Применение гидроциклонов с малыми углами конусности для очистки отработанных смазочных материалов

© В.А. Малахов, Д.Ф. Найдович, 2009

В.А. Малахов, Д.Ф. Найдович

ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРОЦИКЛОНОВ С МАЛЫМИ УГЛАМИ КОНУСНОСТИ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАННЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Данная статья посвящена развитию математического аппарата, описывающего основные гидромеханические процессы в гидроциклонах и позволяющие рассчитать их конструктивные параметры при очистке отработанных масел. Ключевые слова: масло, мобильные установки, регенерация масла, переработки, ОСМ.

Яроблема загрязнения окружающей среды особо опасными отходами производства в настоящее время активно обсуждается мировым экологическим сообществом. В первую очередь это касается утилизации отработанных смазочных материалов, среди которых первое место, по образующемуся объему, занимают отработанные индустриальные масла.

Промышленное использование отработанных смазочных материалов (ОСМ) — сжигание является вынужденной мерой утилизации. С одной стороны получают дешёвые продукты применения, которые позволяют экономить аналогичные продукты из свежего нефтяного сырья. С другой стороны подобное использование требует первичной очистки ОСМ и добавление присадок и ингредиентов, позволяющих применять продукт по целевому назначению. Кроме того, некоторые процессы промышленного использования сопровождаются выделением канцерогенных газов, например, при использовании ОСМ как котельного топлива, что является самым неэффективным и экологически опасным способом утилизации.

Существует необходимость проведения анализа свойств отработанных и очищенных масел, обеспечивающих их работу в режимах гидродинамической (жидкостной) и граничной смазки. Оценить соответствие ГОСТ вышеуказанных свойств масел, очищенных на установке с использованием центрифуги. Оценить достаточную степень очистки масла от примесей и на основании этого разработать основные конструктивные параметры установки, с использованием гидроциклонов, как основного разделяющего аппарата.

Основными критериями, по которым производится сравнение свойств, отработанного, очищенного и исходного «чистого» масла, выбраны: кинематическая вязкость, плотность и трибологические свойства.

Основным условием существования гидродинамического режима смазки в узлах и механизмах, является достаточная, при данной нагрузке, величина динамической вязкости масла. От этого зависит, условие существования слоя смазки в пятне контакта при заданной величине нагрузки. Чем выше динамическая вязкость у масел, тем в более нагруженных узлах мы можем ее применять.

Способы определения динамической вязкости довольно трудоемкие, поэтому определяют кинематическую вязкость и плотность масла. Произведение этих двух параметров равно динамической вязкости. Уменьшение каждого из этих параметров приводит к ухудшению смазывающих свойств масел, а увеличение — к повышенным энергетическим потерям в узле трения.

Как показали проведенные исследования величина кинематической вязкости и плотности у отработанного масла увеличиваются (что подтверждается рядом других исследователей), а у очищенного масла укладываются в требования ГОСТ. На основании этого можно сделать вывод, что кинематическая вязкость и плотность не являются основными параметрами, по которым можно сравнивать качество очистки ОСМ.

Следующим свойством, определяющим качество очищенного масла, является смазывающая способность, т.е. эффективность работы масла в режиме граничной смазки, которую можно оценить исследовав трибологические свойства масел.

В процессе очистки масляных дистиллятов основная масса веществ обладающих полярностью, к ним относятся в первую очередь асфальто-смолистые вещества, а также высокомолекулярные кислоты и соединения, содержащие серу, удаляются из масла (особенно при селективной очистке), что приводит к ухудшению его смазывающей способности. В результате этого такие «переочи-щенные» масла оказываются непригодными для смазки деталей, работающих при повышенных нагрузках.

Произведенные измерения и сравнения кинематической вязкости, плотности и трибологических свойств отработанного, очищенного и исходного «чистого» масла показали, что:

• для обеспечения необходимой степени очистки достаточно удалить воду и механические примеси крупностью более 3-5 мкм.

• можно предположить, что эту задачу решить, используя в качестве основного аппарата, гидроциклоны с малыми углами конусности.

Гидроциклоны применяемые для очистки масел имеют ряд конструктивных особенностей связанных с величиной вязкости среды разделения, плотностью и размером частиц загрязнения.

Эффективность разделения фаз в гидроциклоне определяется не только величиной радиального ускорения, но и временем пребывания в нем разделяемого продукта.

При уменьшении угла конической части гидроциклона увеличиваются его емкость и время пребывания в нем обрабатываемого продукта, что и приводит к повышению эффективности разделения.

Для разжиженных пульп при обработке легких по удельному весу материалов и получении тонких сливов применяют гидроциклоны с малыми углами конусности (до 5°).

Схема потоков жидкости в гидроциклоне представлена на рисунке 1[1]. При работе гидроциклона возникает два основных круговых потока: внешний 2, направленный к вершине конуса, и внутренний 1, направленный в противоположную сторону. При движении внешнего потока небольшая часть жидкости выходит через нижнее отводное отверстие, а часть жидкости отделяется и, двигаясь в радиальном направление, вливается во внутренний поток. Основное количество жидкости у вершины конуса изменяет направление и, образуя внутренний восходящий поток, удаляется через верхнее отводное отверстие в диафрагме.

