Развитие методики изложения теории центробежной реосепарации

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАЗВИТИЕ МЕТОДИКИ ИЗЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ РЕОСЕПАРАЦИИ

Назаров В.В.

ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный

университет», Оренбург

Учебная и научная литература, дающая описание технологического процесса разделения различных растворов на фракции в поле действия центробежных сил, базируется на классической [1] и гидродинамической [2, 3] теориях сепарации. Они достаточно основательны, но проблема изучения влияния механики движения жидкости в рабочих органах центробежных машин на качество продуктов переработки остаётся актуальной и в настоящее время. Это связано с появлением новых реосепараторов двойного назначения, выполняющих функции разделения раствора на составляющие фракции и измерения вязкости. Особенность их конструкции - возможность относительного окружного смещения соседних тарелок, образующих конусные рабочие зазоры.

Уточним определения таких слов, как «реосепаратор», «реоцентрифуга», которые с недавнего времени введены в обращение их разработчиками.

Словари и справочники дают не вполне чёткое, по нашему мнению, определение терминам «сепаратор», «центрифуга», «сепарирование» в той части, которая касается технологического процесса разделения различных жидкостей на фракции [4-6]. Авторы этих изданий, думается, работая над определениями, исходили в основном из понятий, которые давал технический перевод слов «separation» и «separator». Каждое из них имеет несколько значений:

а) отделение, разделение, разлучение, сепарация, разобщение, разложение на части, обогащение (горн.);

б) отделитель, сепаратор, сортировочный аппарат, решето, сито, грохот, прокладка, зерноочиститель, молотилка.

Прокладка - простая деталь. По смыслу означает «разделитель». Авторы словарей полагают, что она является деталью для герметизации. Это не совсем полно отражает её назначение. Таким же образом можно проанализировать и другие варианты перевода слова «separator» и внести дополнения в словарные и справочные определения.

Указанным в словарях терминам даны не совсем конкретные характеристики. Они слишком общие. Для уточнения понятия «сепаратор для жидкости» отметим, что отличительный признак машин, применяемых для центробежного разделения, - течение перерабатываемого продукта в рабочих объёмах, которое обеспечивается каким-либо техническим средством (барабан, шнек, крыльчатка и др.). Без этого нет разделения. «Рео» - это приставка (от греч. rheos - течение, поток, ток), которая, добавлена к слову «сепаратор». Она отделяет класс центробежных жидкостных сепараторов, разделителей, очистителей, реакторов, классификаторов, центрифуг от технических объектов с таким же названием (сепаратор стоматологический, сепаратор-катетер, прокладка, подшипниковый сепаратор, центрифуга-тренажёр для тренировки космонавтов и т. д.), но отличающихся функционально. Для лучшего запоминания учебного материала студентами при описании движения сыпучих материалов в рабочих органах перерабатывающих машин лектору лучше использовать термин «Сыпаратор».

Наиболее подробно изучено движение жидкости в конусных межтарелочных зазорах (МТЗ) барабанов серийных однопакетных центробежных сепараторов. Исследовано влияние кинематических и динамических характеристик потока на производительность оборудования и качество сепарации, которое зависит, так же, от начального физического состояния раствора. Начальное - это дисперсионное состояние жидкости перед подачей её в МТЗ. Размеры и количество растворённых частиц определяют структуру раствора, для которой задаются технологические режимы сепарации (давление жидкости, угловая скорость вращения барабана, геометрия МТЗ и другие).

При сепарации бинарных (двухкомпонентных) эмульсий получают две не совсем чистые жидкости, например, машинное масло и воду. Причина этого в том, что эмульсии многофазны и образуют смесь нерастворимых жидкостей, в которых масло находится в виде шариков разного размера. Самые мелкие из них в центробежном поле от воды не отделяются. Снижается качество сепарации при повышении производительности центробежных машин. Производственники это допускают иногда по требованию заказчиков, точно рассчитав увеличение угловой скорости вращения барабана и давления. Повышение степени механического воздействия иногда травмирует материал во время его подачи в барабан и в зоне разделения, что приводит к необратимым качественным изменениям.

Опыт зарубежных фирм показывает частичное решение этой проблемы. Например, при создании нового поколения лекарств и медикаментов, получаемых из клеточных культур млекопитающих, шведской фирмой [7] разработан техпроцесс реосепарации, требующий особенно мягкой обработки с минимальным механическим воздействием на жидкость. Её реосепаратор Culturefuge предназначен для отделения (тонкой очистки) от раствора частиц, чувствительных к лёгкому механическому воздействию и встряхиванию. Переработка таких материалов на других машинах приводит к разрушению частиц и создаёт проблемы с очисткой, что резко снижает качество конечного продукта.

