' начинает уменьшаться и на некотором радиусе ее значение будет равняться нулю. По мере дальнейшего уменьшения радиуса осевая составляющая меняет знак и поток движется к верхнему сливу. Таким образом, внутри циклона можно описать коническую поверхность, где осевая составляющая скорости движения потока равна нулю. На некотором сечении есть зона примыкания этой поверхности к границе воздушного шнура в приосевой зоне. Данную зону В.В.Найденко обозначил как точка целесообразней, видимо данную зону

обозначить как точка инверсии аксиальной составляющей скорости

движения жидкости на границе воздушного шнура, а расстояние от верхней крышки циклона до точки инверсии можно обозначить как зону разделения потоков, так как до данной точки происходит распределение потоков по сливам, а ниже данного сечения вся жидкость направлена вниз. В.В.Найденко утверждает, что точка инверсии находится на нижней кромке нижнего сливного патрубка, а при наличии шламовой камеры она может располагаться и ниже сливного патрубка. Многие исследователи придерживаются данного мнения. Есть исследования казахстанских учёных Абдураманова и Жангужинова, где они приходят к выводу, что точка инверсии может мигрировать по высоте аппарата. И действительно, при замыкании верхнего слива весь поток устремится вниз, и точка инверсии будет находиться наверху.

Положение точки инверсии определяет время нахождения жидкости в зоне разделения потоков. Это особенно важно при разделении эмульсии, когда разность в плотностях разделяемых фаз небольшая, и для достижения требуемой эффективности нужно большее время пребывания жидкости в зоне разделения потоков.

Исследования гидродинамики гидроциклонов с небольшим расходом жидкости через верхний сливной патрубок практически отсутствуют, а применение расчётов для других типов гидроциклонов • -приводит к неправильной оценке возможностей аппарата.

Цель работы. На основе аналитических и экспериментальных исследований определить структуру течения жидкости в гидроциклоне, предназначенном для разделения эмульсий с малым содержанием лёгкой фазы, и разработать рекомендации для проектирования таких аппаратов.

Научная новизна. Получена теоретическая модель, описывающая основные гидродинамические характеристики и позволяющая определять положение зоны инверсии аксиальной составляющей скорости движения жидкости в приосевой зоне гидроциклона (точки инверсии). Экспериментальным путём определено положение точки инверсии от геометрических и режимных параметров. Получена картина распределения статического давления и тангенциальной составляющей скорости движения жидкости в цилиндрическом и цилиндроконичес'ком гидроциклонах с малым выходным сечением верхнего сливного патрубка.

Практическая ценность. Полученные результаты проведённых исследований возможно использовать при проектировании и разработке перспективных способов очистки нефтесодержащих сточных вод промышленных, автотранспортных предприятий, автомоечных станций и нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих хозяйств.

Результаты диссертационной работы использованы в отделе охраны окружающей среды НИИнефтепромхим (г. Казань) в комплексе

работ по разработке техники и технологии очистки нефтесодержащих сточных вол промышленных предприятий и з НГДУ "Чернушканефть" в системе очистки поверхностных сточных зод.

Апробация. Основные положения диссертационной работы были обсуждены и получили одобрение на научно-технических конференциях Казанского ВАКИУ им.М.Н.Чистякова (1993 - 1996 гг) , на научных семинарах акустической лаборатории КВАКИУ им. М.Н.Чистякова (1994-1996 гг), на восьмой международной конференции молодых ученых "Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений" (1996г., 'г.Казань), на научно-технической конференции Пензенского ВАКИУ 1997 года, на научной сессии КГТУ (г.Казань) 7-8 февраля 1997г.

Публикации. Содержание работы изложено з 14 публикациях.

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 16 рисунков, 1 таблицу, 104 наименований используемой литературы и 3 страницы приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится краткое описание процесса разделения эмульсий в центробежном поле гидроциклоноз. Далее, анализируются известные отечественные и зарубежные исследования, посзященные различным аспектам гидроциклонирования. Обзор литературы показал, что в основном гидроциклоны лспсльзуются для разделения суспензий, когда разность в плотностях разделяемых фаз достаточно большая. Содержание твердой фазы обычно небольшое, и, поэтому, проходное сечение нижнего сливного патрубка, через который отводится тяжёлая фаза, намного меньше сечения верхнего сливного патрубка. Есть исследования . предназначенных для сгзде."э;-:;;я -.чульспй, но л он;:

проводились при большем расходе жидкости через верхний сливной патрубок при соизмеримых объемах легкой и тяжелой фаз.