Режим движения жидкости в гидроциклоне турбулентный. Передача вращения от периферии внутрь происходит диффузией и конвекцией под действием вращающего момента сил, вязкости и перемещения самой завихренной жидкости. При значительной скорости потока вдоль оси гидроциклона образуется воздушный столб 3.

Таким образом, в гидроциклоне кроме двух основных вращающихся потоков жидкости (внешнего и внутреннего) образуется третий воздушный поток — воздушный столб. Внешний поток ограничивается стенкой гидроциклона и поверхностью внутреннего

Рис. 1. Схема потоков жидкости в гидроциклоне

потока, который, в свою очередь, ограничивается с внутренней стороны воздушным столбом.

Приведенная схема движения потоков дает весьма упрощенное представление о реальном движении жидкости в гидроциклоне. В действительности гидродинамические условия в гидроциклоне значительно сложнее, так как наряду с круговыми потоками возникают радиальные и циркуляционные потоки (рис. 2).

Гидравлика потоков в гидроциклоне, как видно из рисунков 1 и 2, крайне сложная, поэтому точного математического выражения движения потоков в гидроциклоне до сих пор нет. Изучение распределения скоростей производилось многими исследователями.

В любой точке гидроциклона скорость движения жидкости может быть разложена на следующие три составляющие:

•тангенциальную скорость vt, направленную перпендикулярно радиусу вращения в данной точке на горизонтальной плоскости;

•радиальную скорость vr, направленную по радиусу гидроциклона внутрь его;

•осевую (вертикальную) скорость vv, направленную под

прямым углом к vt и vr вдоль оси гидроциклона.

В каждой точке гидроциклона в плоскости, перпендикулярной его оси, жидкость будет иметь скорость движения с, состоящую из тангенциальной и радиальной скоростей, Дриссен [2] считает, что отношение тангенциальной и радиальной скоростей жидкости в любой точке гидроциклона является величиной постоянной, то есть tga = const.

tga =

v t vr

Рис. 2. Характер осевого и радиального течений в гидроциклоне

Это означает, что поток жидкости в гидроциклоне движется по логарифмической спирали, полюс которой расположен на оси гидроциклона.

Т ангенциальная скорость, согласно закону сохранения углового момента, увеличивается с уменьшением радиуса вращения.

При этом произведение тангенциальной скорости на радиус вращения имеет тенденцию сохранять постоянное значение, то есть vt • r = const (рис. 3, кривая 1). Однако из-за трения потока

о стенку аппарата и внутреннего трения, обусловленного вязкостью и турбулентностью, получаются некоторые отклонения от указанной выше зависимости. Если бы потери на трение были определяющими, то тангенциальная скорость была бы пропорциональна радиусу, то есть vt = const (рис. 3, кривая 2). Действительный профиль распределения тангенциальной скорости находится между кривыми 1 и 2.

Для хорошего разделения необходимо обеспечивать высокие тангенциальные скорости, поэтому внутренняя поверхность должна быть по возможности более гладкой, чтобы уменьшить трение и турбулентность потоков. В хорошо сконструированных гидроциклонах профиль тангенциальной скорости соответствует

Рис. 3. Профиль тангенциальных скоростей в гидроциклоне

постоянству величины

при возрастании значений критерия

Рейнольдса. В центральной части столба жидкости, вращающейся под патрубком для вывода верхнего продукта, радиальная скорость практически отсутствует, и поэтому здесь нет радиального

переноса углового момента. В связи с этим в указанной части гидроциклона определяющими являются потери на трение, что и обусловливает профиль тангенциальной скорости соответствовать

постоянству величины —.

г

Гидродинамика вихрей вообще, а в гидроциклоне в особенности, является сложной и недостаточно изученной.

Некоторые исследователи пытались определить скорости жидкости в гидроциклоне аналитическим путем.

Дриссен сделал попытку применить общие уравнения гидромеханики для случая движения жидкости в гидроциклоне. Рассмотрим постановку этой задачи без некоторых упрощений, принятых Дриссеном. Общий вид уравнения Навье-Стокса в цилиндрических координатах может быть представлен следующим образом

[3]:

ди ди v ди ди v2

— + и - — + — - — + w - — = —

дt дr r дф д-z r

дv дv v дv дv и' v

— + и - — + — - — + w - + =

дt дr r дф дz r

дw дw v дw дw 1

— + и + — + w

6t дr r дф дz p

1 др 1 др

- + v.,

p дr

p r - дф др

+ v2 ,

+ ^

где u — радиальная составляющая скорости; v — тангенциальная составляющая скорости; w — аксиальная (осевая) составляющая скорости; r — радиус гидроциклона; z — аксиальная (осевая) координата; ф — угол вращения (r, ф — цилиндрические координаты на плоскости при z = const); t — время; p — статическое давление; vj, v2, v3 — проекции силы трения, математические выражения которых приведены ниже; p — плотность среды.