Такая же проблема решается немецкими производителями центробежной техники в программе «Мягкий поток» [8]. Реосепараторы для молока и пива оснащаются гидрогерметичной системой подачи, предназначенной для щадящей загрузки продукта в барабан, что даёт оптимальный осветляющий эффект.

Менее всего изучена механика движения жидкости в поплавковых камерах (ПК) сепараторов. ПК - это технические средства, предназначенные для гашения турбулентных течений и снижения механического воздействия на раствор в момент его подачи в барабан.

жидкость движение машина центробежный

Схема ПК показана на рисунке 1. Раствор поступает из магистрального трубопровода через кран 1 и насадок 2 в поплавковую камеру 3. При её заполнении поплавок 4 всплывает, увеличивая зазор 5, и перекрывает выход жидкости из насадка. Этим обеспечивается равномерность подачи. Переполнение камеры 3 с использованием таких регуляторов невозможно. Через гайку 6 с выходным отверстием раствор поступает в барабан сепаратора. Над отверстием на свободной поверхности жидкости в поплавковой камере образуется гидравлическая воронка. Винтовое движение, турбулизация жидкости в выходном отверстии нарушают ламинарный режим подачи и ухудшают качество сепарации.

Появление воронки вызвано естественной причиной - суточным вращением Земли вокруг своей оси. Рисунок 2 иллюстрирует механику движения частицы жидкости на поверхности гидравлической воронки. На частицу действуют силы: Fг - сила гравитационного притяжения Земли; Fк - сила Кориолиса. Они не уравновешены. Это вызывает нежелательные для технологического процесса сепарации ускорения частиц жидкости, появляются силы инерции, влияющие на состояние дисперсной фазы, размеры отделяемых частиц. Для упрощения на схеме не показаны силы: поверхностные, объёмные, центробежная, инерции. Кинематические параметры движения: - относительная скорость движения частицы в гравитационном поле; ? - угловая скорость вращения Земли; aк - ускорение Кориолиса; - окружная (переносная) скорость; u - проекция u? на плоскость, перпендикулярную ?; ?? - географическая широта. Точками показаны траектории движения частиц жидкости.

Способ гашение окружных ускорений и вызываемых ими турбулентных течений в поплавковой камере показан на рисунке 3. Здесь выделена область пространства жидкости (R - радиус основания поплавка), где происходит сдвиг потока. Сила вязкого трения Ньютона Fв (сила сдвига) поплавка, приложенная к частице жидкости, является силой сопротивления и направлена в сторону, противоположную . Она компенсирует силу Fк (действует правило «Нейтрализация Кориолиса Ньютоном»). Равенство Fв=Fк не во всех точках имеет место. Поэтому, часто можно наблюдать слабое вращение жидкости в районе выходного отверстия, которое увлекает за собой и поплавок. Поток жидкости всё равно остаётся ламинарным, качество сепарации улучшается.

Появление новых машин - центробежных реосепараторов (ЦРС) двойного назначения [9] стыкует два направления научных исследований: теорию реосепарации и теорию вискозиметрии.

Гидродинамическая теория межтарелочных потоков наиболее полно разработана Е.М. Гольдиным. Им определена связь между окружной и радиальной скоростями движения частиц в узких конусных МТЗ:

Здесь л - критерий устойчивости Е.М. Гольдина, определяемый отношением числа Рейнольдса к безразмерному расходу жидкости:

На рисунке 4 показаны поля скоростей частиц жидкости в МТЗ для различных режимов течения. Поле скоростей первого типа (параболической формы, например, при л=2) характеризует ламинарный режим и устойчивость процесса разделения. Поле второго типа (имеет три экстремальные точки А, В и С при л=8) - переходный режим. Процесс реосепарации неустойчив. В середине МТЗ образуется противоток, вызывающий турбулентность (точка В). Он ухудшает качество разделения.

В некоторых конструкциях центробежных сепараторов в сходящемся к вершине конусного зазора потоке жидкость может даже опережать вращение тарелок. Это так называемые «чёрные дыры» сепараторов. Скорость движения потока в верхней части МТЗ увеличивается из-за постоянного подпора (давления) верхних слоёв жидкости нижними. «Чёрные дыры» центробежных сепараторов прекрасно моделируют механику функционирования «чёрных дыр» (астрономический термин) во Вселенной. Поглощение материи и света, происходит здесь по схеме, показанной на рисунке 2. Из-за подпора нижних слоёв верхними скорость света может превысить 300 000 км/с. Наличие таких образований, как «чёрные дыры» и вращающиеся галактики, подтверждает гипотезу о вращении Вселенной или некоторых её областей с угловой скоростью ?.

