Оптимизация работы гидроциклонов-классификаторов посредством изменения их конструктивных параметров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимизация работы гидроциклонов- классификаторов посредством изменения их конструктивных параметров

Афросина К.И.

Афросина Карина Игоревна - магистрант,

Аннотация: в данной статье были рассмотрены основные способы оптимизации работы гидроциклонов-классификаторов, такие как изменение метода ввода суспензии, параметризация конусной части, достижение эргономичности конструкции. Описаны конструктивные решения при изготовлении патрубков различными организациями (Multotec, Krebs, Warman). Также приведены особенности работы гидроциклонных аппаратов с различными углами конусности. Описаны примеры используемых материалов и технических решений с экономической и оптимизационной точек зрения. гидроциклон классификатор конструктивный конусность

Ключевые слова: гидроциклон, тонкое разделение, водоочистка.

Optimization of the operation of classifier hydrocyclones by changing their design parameters

Afrosina K.I.

Afrosina Karina Igorevna - undergraduate,

DEPARTMENT OF ECOLOGY AND INDUSTRIAL SAFETY

Abstract: this article examined the main ways of changing the operation of hydrocyclones- classifiers, such as changing the input parameter of the suspension, parameterization of the conical part, and achieving ergonomic design. Describes the design solutions in the manufacture of pipes of various organizations (Multotec, Krebs, Warman). The features of the hydrocyclone apparatus with various taper angles are also available. Examples of materials and technical solutions are described from an economic and optimization point of view.

Keywords: hydrocyclone, fine separation, water treatment.

В настоящее время гидроциклоны используются во множестве областей -- для очистки и обработки воды, в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, угольной и рудной промышленностях, в котельных, тепловых сетях, а также для обработки сточных вод. Гидроциклоны-классификаторы применяются для разделения зёрен по крупности[3]. Улучшение работы данных очистных аппаратов можно разбить на три основные задачи:

1) Оптимизация резкого разделения: исключение возможности перелива.

2) Оптимизация тонкого разделения: более тонкая сепарация в сочетании с высокой гидравлической мощностью.

3) Увеличение простоты обслуживания: помощь операторам и обслуживающему персоналу в оптимизации работы циклона и снижение общей стоимости обслуживания.

Оптимизация резкого разделения

Основной причиной перелива гидроциклона является турбулентность во входном патрубке [2]. Первые гидроциклоны имели тангенциальные входы, за которыми последовали закрученные конструкции (Multotec) и эвольвентные конструкции (Krebs), а также конструкции с наклонными наружными стенками (Warman).

В восьмидесятых годах фирма Krebs предложила вводить поток очищаемой суспензии в циклон через длинное впускное отверстие в виде узкой ленты подачи. Чтобы твердые частицы отделились и сконцентрировались в потоке в нижней части циклона, они должны сначала пробиться к внешней стенке циклона. В отличие от тангенциального патрубка, при использовании которого твердые частицы вводятся вблизи оси циклона (что требует от них перемещения на большое расстояние для достижения стенки), использование эвольвентного патрубка приводит к предварительной классификации поданной на очистку воды около стенки циклона. Это приводит к более резкому разделению.

Приблизительно в 1993 году фирма Warman представила свою конструкцию входного патрубка гидроциклона (рис. 1). В этой конструкции появилась новая особенность - входной поток в циклоне был расширен рампой, которая позволяла твердым частицам, после того, как они поступали в гидроциклон, совершать плавный переход от горизонтального потока к нисходящему спиралевидному движению. Этот проект стал огромным шагом вперед к резкому разделению. Недостатком данного способа была относительно низкая гидравлическая мощность и относительно короткий срок службы из-за износа, вызванного широким углом между двумя потоками суспензии вокруг входного рожка.

Рис. 1. Патрубок Warman

В 2000 году Krebs представила в противовес данной конструкции наклонный эвольвентный входной патрубок в гидроциклонах второго поколения gMAX(рис. 2).

Рис. 2. Патрубок Krebs gMAX

Конструкция данного патрубка была впервые разработана с помощью вычислительной гидродинамики (CFD). Теперь суспензия вводилась под таким углом в циклон, что поток продолжал движение без какого-либо изменения шага в нисходящем спиральном движении, поддерживаемого рампой. Из-за длинной развернутой эвольвенты на входном отверстии в данной конструкции образуется очень острый угол, что сводит к минимуму развитие вихревых токов.

Этот патрубок сочетает в себе традиционную эвольвентную конструкцию с высокой пропускной способностью, низкой турбулентностью, резким разделением и длительный срок службы. Срок службы данной конструкции дольше на 100 % по сравнению со стандартными входами эвольвентного типа и на 30-60 % по сравнению с входными патрубками, оборудованными рампой.

Оптимизация тонкого разделения

Основное разделение в гидроциклоне происходит в его конической секции. Первые гидроциклоны были оснащены конусами 20° (диаметр гидроциклонов составлял 250 мм и более). Гидроциклоны меньших диаметров традиционно были оборудованы конусами 12°, 6° и 4°[1]. Следующее поколение циклонов было оснащено конусами 10-11°. Это был важный шаг вперед в разделении, так как эти конусы обеспечивали более тонкое разделение - на 15% (D₅₀) в сочетании с гидравлической производительностью - на 40%. В конце девяностых Krebs начала исследовать разделение в циклонах с помощью CFD. На рисунке 3 показано CFD-изображение распределения тангенциальной скорости в гидроциклоне. На рисунке очень четко видны области высокой и низкой скорости. Идея состояла в том, чтобы создать форму циклона, исключающую области с низкой скоростью (показано черными линиями). Конструкция патрубка gMAXсостоит из крутого верхнего конуса, который ускоряет суспензию до очень высокой скорости, и длинных конических секций с увеличивающимися углами конуса для обеспечения длительного времени пребывания в области высокой скорости. Комбинация конусов gMAXобеспечивает более тонкое разделение на 35 % по сравнению с 20-градусными конусами и на 20% по сравнению с 10-градусными конусами. Это преимущество можно использовать двумя способами. Во-первых, большой гидроциклон теперь можно использовать для тонкого разделения, что приводит к менее крупным циклонам и более дешевой и простой в обслуживании установке. Во-вторых, это финансовый интерес, так как гидроциклоны могут эксплуатироваться с экстремально низкими давлениями (0,35 - 0,4 кПа), что значительно снижает стоимость перекачки и увеличивает срок службы циклонных вкладышей и мокрых концевых частей насоса.

Рис. 3. CFD изображение тангенциального распределения скорости

Увеличение простоты обслуживания

Современные гидроциклоны встроены в модульную систему, которая обеспечивает взаимозаменяемость деталей. Например, конусы с разными углами и т. д. могут быть установлены на одном корпусе циклона. Каждая отдельная секция снабжена сменным вкладышем, которые могут быть выполнены из различных материалов. Сегодня доступны все типы эластомеров и керамики для создания гидроциклонов, устойчивых к химическому воздействию и износу. Монолитные керамические вкладыши предпочтительнее облицовочных плиток, они более износостойкие и создают меньшую турбулентность. В настоящее время научные исследования и разработки сосредоточены на автоматизации гидроциклонов. Например, индикаторы износа сообщают о толщине вкладыша и необходимости технического обслуживания, а датчики обвязки указывают на близость необходимости обвязки гидроциклонов (и риск засорения) и, если они подключены к системе управления установкой, инициируют встречные меры для избежания возникновения аварии.

Таким образом, анализ особенностей конструкций современных гидроциклонов- классификаторов позволил выделить наиболее эффективные параметры работы данных очистительных аппаратов для дальнейших исследований.

Список литературы /References

1. Arterburn, R.A.The Sizing of Hydrocyclones, Krebs Engineers internal publication, 1976.

2. Duggins R.K. and Frith, P.C.W. Turbulence effects in Hydrocyclones, Paper D1, 3rd International Conference on Hydrocyclones, Oxford, 30 Sept. - Oct. 1987, Elsevier Applied Science Publishers, Barking, 1987.

3. Башаров М.М., Сергеева О.А. Устройство и расчет гидроциклонов Учебное пособие / Под ред. А.Г. Лаптева. Казань: Вестфалика, 2012.

Размещено на Allbest.ru