Для разделения эмульсий с малым содержанием лёгкой фазы через верхний сливной патрубок должна отеояиться лишь небольшая часть жидкости, а основной поток должен отводиться через нижний сливной патрубок. Исследования гидродинамики аппаратов такого типа отсутствуют, а применение методов расчетов для других типов гидроциклонов приводит к неправильной оценке возможностей аппарата.

Вторая глава посвящена рассмотрению '-/шествующих подходов для аналитического описания гидродинамических закономерностей. Обосновывается целесообразность описания ,тоуктуры течения жидкости з• гидроциклонах на основе ур^Ен^ний Навье-^токса и

уравнения неразрывности с использованием понятия "эффективной вязкости".

Данные уравнения рассматриваются в цилиндрической системе координат с приведением к безразмерному виду. В качестве допущений принимается что жидкость несжимаема, поток стационарен, вязкость постоянна и равняется турбулентной вязкости.

Проведя ряд общепринятых преобразований, и отбрасывая незначимые члены с точностью до слагаемых нулевого порядка, данная система уравнений запишется в следующем виде:

ар Л ( 1 )

д2 =

ЭР \У2 ( 2 )

дЯ Я ' УЭ(Л\У) 1

Я дЯ Яе д(ЯУ) Э(Д\*0

д (\ Э(ЛЛУ)У Эл1л дЯ )

дЯ 82

0.

( з )

= о. ( 4 )

где Яе = -

( 5 )

Для описания полученной системы уравнений применительно к гидроциклону, задаются граничные условия движения потока, который ограничивается внутренней стенкой аппарата (рис.1).

Следует отметить, что в данном случае не учитываются так называемые "погранслойные эффекты". Через R/ и /?»=/ обозначены радиусы, а через Нj и Н0 длины цилиндрических частей стенок камеры. Минимальные радиусы конических составляющих определяются как R| и R0. За общую длину внутреннего патрубка примем Я/, а за длину гидроциклона Яд=1. Дополнительно на крышке камеры вводится точка с радиусом Ra как граница зоны вихря (заштрихованная область). Кроме того, через Rj обозначен радиус воздушного шнура. Таким образом, сечение области основного потока представляет собой многоугольник abcdd'c'b'a'.

Пусть q - доля потока на входе в гидроциклон, поступает в вертикальном направлении со скоростью U0. Тогда другая часть расхода (1-q) реализуется за счет радиальной скорости V0 на цилиндрическом участке стенки а Ъ'. Из данных условий получены зависимости для определения осевой и радиальной скорости на входе в гидроциклон:

и0=*/(1-*2), У0=(1-д)/(2Я). ( 6 )

Соответственно, пусть на выходе из рабочей камеры (на участке c'd' и cd) поток делится в пропорции "q:{\-q) между

основным выходом и внутренним патрубком. Скорость UQ и в

этих сечениях равны:

UQ=q/(P-Rp, U,=(l-q)!(R?-lQ). ( 7 )

Очевидно, если Rj > R/, то U( - 0 (q =/).

Введем верхнюю Z/(R) и нижнюю Zq(R) границы трубки тока в гидроциклоч.е как участки a'abed и b'e'd', непрерывно дополняя их постоянными значениями при 0<R<Rj.

Верхние участки этих границ, начиная от точек d и d', целесообразно сглаживать при численной реализации расчетных зависимостей. Далее, на кривых Z = Z/(R) и Z = Zp(R) задаются нормальные составляющие скорости V„0 и VnI:

R0 <R <1,

( 8 )

-u„ л,<л<л„

U0, R„ <R <1, ( 9 )

0, 0<R<R,„ R,<R<R„

Тогда для любого вертикального сечения области течения с координатой Я, образующего замкнутый контур с правой частью границы основного течения, из уравнения неразрывности в силу теоремы Гауса-Остроградского следует, что:

Я(20-2,)\(Я) = ~(и0\ + , - \м).

( 10 )

Когда 2о>21, по данной зависимости находится радиальная составляющая скорости движения жидкости, когда 2п=21 просто полагается: У (Я) = 0.