Окружная скорость движения - одна из самых важных кинематических характеристик потока. От неё зависят: мощность привода барабана, расход жидкости, давление, радиальная скорость потока, траектория дисперсной фазы в МТЗ. С учётом окружной скорости частиц выбираются геометрия МТЗ, число и расположение источников питания и стоков. В каждой точке МТЗ у ЦРС двойного назначения эта скорость вычисляется так [10]:

Здесь - скорость, вызванная действием поворотных сил; - скорость, определяемая сдвигом потока эмульсии в окружном направлении (имеет отрицательное значение при условии торможения внешнего конуса). Сложение и даёт несимметричное поле скоростей с эффектом гашения противотока.

При сепарировании масляной эмульсии толщина потока масла, движущегося от нижнего к верхнему краю конусной тарелки, изменяется по закону прямой. Рассмотрим дополнительный сдвиг только эмульсии, поступающей в МТЗ в промежуток между верхней тарелкой и конусообразной поверхностью масла, оседающего на внешнюю сторону конуса. На рисунке 5: слой масла - заштрихованная часть зазора; - граница раздела фаз; z - ось вращения барабана реосепаратора; к - частица жидкости.

Деформацию слоя масла не учитываем, так как его вязкость на порядок выше, чем у водной эмульсии. Применяем сферическую систему координат ,. Напряжение сдвига , линейную скорость , рассматриваемой частицы жидкости, и момент , передаваемый от верхней тарелки на конусообразную поверхность масла, вычисляем по известным формулам теории вискозиметрии [11]:

;

;

где и - текущие координаты точки; и - углы наклона образующих конусных поверхностей верхней тарелки и масла.

Использование приведённых математических выражений возможно при условии, что поток масла представляет собой конусную поверхность, вращающуюся вместе с нижней тарелкой.

Вывод. Известная методика расчёта кинематических и динамических параметров движения жидкости теории вискозиметрии рекомендуется к использованию в теории центробежной реосепарации. Сдвиг потока жидкости в рабочих объёмах реосепараторов двойного назначения используется как дополнительный фактор управления техпроцессом разделения. Обосновано использование новой терминологии.

Работа выполнена в рамках программы «Профессиональное образование: проблемы, поиски, решения» [12].

Список литературы

1. Расчёт молочных сепараторов на обезжиривание: тр. ИСХМ /Г.И. Бремер. 1928, № 274. Вып. 1. - 112 с.

2. Гидродинамические основы сепарации в тарельчатых сепараторах: сб. тр. ВСХИЗО / Е.М. Гольдин., 1958. Вып. 2.- 84 с.

3. Гидродинамические основы процесса тонкослойной сепарации: сб. тр. ВСХИЗО / Е.М. Гольдин., 1959 . Вып. 3. - С.63-79.

4. Новый политехнический словарь. Гл. ред. А.Ю. Ишлинский. - М.: БРЕ, 2003.- 672 с.

5. Энциклопедический словарь медицинских терминов. Издание второе /Гл. редактор В.И. Покровский. - М.: Медицина, 2001г.- 960 с.

6. Политехнический словарь. Гл. ред. И.И. Артоболевский. - М.: Советская энциклопедия, 1977.- 608 с.

7. http:// dpm.uaprom.net/p834848-separatory-alfa-laval.html.

8. http:// www.vinmoldova.md/index.php?mod=content&id=493

9. Назаров, В.В. Реоцентрифуга: сб. докл. 6 Российской науч.-техн. конф. «Прогрессивные технологии в транспортных системах» /В.В. Назаров, Н.А. Морозов. Оренбург: ГОУ ОГУ, 2003. - С.146-148.

10. Назаров, В.В. К теории сепарировании: сб. докл. 2 Всесоюзной науч.-техн. конф. «Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств» /В.В. Назаров. - М., 1986. - С.174.

11. Белкин, И.М. Ротационные приборы. /И.М. Белкин, Г.В. Виноградов, А.И. Леонов. - М.: Машиностроение. 1967.- 272 с.

12. Назаров, В.В. Проблемы качества освоения технических дисциплин: материалы V Междунар. науч.-практ. конф. «Профессиональное образование: проблемы, поиски, решения», 21-22 января 2008 г., Челябинск - Оренбург /А.М. Ефанов, В.В. Назаров, В.Н. Романцов - Челябинск: Энциклопедия, 2008. - Ч.2. - С. 62-67. - ISBN 978-5-91274-029-9.

Размещено на Allbest.ru