Диссертация (1025509), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

При этом значение эффективности разделения для такого размерачастиц и более крупных частиц в гидроциклонах-классификаторах малыхразмеров обычно близко к 100% и не требует детальных оценок.Экспериментальные исследования, проведенные в работах [94,108],показывают, что для практики инженерных расчетов применение законаСтокса для частиц размером менее 80 мкм является допустимым. Так, поданным [108], использование стоксовского приближения возможно длячастиц размером менее 80 мкм.По данным [94], размер таких частицоценивается на уровне 25 мкм.

Аналогичные оценки встречаются и у другихавторов.Таким образом, применение стоксовского приближения для определениягидродинамической силы в уравнении (1.12) при проведении инженерныхрасчетов следует признать экспериментально обоснованным.Представленные оценки выполнены для сферических частиц. Переход кчастицам произвольных форм может быть осуществлен с помощьюкоэффициента формы в зависимости от числа Архимеда.

Количественныеоценки коэффициента формы представлены в работе [73]. При этом,учитываявозможностьгидродинамическоговзаимодействиячастицдисперсной фазы, следует признать допустимым определение величиныразмера частиц, исходя из их удельной поверхности.В результате обоснованных допущений применительно к процессудвижения частицы в радиальном направлении в гидроциклоне уравнение(1.12) принимает следующий вид:d ч2u  u (  ч   с ) 2 ( R)  R ,18 0(1.13)где u'  u Q, R  – среднее значение радиальной компоненты скоростидвижения дисперсионной среды.63Подавляющее большинство современных исследователей, занимающихсяпроблемой гидроциклонирования, используют именно эту форму уравнениядвижения частиц дисперсной фазы [94,108].Однако применение выражения (1.13) в некоторых случаях может даватьсущественную погрешность, поскольку в рамках требуемой точностирасчетов допущения, сделанные при выводе формулы Стокса, не могутвыполняться в полном объеме, поэтому использование уравнения (1.13) впоследующих расчетах требует экспериментального подтверждения.Рассматривая детерминированную составляющую скорости движениячастицы в радиальном направлении в первом приближении (1.13), можносчитать, что она в основном обусловлена двумя силами: центробежной силойи противоположной ей по направлению силой сопротивления жидкости,направленной к оси гидроциклона, а также воздействием радиальнойкомпоненты скорости дисперсионной среды в аппарате.Согласно (1.13) в зоне нисходящего потока действие центробежной силына частицу убывает от оси к периферии, а радиальный поток изменяется взависимости от радиуса [79,90,108].

По данным тех же работ центробежнаясила, действующая на частицу, изменяется в зависимости от радиусагидроциклона в большей степени, чем сила воздействия жидкости за счет еерадиальной компоненты скорости. Поэтому у периферии, где центробежнаясила сравнительно мала, будут концентрироваться наиболее крупныечастицы, а более мелкие увлекаться радиальным потоком к оси на меньшиерадиусы,накоторыхболеевысокаяцентробежнаясилабудетуравновешивать силу воздействия радиального потока жидкости на частицу.В результате этого в гидроциклоне должно иметь место такоераспределение частиц по радиусу, при котором наиболее крупные из нихконцентрируются у стенок, а более мелкие располагаются ближе к центру нарадиусах, соответствующих их крупности. Частицы различного удельного64веса будут разделяться таким образом [90,108], что более тяжелые будутконцентрироваться ближе к стенкам, а более легкие – ближе к центру.Таким образом, под действием описанных выше сил в зоне нисходящегопотока концентрируются крупные и тяжелые частицы, которые движутсявниз и разгружаются через нижний слив.В то же время на орбите с радиусом порядка половины радиуса аппаратамогут концентрироваться частицы, которые выносятся на эту орбитурадиальнымпотокомотстенок,ноудерживаютсявозрастающейцентробежной силой от дальнейшего продвижения к оси гидроциклона [90].Следует отметить, что указанное распределение частиц происходит лишьв условиях «свободного движения», когда в гидроциклоне не произошлонакопления дисперсной фазы [90].