Тангенциальная скорость вращения потока \У находятся из уравнения ( 3 ). В силу нормировки:

а при V->0, когда Я—>0, следует, что —>0. С учетом этих двух условий, уравнение ( 3 ) запишется в следующем виде:

Л\У= ?-

( 11 )

/пехрСЯе^)^)^

где I) и 5 " переменные радиусы интегрирования.

Давление Р вычисляется путем интегрирования второго уравнения ( 2 >■по переменной Л:

Р.г-йи

( 12 )

т>0

где Р - статическое давление на стенке канала в сечении входного патрубка

В результате для полного расчета зсзх характеристик течения потока остается найти лишь скссость II зеотикального поступательного движения жидкости, ^сли П;, и.. - значения скорости V. на 'границах 20 и 2/, то, очевидно, что:

0 I

На непроницаемых участках границ: .<12

и. = V-

/ = 0..

и, значит

и

, я,,<я <л,„ \dZJdR, Я„<Я<\.

( 13 )

( 14 )

о

о

и

- а -

- и, , л., < л < л,. иг1='У<й,/«й ,/?,<«</?„ ( 16 )

и, , Л„<Л<1.

Задав определённые условия, можно установить значения составляющих 112/ и Ця, и варьируя сечением X по высоте аппарата, возможно определить сечение, где осевая скорость на границе воздушного шнура равна нулю. Это и будет точкой инверсии осевой составляющей скорости движения потока.

Численную реализацию полученного решения возможно получить на ЭВМ, для чего необходимо разработать вычислительную схему и соответствующую систему компьютерного моделирования.

В третьей главе приведено описание экспериментальной установки для опытной проверки основных допущений и закономерностей, принятых при построении математической модели. Исследования проводились на специально созданной экспериментальной установке, которая состояла из

экспериментального гидроциклона, ёмкости для исходной жидкости, центробежного насоса, образцовых манометров, различных вентилей подводящих -и отводящих магистралей. Установка могла работать как по замкнутой схеме, так и в проточном режиме. Давление на входе в гидроциклон регистрировалось по образцовому манометру, имеющем предел измерения б кгс/см2, измерение расхода жидкости через сливные патрубки осуществлялось объёмным способом методом отсечения струи. Ошибка в измерении расхода не превышала 1.5 %.

Экспериментальный циклон конструктивно выполнен разъёмным, что позволяло в ходе проведения экспериментов изменять высоту цилиндрической части, угол конусности, диаметры выходных патрубков, исследовать цилиндрический и цилиндроконический гидроциклон. Для визуализации процессов, происходящих внутри аппарата, он выполнен из прозрачного материала - органического стекла марки 65 ГОСТ15869-70. Диаметр цилиндрической части гидроциклона (И ) составлял 50 мм, ввод жидкости осуществлялось через два диаметрально-противоположно тангенциально расположенных входных патрубка диаметром по 7,5 мм каждый.

Выбранная схема позволяла плавно регулировать расход жидкости в диапазоне от 0 до 1,5-10"3 м3/с и давление на входе в гидроциклон в диапазоне от 0 до 0,3 МПа.

Для определения положения точки инверсии по оси гидроциклона пропускалась трубка из нержавеющей стали с наружным диаметром 2мм. Нижний торец трубки запаян, а с другого конца по внутренней полости подавался краситель. Для подачи красителя в гидроциклон, в средней части трубки имелось отверстие. Для предотвращения вибрации трубка крепилась на раме, которая не была привязана к гидроциклону, что позволяло перемещать трубку с

отверстием по всей высоте гидроциклона без нарушения движения жидкости.

По трубке через отверстие в полость гидроциклона подавался краситель. Передвигая раму, с трубкой по высоте гидроциклона визуально определяли место, где движение красителя в осевом направлении на границе воздушного шнура меняло направление с нисходящего на восходящее. Данное геометрическое место и являлось точкой инверсий. Численное значение расположения данной точки определялось от среза нижнего сливного патрубка мерной лентой, прикреплённой к корпусу гидроциклона. Точность определения точки инверсии составляла ±5мм.

Измерение полей скоростей и давления проводилось с помощью поперечно натя.нутого зонда, изготовленного из нержавеющей металлической трубки наружным диаметром 1,5 мм, расположенного строго по диаметру специальной вставки в плоскости, перпендикулярной оси гидроциклона. Приёмное отверстие в стенке трубки имело диаметр 0,3 мм. Радиальное и угловое перемещение приёмника осуществлялось с помощью координатного устройства, обеспечивающего задание линейных координат с точностью ±0,05 мм и угловых координат с точностью ±2,5°.

Такой датчик по общеизвестной методике после специальной тарировки и соответствующей обработки результатов измерений позволяет определять локальные значения, статического давления и тангенциальной' составляющей вектора скорости для всего рассматриваемого канала.

В четвёртой главе приводятся результаты экспериментальных исследований. Исследования проводились на гидроциклоне, который по своим геометрическим параметрам был близок к аппаратам, применяемым в экологических целях для очистки нефтесодержащих сточных вод.

Определение положения точки инверсии проводилось на сложноконусном гидроциклоне с углами конусности (Х/=30° и a¿=15°, диаметром верхнего сливного патрубка (c/eoI) - 6,5 мм, высотой цилиндрической' части ( Нц ) - 50 мм. В процессе проведения экспериментов .миграция инверсионной точки анализировалась в зависимости от• изменения диаметра нижнего сливного патрубка (d„,c,), который варьировался в пределах от 5 до 10 мм с интервалом в 1 мм, и от изменения высоты цилиндрической части. Эксперименты проводились при высоте цилиндрической части 50, 100 и 200 мм.

Исследования проводились при давлениях на входе от 0,015 до 0,15 МПа, что охватывает рабочий диапазон для данного типа гидроциклонов.

На рис.2 приведены графики зависимости расположения точки инверсии от давления на входе в гидроциклон при различных

диаметрах нижнего сливного патрубка. Данные зависимости рассмотрены при й = 50,100,200 мм. Для удобства восприятия графики а, б, в, привязаны к корпусу гидроциклона. Для получения достоверности экспериментальных данных, каждая серия экспериментов проводилась не менее трёх раз. На данных графиках, как и во всех последующих, показаны только осредненные значения экспериментальных данных. На рис.2(г) в безразмерном виде приведены зависимости длины зоны разделения от давления на входе при ¿/„.„=10 мм при разных высотах цилиндрической части. На данном графике Н~ - это отношение длины гидроциклона к его диаметру (Я=0/1), -а Р=Р„/Р™\ где /^'"=0,15 МПа. Пунктирной линией показаны зависимости, полученные во второй главе аналитическим путём. Приведённые теоретические и экспериментальные зависимости имеют достаточно хорошую сходимость для данного типа исследований.

Из графиков видно, что независимо от размера слива при малых давлениях во входном патрубке (Р„) точка инверсии находится ближе к верхнему сливному патрубку. При увеличении Ра данная точка смещается к нижнему сливу, а при Рт выше 0.06 МПа она стабилизируется на определённой высоте, что подтверждает высказывания В.В.Найденко о существовании стационарного гидродинамического режима после завершения формирования потоков. Отсюда следует, что есть минимальный предел режима гидроциклона, ниже значения которого аппарат работает неустойчиво и непрогнозируемо. Для исследуемого гидроциклона давление на входе должно быть не менее 0,06 МПа. При увеличении диаметра нижнего слива точка инверсии смещается в сторону верхнего сливного патрубка, тем самым уменьшается длина зоны разделения. Из графиков также видно, что чем больше цилиндрическая часть гидроциклона, тем большая часть аппарата является "рабочей". Увеличивая цилиндрическую часть, можно увеличить длину зоны разделения- потоков.

Для "обобщения экспериментальных данных и получения количественной оценки характера изменения длины зоны разделения от исследуемых параметров, экспериментально полученные результаты были подвергнуты регрессионному анализу. Данный анализ проводился с помощью пакета прикладных программ по статистической обработке данных на ПЭВМ - диалогового интегрированного пакета ЗТАТСЯАРН1С5. В результате обработки получена следующая зависимость:

I = 0,819 + 0,287^-0,041Я -0,435Р -20,0794; +2,393Р1„ +0,475^/7, где Г = £,,,//- и <7, =</„„/О

а)