Плотность p считаем постоянной величиной, действием силы тяжести жидкости также пренебрегаем. Для стационарного процесса движения жидкости в гидроциклоне

ди = 3v = 3w = о

дt дt дt '

Ввиду осевой симметрии движение жидкости, все функции в уравнениях (1) не зависят от угла ф, поэтому в этих уравнениях и в последующих выкладках производные по углу ф считаем равными нулю.

Проекции силы внутреннего трения [4]:

= V • V2 • и, v2 = V • V2 • V, v1 = V • V2 • и/,

где V — кинематический коэффициент вязкости жидкости; V2 — символ Лапласа.

В работе [3] в связи с пренебрежением вертикальной скоростью жидкости, выражения (3) имеют другой вид, так как появляется добавка к ним, связанная с ненулевой дивергенцией потока

жидкости в плоской полярной модели течения.

Оператор Лапласа в цилиндрических координатах имеет вид:

^2 , 1 д( дf Л 1 а2 f д2 f

V2 • f =-----1 Г— 1 + -^ •—^ + —^,

г дг ^ дг) г дф2 дг

д2 f 0

где —-у = П .

дф2

В работах по расчету гидроциклонов часто пренебрегают осевой составляющей скорости w, хотя она на порядок выше радиальной. Поэтому можно было бы пренебречь и радиальной составляющей скорости. Но тогда математическая модель течения жидкости в гидроциклоне становится вообще бессодержательной.

Нужно отметить, что пренебрежение той или иной составляющей скорости движения жидкости в системе уравнений (1) в целом математически необоснованно, так как в уравнениях присутствуют производные от этих скоростей. Например, производная от осевой скорости по координате г в точках поворота потока от движения вниз к движению вверх принимает большое значение и определяет скорость изменения давления р вдоль оси гидроциклона (см. третье уравнение системы (1)).

В системе трех уравнений (1) четыре неизвестных функций: и, V, w и р. Поэтому для ее решения привлекается уравнение неразрывности потока [4]:

= 0,

где V — вектор полной скорости частиц жидкости; — символ дивергенции; р — плотность жидкости, которую принимаем приближенно постоянной.

В цилиндрических координатах уравнение (5) имеет вид:

1 •дК) +1 •д^+д^=1 -дН+1 '<*+дш = 0, (6) г дг г дф дг г дг г дф дг

би

где — = 0 . бф

После подстановки в систему уравнений (1) выражений для сил трения и с учетом уравнения неразрывности (6) получаем систему четырех уравнений для расчета параметров течения жидкости в гидроциклоне:

би би V2

и— + w-----------------

бг бz г

1 бр

=--------+ V

Р

бг

1 _б

г бг1 бг

+

бv бv uv

и— + w— + — = V бг бz г

1 _б ( ду_^ би

г бг 1 бг) бz2

бw бw 1 бр

и— + w— =-----------------— + V

бг бz Р бz

1 б

7'~зг{г'

б2 w

бw .

і +--------2

бг ) бz

б( г • и) бw .

4 - + — = 0,

бг

бz

Заметим, что из первого или второго уравнения системы (7) можно выразить осевую скорость w через другие неизвестные функции и подставить в оставшиеся уравнения. Поэтому в итоге получается система трех нелинейных уравнений в частных производных.

В дальнейшем решение системы трех нелинейных уравнений в частных производных дает нам значение всех составляющих членов данной системы. Эти значения мы используем для подбора конструктивных параметров гидроциклона для очистки масел.

В настоящий момент в лаборатории «Топливо и смазочных материалов» выполняются работы по расчету основных конструктивных параметров установки на базе гидроциклонов для нужд автотранспортных хозяйств предприятий по производст-ву строи-436

тельных материалов Московской области. Использование подобных мобильных установок увеличит количество регенерируемых и повторно используемых масел. Это позволит уменьшить количество нелегально сбрасываемых на почву и в водоемы ОСМ и улучшит экологическую обстановку на территории предприятий горной промышленности.

------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шестов Р.Н. Гидроциклоны.—Ленинград: Машиностроение, 1967. — 52 с.

2. Driessen M.G. «Cleaning of Coal by heavy Liguids», J. Institute of Fuel, august, 1939, pp. 327—341.

3. Поваров А.И. Г идроциклоны. — М.: ГНТИ по горному делу, 1961. -264 с.

4. ПовхИ.Л. Техническая гидромеханика. — М.: Машиностроение, 1969.

— 524 с. ЕШ

Malakhov V.A., Naidovich D.F.

APPLICATION OF HYDROCYLONES WITH SMALL ANGELES OF TUMULUS FORWATER TREATMENT OF THE DEVELOPED LUBRICANTS MATERIALS

Given article is devoted to development of the mathematical device describing the general hydromechanical processes in hydrocyclones and allowing to calculate their design data at clearing the oils salvage.

Key words: Oil, mobile equipment, oil reclamation, rehash, reused lubricant.

— Коротко об авторах --------------------------------------------------------

Малахов В.А. — кандидат технических наук, доцент кафедры Горной механики и транспорта, e-mail: mr_mva@mail.ru

Найдович Д.Ф. — аспирант кафедры «Горная механика и транспорт», E-mail: naidovich84@mail.ru

Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru