Пофракционное разделение наносов в гидроциклоне-классификаторе

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.938.37

ТарГУ имени М.Х. Дулати, Тараз

Пофракционное разделение наносов в гидроциклоне-классификаторе

Джумабеков А.А., Абдураманов А.А., Джумабеков А., Кадрешев Е.

На практике гидротехнического строительства пофракционное разделение наносов имеет широкое распространение, это изготовление разных марок бетонов, намыв плотин, подготовка растворов для штукатурных работ и т.д.

Одним из самых простых способов получения пофракционного разделения песка (наносов) является гидроциклонный способ их классификации. гидроциклон классификатор патрубок песковой

Известно, что гидроциклоны-классификаторы разделяют гидросмесь в основном на два продукта (слив и пески), иногда на три: слив и два песковых или на пески и два сливных продуктов. В то время, требования производства удовлетворялись значительным различием в плотностях разделяемых продуктов. Постепенный рост технологии производства потребовал разделение твердой фазы гидросмеси (наносов) на несколько продуктов, по фракциям с малым различием в плотностях.

На рис. 1 и 2- приведены схемы гидроциклона-классификатора (Предпатент 14184 КZ [1]), который разделяет наносы на четыре фракции по крупности. Гидроциклон состоит из

А-А В-В

Рис. 1. Гидроциклон - классификатор

Рисунок 2. Размеры гидроциклона-классификатора корпуса 1, входного 2 и сливного 3 патрубков

Песковое (шламовое) отверстие имеет гораздо больший размер, чем сливное. Через отверстие вовнутрь корпуса гидроциклона входит три воронкообразные конические раструбы, расположенные сносно и продолжающиеся в нижней части цилиндрическими патрубками 4. Внутренние цилиндрические патрубки имеют тем большую длину, чем меньше их диаметры. Получается как бы «стакан в стакане». Низ этих стаканов закрыт заглушкой. Над дном стаканов тангенциально подведены патрубки 5 для отвода наносов данной фракции. Таким образом, пространство 4, за исключением приосевого патрубка представляют собою кольцевые каналы с касательными отводами.

Лабораторная модель гидроциклона-классификатора при этом имела следующие размеры (рис.2, таблица 1).

Таблица 1.Размеры элементов гидроциклона-классификатора

Исследование гидроциклона-классификатора проводилось на экспериментальном стенде, схема которого показана на рисунке 3.

Гидросмесь (вода+песок), образовавшаяся в баке всасывается насосом 2 марки 1,5 К-6 и нагнетается трубопроводом 3 в гидроциклон-классификатор 4. В нем гидросмесь разделяется на жидкую и твердую фазы. Жидкая часть гидросмеси выходит через сливной патрубок 5, которая затем поступает в мерный бак 7. Твердая фаза гидросмеси, подвергаясь в гидроциклонной камере интенсивной классификации, перераспределяется в кольцевые коническо-цилиндрические приемные камеры с тангенциальными патрубками 6.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки

Обычно под производительностью гидроциклона понимают расход, входящий в гидроциклонную камеру Q_вх. Однако к этому понятию надо относиться более конкретно, что является потребностью производства при применении гидроциклона: очищенная жидкость или твердая фаза, подлежащая к выделению. Очищенная жидкость Q_сл выходит из сливной патрубки с минимальной твердой фазой, содержащей частицы, размером менее 0,1 мм. Твердая фаза в основном выходит из пескового отверстия. В случае однородной жидкости:

(1)

где: - расход i-го пескового патрубка.

Общий входной расход

(2)

В случае двухфазной жидкости: мы пользовались понятием концентрации твердой фазы - отношением массы твердого вещества (m_тв) к единице объема жидкости,

(3)

Тогда из выражения (2)

, (4)

Массовый расход через песковое отверстие

, (5)

Баланс твердой фазы будет

(6)

Расход воды определяли мерным баком с треугольным водосливом (водосливом Томсона) по формуле

(7)

где: Н - напор на гребне водослива.

Высоту положения свободной поверхности жидкости в баке определяли шпиц - масштабом (мерной иглой).

Опыты по изучению перераспределения между разгрузочными патрубками классификатора проводились под напором гидросмеси Н=(9,3…14,0) м. в.ст.

В таблице 2 приведены количественные данные по расходам и по содержанию твердой фазы в сливном и четырех песковых патрубках.

Таблица 2. Распределение твердой фазы между разгрузочными патрубками гидроциклонного классификатора (по Предпатенту 14184 КZ)

Естественно, через сливной патрубок выходит очищенная жидкость, составляющая более (50 60)% от общего расхода гидроциклона-классификатора, а остальная часть перераспределяется между песковыми патрубками. Как видно из таблицы, концентрация твердой фазы минимальна в приосевом цилиндрическом потрубке 4, максимальна в патрубке 1, то есть К₁ К₂ К₃ К₄. Концентрация в сливном патрубке К₄ К_сл К₃.

Интересно отметить, что расходы жидкости во всех четырех песковых патрубках примерно одинаковы. Это означает отсутствие приосевого воздушного столба в гидроциклоне - классификаторе. Очевидно, что конические раструбы способствуют к уменьшению в устье конуса обычного распределения тангенциальной составляющей вектора скорости. Значить при проектировании гидроциклона-классификатора угол его конусности следует принимать меньше, чем в обычных гидроциклонах (230⁰), то есть желательно увеличивать длину конической части.

В процессе классификации наносов в гидроциклоне в слив попадают частицы размеров менее 0,1 мм, такого же размера частицы транспортируются и песковым патрубком - 4.

На рисунке 4 они не отмечены линиями из-за их малости, указаны лишь цифры 4,5 в начале координат.

Рис. 4. Распределение наносов в гидроциклоне-классификаторе

Наносы, подвергающиеся к классификации (кривая - 6) распределяются на песковые патрубки I, 2 и 3 (кривые 1, 2, 3).

Некоторые отклонения (3...5 процентов) гранулометрического состава наносов в песковых патрубках от таковых на входе объясняются измельчением крупных песков на более мелкие песчинки в процессе классификации в гидроциклоне.

Изменение диаметра переносимого потоком твердых частиц от входного патрубка гидроциклона до расстояния S по винтовой траектории можно выразить формулой:

d= d₀ е^-as, (8)

где: d - диаметр частицы в рассматриваемой точке ее траектории;

d₀ - диаметр частицы на входе в гидроциклон;

е - основание натурального логарифма;

а - коэффициент истирания;

S - путь, пройденный частицей по винтовой линии.

Естественно, что коэффициент истирания зависит от породы твердых частиц (наносов), а путь (S) - от входного напора жидкости в гидроциклонную камеру и от угла наклона входного патрубка в цилиндрическую часть аппарата.

Результаты опытных данных можно представить более наглядно (рис.5). По радиусу гидроциклона частицы располагаются с нарастающим размером. На поверхности НОСк окажутся частицы, имеющие 50% вероятность попадания в слив. Однако как показывает практика в слив попадают частицы, размером d_* , соответствующий радиусу r_w = r_сл (где r_сл - радиус сливного патрубка).

Рис.5. Пофракцинное распределение наносов

В песковом отверстии происходит пофракционное распределение наносов, самая крупная фракция окажется в первом патрубке, а самая мелкая - в четвертом. Часть мелкой фракции содержаться и в сливе. Из теоретических и экспериментальных исследовании Абдураманова А.А.[2] известно, что на одинаковых радиусах от оси по высоте гидроциклона классифицируются твердые частицы равных размеров. Это дает возможность разработать новый метод расчета по перераспределению твердой фазы гидросмеси по песковым патрубкам изучаемого гидроциклона-классификатора.

Дело в том, что радиусы верхних точек конических раструбов от оси известно, значит по формуле,

 , (9)

где: d_* - диаметр граничного зерна; к - степень турбулентности потока в гидроцик-лоне; C_f - коэффициент сопротивления; _ж - плотность жидкости; _- разность плотнос-тей твердой фазы и жидкости; _w, _rw - тангенциальная и радиальная составляющие вектора скорости на поверхности Абдураманова; r_w - радиус поверхности Абдураманова, для патрубка 3 (рис.3) можно находить d_*4 . Для этого вместо радиуса r_w нужно подставить значение r₄ , то есть

. (10)

Это будет нижний предельный размер наносов, попадающих в приемную камеру патрубка 3. Верхний предельный размер наносов, поступающих в эту же камеру (d_*3) вычисляется путем подстановки вместо радиуса r_w значение r₃, то есть

(11)

Подобным расчетом можно установить предельные размеры твердых частиц, поступающих в конусно- цилиндрическую приемную камеру сгущения d _*2 d _*1.

Все частицы, крупнее d _*2 выходят через патрубок 1, а частицы мельче d _*1 через патрубок 4. Таким образом, используя метод раздельного расчета параметров внутреннего и внешнего потоков гидроциклона, предложенной нами, вполне можно выполнить инженерный расчет перераспределения наносов по фракциям (патрубкам) рассматриваемого гидроциклона-классификатора.

Литература

1. Предпатент № 14184 KZ. Классификатор, Пром. Собст,. Бюл.№ 4, 2004 (Авторы: Тажбенова У. Абдураманов А., Джумабеков А.А.)

2. Абдураманов А.А. Гидравлика гидроциклонов и гидроциклонных насосных установок, ч. 1, ч.2, Алматы, «?ылым», 1993, 347с.

Размещено на Allbest.ru