300

Ш£

200

100

%

V; 50мм Г - о - • Ожлд-ЮМЫ ■ <1«лл= 9ыи 4ъеп= 8ш1 ¿к.<и= 7м и ■ Н---«» «ми

« "

—в-—0—

0.05

0.1 Р«,МПа 0.15

I

ь-» го I

б)

400

ММ

200

н«= 1 юомм о -о - А - о - <1ж.«л=ЮИМ ¿мл" 9ММ <1жлп= 8ми <*жлп= 7ми ¿ж.<и= бим с1ж.«п- 5ми

1 В-Н -■-1 -0 Ч

и—Г ' Г - '

<)..ов=1 Оми <¡,.0,= 9мм

с)«.он- 71ш <!,.„- 6мм

¿а.ок= 5 мм

0.05

0.1 Р„,МПа 0.15

0.00 0.00

0.25 0.50 0.75 Р 1.00

Рис.2 Положение точки инверсии и длина зоны разделения от давления на входе

Анализ исследований, проведенных на цилиндроконическом гидроциклоне привел к необходимости проведения исследования положения точки инверсии в цилиндрическом гидроциклоне. Эксперименты показали, в диапазоне устойчивых режимных параметров точка инверсии всегда находится на нижнем срезе гидроциклона. Это значит, что по всей длине цилиндрического гидроциклона происходит распределение потоков по сливам.

В процессе данной работы были проведены эксперименты по определению полей скоростей и давления на цилиндроконическом гидроциклоне с высотой цилиндрической части [Нц) - 50 мм, диаметром верхнего сливного патрубка {(!,„) - 3 мм, диаметром нижнего сливного патрубка {¿/„с,) - 10 мм, Конусная часть представляла собой сложноконусную форму с углом конусности 30° и 2°.

В процессе проведения экспериментов давление на входе в гидроциклон (Р„) поддерживалось равным 0,15 МПа, что соответствовало общему расходу жидкости (£?„■) равному 0,534 л/с. Статическое давление у входного патрубка (Рст°) при этом устанавливалось 0,107 Мпа а скорость жидкости во входном патрубке (Уа) - 6,05 м/с.

Полученные результаты обрабатывались на ЭВМ с помощью прикладной программы по обработке экспериментальных данных СЯАПЕК, которая позволяет методом наименьших квадратов подбирать зависимости, наиболее точно описывающие экспериментальные данные и представлять обработанные данные в графическом зиле.

Полученные профили распределения статического давления и тангенциальной составляющей скорости движения жидкости по радиусу аппарата при разных сечениях г приведены на рис.3.

Анализ полученных результатов показывает, что величина статического давления убывает от стенки к оси аппарата. Данная зависимость сохраняется по всей высоте гидроциклона в пределах исследуемых параметров. В пределах погрешности экспериментальной установки величина статического давления на одинаковом радиусе на разных сечениях по высоте аппарата остается постоянной. Значение Тангенциальной скорости с удалением от стенки гидроциклона к оси аппарата увеличивается, на некотором радиусе данное- значение достигает максимума, и при дальнейшем приближении к оси аппарата - убывает. Профиль данной скорости ближе к квазипотенциальному вращению.

На графиках пунктирной линией показаны зависимости, полученные.на основе теоретических исследований, приведенных во второй главе. При этом геометрические и режимные параметры задавались такие же, что и в экспериментальных исследованиях.

Сопоставление теоретических и экспериментальных исследований позволяет судить о достаточно хорошей сходимости результатов.

Проведенные исследования положения точки инверсии в цилиндроконическом и цилиндрическом гидроциклонах, и преимущества цилиндрического гидроциклона с точки зрения положения точки инверсии, привели к необходимости получения профилей тангенциальной составляющей скорости движения жидкости и статического давления в данном типе гидроциклонов. Эксперименты проводились на гидроциклоне с высотой цилиндрической части ( в данном случае равняется длине гидроциклона) НЦ=Ь=350 мм. Отвод жидкости осуществлялся через верхний сливной патрубок и два диаметральнопротивоположно расположенных выходных патрубка, размеры которых выбирались исходя из задания необходимого соотношения расходов через выходные патрубки.

