Расчет эффективной вязкости в цилиндрическом гидроциклоне для разделения эмульсий

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.928.37

С. И. Валеев, Д. Ю. Верин, В. А. Булкин РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОЙ ВЯЗКОСТИ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ ГИДРОЦИКЛОНЕ

ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЭМУЛЬСИЙ

Ключевые слова: гидроциклон, разделение.

На основе уравнения Навье-Стокса проведено численное исследование эффективной вязкости в цилиндрическом гидроциклоне. Установлено, что профиль и численное значение эффективной вязкости зависит от расчетного радиуса и разгрузочного соотношения.

Keywords: hydrocyclone, separation.

On the basis of the Navier-Stokes equations, a numerical study of the effective viscosity in a cylindrical hydrocyclone is performed. It is found that the profile and the numerical value of the effective viscosity depend on the estimated radius and the discharge ratio.

Установлено, что напорные гидроциклоны работают в развитом турбулентном режиме, характеризующемся интенсивными турбулентными пульсациями. При аналитическом подходе к описанию гидродинамики гидроциклонов большинство исследователей исходят из системы уравнений Навье-Стокса, дополненных уравнением неразрывности [1, 2, 3, 4, 5]. Математическая модель процесса разделения в гидроциклоне может быть приближена к реальным условиям введением в уравнения Навье-Стокса эффективной вязкости

V =У + у . При моделировании величина э т

эффективной вязкости V э оказывает существенное

влияние на распределение полей скоростей по сечению аппарата. Исследование влияние эффективной вязкости Vэ на процесс разделения

D= 50 мм, da

жидкостей эмульсионного типа в практически не проводилось.

Расчет основной

эффективной вязкости турбулентной вязкости известному уравнению:

У

э

гидроциклоне

составляющей коэффициента

проводился по

2 2 yT = cr

3V V Р Р

¿r

с - структурная постоянная принималась исходя из анализа и обобщения экспериментальных данных [1], для цилиндрического гидроциклона принималась равной 0.0133; г - текущий радиус;

Уф-тангенциальная, составляющая скорости потока жидкости взятая из экспериментальных исследований [6,7].

Расчет эффективной вязкости

Vэ проводился для цилиндрического гидроциклона имеющего основные геометрические размеры:

3

d 11

н.сл.

= 0.27'

через верхний слив

отводилось 5.03 % от общего расхода.

Полученные профили эффективной

вязкости у по радиусу и высоте в цилиндрическом

э

гидроциклоне показаны на рис. 1а. На графике показаны только осредненные значения полученных величин. Из анализа полученных результатов по распределению эффективной вязкости Vэ

можно выделить три зоны изменения V^ по

радиусу гидроциклона: приосевую, центральную и пристенную. В центральной зоне (г=8^16 мм) значения Vэ практически остаются постоянными и

составляют V = (3.15^10-4 -3.85^10-4) м2/с.

Э

а!

м

to

ьЛг/(

р

ВТ -«г"1*" -о-о-

Рис. 1 - Графики эффективной вязкости

v

т

г

В пристенной зоне величина У ^ резко

возрастает достигая 14^10"4 м2/с около стенки аппарата. Возрастание численных значений У^

непосредственно в приосевой зоне по радиусу от центра к периферии обусловлено влиянием воздушного столба.

На рис. 1 б представлены графики эффективной вязкости У ^ в цилиндрическом

гидроциклоне D= 50 мм,

d

всл = 11 = 0.45'

через

верхний слив отводилось 10.4 % от общего расхода.

Полученные результаты показали, что в объеме данного цилиндрического гидроциклона, так же как и описанного выше

d.

=п=027

имеется три явно выраженные зоны изменения эффективной вязкости У ^ по радиусу

гидроциклона. В центральной зоне (г=8^18 мм) значения У^, как и в предыдущем гидроциклоне

практически постоянны, но значительно выше, что связано с увеличением расхода через верхний сливной патрубок, в этой зоне У^ =4.47^10"

4-5.24^10"4 м2/с.

В пристенной зоне происходит возрастание УЭ достигая 16^10"4 м2/с. В этой зоне мы имеем

распределение эффективной вязкости У ^ во

вращающемся нисходящем потоке, в котором в основном происходит разделение фаз. Третья характерная зона находится во внутреннем восходящем потоке.

Из полученных результатов видно, что в объеме цилиндрического гидроциклона происходит стабилизация эффективной вязкости У ^ в

© С. И. Валеев - доц. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, Vsi73@mail.ru; Д.Ю. Верин - асп. той же кафедры, Dmitry-verin90@mail.ru; В. А. Булкин - д-р техн. наук, проф. той же кафедры.

некоторый постоянный профиль по высоте

а

аппарата, разгрузочное отношение в.сл. при

а

н.сл.

прочих постоянных геометрических размерах оказывает сильное влияние на величину эффективной вязкости У ^. Как видно с

увеличением разгрузочного соотношения эффективная вязкость У ^ возрастает в

гидроциклоне, что отрицательно сказывается на процессе разделения эмульсий.

Литература

1. Терновский И.Г., Кутепов А.М. Гидроциклонирование. М.: Наука, 1994.

2. Поваров А.И. Гидроциклоны на обогатительных фабриках. М.: Недра. 1978. 232 с.

3. Мустафаев А.М., Гутман Б.М. Гидроциклоны в нефтедобывающей промышленности. М.:Недра, 1981, 260 с.

4. Валеев С.И., Булкин В.А. Применение гидроциклонов для очистки сточных вод в системе оборотного водоснабжения // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т.16, № 15, с. 294-295.

5. Верин Д.Ю., Валеев С.И., Булкин В.А. Гидродинамика цилиндроконического гидроциклона для разделения эмульсий с учетом эффективной вязкости // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т.15, № 15, с. 117-118.

6. Валеев С.И., Верин Д.Ю., Булкин В.А. Выбор метода измерения для исследования полей скоростей и давлений гидроциклона // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т.16, № 15, с. 292-293.

7. Валеев С.И., Верин Д.Ю., Булкин В.А. Гидродинамика цилиндрического гидроциклона для разделения эмульсий с малым содержанием легких примесей// Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т.17, № 6, с. 292-294.

© S. I. Valeev - associate Professor, cathedra machinery and equipment of chemical plants, KNRTU, Vsi73@mail.ru; D. Y. Venn - graduate student, cathedra machinery and equipment of chemical plants, KNRTU, Dmitry-verin90@mail.ru; V. A. Bulkin - Doctor of Technical Sciences, Professor, cathedra machinery and equipment of chemical plants, KNRTU.