Это необходимо учитывать при расчетепроцессов классификации. В частности, скопление мелких частиц у вершиныконуса может препятствовать перемещению более крупных и тяжелыхчастиц к разгрузочной насадке и тем самым оказывать заметное влияние напроцессы разделения [2].При проведении расчетов по разделяющей способности гидроциклоновобычнодопускают,чтовзоневосходящегопотокавосновномконцентрируются легкие и мелкие частицы, удаляющиеся через верхний слив[108,126].Однакообъективныеколичественные данныеопроцессеклассификации в восходящем потоке отсутствуют.Кроме того, данные работы [108] указывают, что в циркуляционной зонедисперсионной среды могут присутствовать частицы различного размера иудельного веса.При этом можно считать, что переход частиц различных фракций из зонывосходящего потока в зону нисходящего потока носит вероятностностатистическийхарактериможетосуществлятьсяцентробежной силы по всей высоте рабочей зоны аппарата.поддействием65Исходя из вышеизложенного можно предположить, что в гидроциклонечастицы практически всех фракций могут участвовать во вторичномциркуляционном движении дисперсной фазы, направленном в сторонувнешней стенки аппарата, а в конической – от нее.В результате имеет место взаимодействие двух потоков частиц, первый изкоторых движется от оси аппарата к периферии под действием центробежнойсилы, а второй, под действием классификационного воздействия, отпериферии к оси.

Таким образом, может осуществляться гидродинамическоевзаимодействие частиц различного размера с помощью различных эффектов[87,117], таких как: инерция, касание, диффузия и ряд других [54,73].При этом в радиальном и вертикальном направлениях траекториидвижения частиц дисперсной фазы практически всех фракций не совпадают страекториями движения дисперсионной среды.Несмотря на то, что вторичная циркуляция частиц дисперсной фазыможет оказывать существенное воздействие на процесс классификации, всуществующихметодикахрасчетаразделяющейспособностицилиндроконических гидроциклонов-классификаторов это практически неучитывается.Следует подчеркнуть, что существующие в технической литературеэкспериментальные данные по определению движения отдельных частицдисперсной фазы в цилиндроконических гидроциклонах из-за трудностиэкспериментального исследования носят лишь фрагментарный характер[108].Кэтомуследуетдобавитьдополнительноевлияниеслучайныхсоставляющих процесса движения дисперсной фазы, которые обусловленыинтенсивностью турбулентных пульсаций, вероятностью перехода частиц изнисходящего потока в восходящий поток и обратно, вероятностьювзаимодействия частиц различных фракций друг с другом, наличием зоны66циркуляции.

В отдельных случаях случайные составляющие могут игратьопределяющую роль в протекающих процессах.Установлено, что развитое турбулентное поле существенно влияет напроцесс разделения неоднородных систем в аппаратах гидроциклонного типа[156,160,178,179]. Причиной этого, как отмечает Шуберт [179], является то,что при турбулизации потока возникают турбулентные микропроцессы:турбулентный перенос частиц, турбулентное диспергирование агрегатовтвердых частиц, турбулентное соударение отдельных частиц. Однако всуществующих методиках расчета при решении технологических задач этоне учитывается, что может привести к ошибкам.В ряде работ [8,13,66,156,160,169] турбулентность рассматривается вкачествеодногоизосновныхфакторов,определяющихпротеканиеразделительных процессов в гидроциклонах.

Присутствующие турбулентныепульсации скорости дисперсионной среды могут быть причиной как уносатвердой фазы осветленным продуктом, так и перераспределения потоковмежду разгрузочными отверстиями, так как частицы твердой фазы в большейили меньшей степени следуют турбулентным перемещениям жидкостныхпотоков.

При этом их взаимодействие носит вероятностно-статистическийхарактер, зависящий не только от гидродинамики потоков, но и от свойствчастиц.Оценкамеханизма,размеровчастиц,представленавулавливаемыхработахза[8,71,74].счеттурбулентногоОценочныерасчеты,проведенные по предложенным в работе [8] зависимостям для гидроциклонас диаметром цилиндрической части 50 мм в диапазоне давлений на входе0,1...0,2 МПа показали, что диаметр частиц, полностью увлекаемыхтурбулентными пульсациями, составляет менее 30...40 мкм.Аналогичные результаты представлены в работе [87], где показано, чточастицы размером менее 30 мкм полностью увлекаются турбулентнымипульсациями.67В работе [190] на основании численного моделирования также получено,что с уменьшением размера частиц эффект воздействия на них случайныхсил увеличивается.

В результате скорость движения таких частиц являетсяслучайной величиной. Указывается, что некоторые частицы под действиемслучайныхсилмогутпопадатьввосходящийпотокизаниматьопределенную орбиту движения. Таким образом, часть мелких фракцийбудет циркулировать между восходящим и нисходящем потоками [190].С учетом представленного материала можно сделать вывод, что за счетслучайных составляющих мелкие частицы размером порядка <30...40 мкммогутучаствоватьвовторичномциркуляционномконтуревнутригидроциклона.Таким образом, описание поведения частиц дисперсной фазы можносчитать сложной задачей, зависящей как от детерминированных, так и отслучайных составляющих процесса классификации.

При этом оценки,выполненныепорезультатамработ[108,126,156,160],позволяютконстатировать, что с учетом данных Таблицы 4 интенсивность случайныхсоставляющих процесса классификации частиц дисперсной фазы можетдостигать 40% от интенсивности определяющих параметров процесса.Фактически это означает, что в цилиндроконических гидроциклонахклассификаторах малых размеров имеет место движение частиц дисперснойфазысбольшимчисломстепенейсвободы,описаниекотороготрадиционными методами классической гидродинамики в настоящее времяне представляется возможным даже с использованием самых современныхсредств вычислительной техники.Поэтому здесь ограничимся рассмотрением качественного поведениячастиц дисперсной фазы в выделенных зонах гидроциклона на основеосредненных показателей процесса классификации с инжекцией и анализомсвязанных с ним основных характеристик.681.2.4.Изменениехарактеристикгидроциклонов-классификаторовразделениямалыхцилиндроконическихразмеровприпомощиинжекцииИзменение гидродинамической обстановки и характеристик разделениягидроциклонов-классификаторов может происходить за счет инжекциичистой воды в нижней конической части аппарата [76,85,108,126,134,138,139,143,144,149,168,188,189].Однакомеханизмыпротеканияклассификационных процессов в подобных условиях в настоящее времяостаются до конца не изученными.Результатымодельныхисследованийразделяющейспособностицилиндроконических гидроциклонов-классификаторов малых размеров синжекцией, основанные на численном эксперименте, представлены в работах[76,85,138].В качестве определяющего параметра в них рассматривалась скоростьинжекции,котораявбезразмерномвидеописываласьвыражениемWin,0  Vin,0 Vst,m , где Vst,m – стоксовая скорость оседания масштабной частицы,Vin – скорость инжекции.На основе этого параметра были получены функции эффективностиразделения частиц в гидроциклонах T(di) при постоянных значениях величин:инжекционного отверстия – Hin, диаметра частиц j-ой фракции – d j ,диаметра масштабной частицы – dm, принятого равным 21мкм [76,85,138] иобщей объемной концентрации твердой фазы в суспензии – cv0 (Рисунок1.16).Установлено, что в рамках предложенной модели значения функцииэффективности разделения для самых мелких фракций разбавленныхсуспензий (Рисунок 1.16,а)величины T0 лежат ниже, чем для случаясреднеконцентрированных суспензий (Рисунок 1.16,б), что объясняетсяавторами уменьшением эффекта увлечения мелких частиц крупными при69низких концентрациях твердой фазы в суспензии.

Характеристики

Список файлов диссертации