На рис.4 приведено распределение статического давления и тангенциальной' скорости по радиусу аппарата на исследуемых сечениях при эквивалентном диаметре нижнего слива Ыихл) = 11 мм и диаметре- верхнего слива = 3 мм. Такие размеры выходных

патрубков распределяли потоки так, что при Рст" =0,05 Мпа, Уа=7,27 м/с, й*.=0,64 л/с в верхний слив отводилось 4,3% от общего расхода жидкости. На рис.5 приведены полученные зависимости при отводе 10,3% жидкости через верхний сливной патрубок (</„.« = 10 мм , З.мм', Рст° =0,05 Мпа, И„=7,48 м/с, ()ж=0,66 л/с), а на

рис. б - при %,.сл = 16,4 (с/„„ = 10 мм , е/„с,= 5 мм. Р(т" =0,089 Мпа, Г„=7,64м/с £ж=0,622 л/с) .

Величина статического давления, как и в цилиндроконическом гидроциклоне, убывает от стенки к оси аппарата и на одинаковом радиусе на разных сечениях по высоте аппарата остается постоянной в пределах точности измерения.

Тангенциальная скорость в цилиндрическом гидроциклоне убывает с уменьшением радиуса. Также следует отметить, что с удалением от' входного патрубка наблюдается падение тангенциальной 'скорости вдоль стенки аппарата. Эта тенденция наблюдается при всех исследуемых соотношениях распределения потоков. Следует отметить, что около воздушного шнура наблюдается увеличение тангенциальной скорости, и чем больше доля потока через верхний слив, тем больше этот всплеск. Это, видимо, связано с влиянием верхнего слива на формирование гидродинамической картины в аппарате.

При разделении эмульсий разность в плотностях разделяемы» фаз небольшая, и нужно большее время для разделения этих сред. Е гидроциклонах с верхним сливным патрубком обычной длины, из-зг

V в?

» gasa ЯЯЯЯ оооо <fiono ,-сМгО

<яа II II II II N NN N 1 1 1 1 □ < о о

5,03

il S >4 * сяо

И о а. с а.

CM О

оо о

со о

•4° о

I a a 3 я ОО ■Фаз a я о г^ 1*) á э 9 s О.Н и <0 И о

\ \ II II N N 1 1 □ <3 II N 1 О 1 J о 4 а) Î н 1

\ 1 1

a f \

й u PU \ ö а. ■ч

а га -1 о

rt-

О

СМ

о

<=р ó

V

/ a a a 9 я я ооо a >f в я О. ei D ф И л

А II II II N N N 1 1 1 а < о J О 4 а> 9 и 1

□f <1 1 1

«4 \а (V 7

ч \ >а - \ > Йч M а4

со

d п

о

M

•-Ч

о

аз о"

'Я

о

см О

о

V

О?

gas S я я ООО ■ФЮ1Л — r\J

«0 II II II NN N 1 1 1 □ <5 О

16,4

л S X V

С cu \ <

q

. и

03 О

to о

о

«о

о

V

\ \ 9SS ООО -^-щ 1Л т- гм

V II II II NN N 1 1 1 □ <5 О

(О °лг

II S л *

>В 1 ^^о

о

и

Ю

О (О

0Q

о

<д о

■ф ci

оР о

1 о ^ ч а я оо ■Ч-о M w я я ЭО Л ю r-CN

\ II II N N 1 i а ч II II N N 1 1 О О

10,4 \

и S m Ht X * i

и cu \ ь и а. X О*

00 о

tD

о

"t о

см

ó

о оР о

II

Г' > \ 1 ' \ -гш ч- i — .1 a я о о Я я оо .пю i— ÍNI

V \ ч « II II N N I I □ 1 II II N N 1 1 о О

10,4 i

и S я » vî

И >* \ i

i?

ъ

СО

о

о-S

-ф л

03

о

43

о

о

см о

: о о

-!.ь -

неустойчивости движения жидкости в приосевой зоне определённая часть ещё неразделённой эмульсии будет поступать в верхний слив, что отрицательно скажется на эффективности разделения. Для устранения этого эффекта целесообразно верхний сливной патрубок сделать удлинённым, и опускать'его на 3/4 - 4/5 высоты аппарата. Ниже начинается "эффект сливных патрубков", и дальнейшее опускание нецелесообразно.

Проведённые эксперименты по определению полей скоростей и давления в гидроциклоне с удлинённым верхним сливным патрубком (й„=300 мм) показаны на рис.7 (£/„„ = 10 мм , с1ла= 3 мм, Ра*°=0,05 Мпа, Уа=7,17 м/с, ()ж=0,654 л/с, %в.сл = 8,9). Профиль скоростей и давления в данном случае принципиально не отличаются от других типов цилиндрических гидроциклонов.

На основе проведённых исследований сделан вывод, что в цилиндроконическом гидроциклоне с меньшим расходом жидкости через верхний слив, не

вся длина аппарата является рабочей, а в цилиндрическом вся

длина гидроциклона находится в -зоне разделения потоков.

Кроме'того, в цилиндроконическом гидроциклоне профиль тангенциальной скорости ближе к квазипотенциальному вращению, а в цилиндрическом ближе к квазитвёрдому. Имеются исследования, где доказывается преимущества квазитвёрдого вращения ¿ля разделения жидкостей эмульсионного типа .

Исходя из этого анализа, можно сделать вывод, что для разделения эмульсий с малым содержанием лёгких примесей, наиболее целесообразно проектирование цилиндрических ; гидроцик-

1.0

0.8

0.6

Р~=/(г)

- 0.4.

Рст/Р„ ^в.сл =8,5

й- \-**

о > □ 1 1 1 МММ II II II 40мм 150мм 250мм

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0 02 0А Об 0.8 г/г„1.0 У,=/(г)

0.0

^■.СП =8,5 /

-0—

/ I

0 > □ 1 I I NN N II II II 40мм 150мм 250 мм

0.0

0.2

0.4 0.6 Рис.7

0.8 г/гц1.0

лонов, а для предотвращения отвода ещё неразделённой эмульсии, верхний сливной патрубок необходимо проектировать удлинённым.

Гидроциклон с предложенными конструктивными решениями был испытан на разделении поверхностных сточных вод содержащих нефтяные примеси в НГДУ «Чернушка-нефть».

Исследования показали, что в високоустойчивой водонефтяной эмульсии с содержанием нефти 1175 мг/'л, которая не поддается разделению

в течении нескольких месяцев гравитационного отстаивания, после гидроциклонной обработки в предложенном аппарате содержание нефтепродуктов уменьшилось на 31,7%. Отстаивание в течение 15 сек после гидроциклона позволило повысить эффект разделения до 65,2%.

ВЫВОДЫ

1. На основе анализа отечественных и зарубежных источников по вопросам гидроциклонирования показано, что для процессов разделения эмульсий применение гидроииклонов сдерживается недостаточной изученностью гидродинамической обстановки в закрученных течениях для смесей с малым содержанием легкой фазы.

2. Предложена упрощенная математическая модель, описывающая структуру потоков в гидроциклоне, позволяющая качественно описать поля скоростей и давления по всей высоте циклонной камеры.

3. Экспериментальным путём определено положение точки инверсии в 'зависимости от геометрических и режимных параметров гидроциклона, получены профили статического давления и тангенциальной составляющей скорости движения жидкости в цилиндрическом.и цилиндроконическом гидроциклонах.

4. Разработаны рекомендации для увеличения эффективности разделения эмульсий в гидроциклонах, предложены обобщающие соотношения для определения устойчивой области работы (по точке инверсии).

5. На основе анализа проведённых исследований доказана целесообразность применения для разделения эмульсий с малым содержанием лёгких примесей цилиндрических гидроциклонов с удлинённым верхним сливным патрубком.

Условные обозначения; У^, Уп К тангенциальная, радиальная, осевая (аксиальная) составляющие скорости жидкости в цилиндрических координатах; <р, г, г - цилиндрические координаты; V, II -

тангенциальная, радиальная, осевая (аксиальная) составляющие скорости жидкости в безразмерном виде; Р„ - статическое давление на входе в гидроциклон; Рс„" - статическое давление на

стенке гидроциклона в сечении входного патрубка; Уа - скорость жидкости на входе в гидроциклон; V,,, - турбулентная вязкость; О - диаметр гидроциклона; Нч - высота цилиндрической части; ¿ю -диаметр входного патрубка гидроциклона; (1ИС„ г/«,, - диаметры нижнего и верхнего сливных патрубков соответственно; И„ - высота погружения . верхнего сливного патрубка; а - угол конусности конической, части гидроциклона; ¿,.р. - расстояние от верхней крышки гидроциклона до зоны разделения нисходящего и восходящего потоков в приосевой зоне гидроциклона (до точки инверсии); Qж -производительность гидроциклона; %,.сл ~ доля расхода жидкости через верхний слив от обшей производительности (в процентах).

Основное содержание диссертации опубликованы в работах:

1. Степанов Н.И., Ягофаров О.Х., Иванов Н.В. Экспериментальная установка для исследования гидроциклона. // Сборник научно-технических статей.- Казань: КВВКИУ РВ, 1993. -с.33-35.

2. Иванов Н.В., Ягофаров О.Х., Степанов Н.И. Исследование разделительных процессов жидкостей эмульсионного типа в центробежном поле. // Тезисы докладов на XIII НТК училища 2426.11.93.- Казань: КВВКИУ РВ, 1993.- с. 33-34 .

3. Иванов Н.В., Степанов Н.И., Ягофаров О.Х. Теоретические предпосылки разделения нефтяной эмульсии с помощью напорного гидроциклона. // Сборник научно-технических статей. - Казань: КВВКИУ РВ, 1994.-с.39-41.

4. Булкин В.А., Иванов Н.В., Степанов Н.И. Анализ расходных характеристик гидроциклона с целью выявления нестационарности потока распределения. // Тезисы докладов на научно-техническом семинаре 25-27.05.94.- Казань: КВВКИУ РВ, 1994.-с.6-7.

5. Степанов Н.И., Булкин В.А., Иванов Н.В., Ягофаров О.Х. Влияние воздушного шнура на расходные характеристики сливного патрубка гидроциклона. // Сборник научно-технических статей. -Казань: КВВКИУ РВ, 1995.-с.29-31.

6. Степанов Н.И., Булкин В.А., Иванов Н.В., Ягофаров О.Х. Влияние воздушного шнура на расходные характеристики сливного патрубка гидроциклона.- // Тезисы докладов на VII научно-техническом семинаре 24-25.05.95.-Казань: КВВКИУРВ, 1995.-с.4-5.

7. Стёпанов Н.И., Булкин В.А., Иванов Н.В., Ягофаров О.Х. Исследование поверхности инверсии аксиального движения жидкости в приосевой зоне гидроциклона. П Сборник научно-технических статей. - Казань: КВВКИУ РВ, 1996.-с.23-25.

8. Степанов Н.И., Булкин В.А., Иванов Н.В., Ягофаров О.Х. Влияние конструктивных параметров на аксиальное движение жидкости в приосевой зоне гидроциклона. // Тезисы докладов и

10. Валиев С.И., Степанов Н.И., Александрова Ю.Н., Ива

H.В., Булкин В.А. Исследование области инверсии аксиального д жения жидкости в приосевой зоне гидроциклона. // Казан, г технол. ун-т, Казань, 1996. Деп,- в ВИНТИ, гос. N'2991- В96

I.10.96 г.

11. Степанов Н.И., Валиев С.И., Александрова Ю.Н., Ива Н.В., Булкин В.А. Моделирование движения жидкости в гидроцик не. II Аннотации сообщений на научной сессии 7-8.02.97, сек "Теоретические основы разработки новой высокоинтенсивной мае обменной и сепарационной аппаратуры и методов их расчёта" -зань: КГТУ, 1997.- с. 56.

12. Валиев С.И., Степанов Н.И., Александрова Ю.Н., Ива Н.В., Булкин В.А. Исследование гидродинамики гидроциклонов. Аннотации сообщений на научной сессии 7-8.02.97, сек "Теоретические основы разработки новой высокоинтенсивной мае обменной и сепарационной аппаратуры и методов их расчёта" -зань: КГТУ, 1997. е.- 56.

13. Степанов Н.И., Булкин В.А., Кочергин A.B. Исследова гидродинамики гидроциклонов, предназначенных для разделе эмульсий. // Тезисы докладов на XIX научно-технической конфер ции училища. - Пенза: ПВАКИУ, 1997. с.26-27.

14. Степанов Н.И., Александрова Ю.Р., Кочергин A.B., Бул В.А. Уравнение динамики вязкой несжимаемой жидкости в гидро клоне. // Сборник научно-технических статей. - Казань: КВАК 1997.-с.35-37.

/ -

Соискатель