Исследование процессов разделения суспензии в центробежных устройствах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, доктор физико-математических наук Миньков, Леонид Леонидович

• Миньков, Леонид Леонидович
• доктор физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Миньков, Леонид Леонидович

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ СУСПЕНЗИИ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ УСТРОЙСТВАХ.

1.1 Гидроциклоны с инжектором.

1.2 Подходы к описанию турбулентных течений в гидроциклонах.

1.3 Седиментация суспензии в центрифугах.

1.4 Реология ньютоновских суспензий.

1.5 Скорость оседания частиц в суспензии.

1.6 Методы измерения скорости седиментации.

1.7 Выводы по первой главе.

2 МОДЕЛЬ УВЛЕЧЕНИЯ МЕЛКИХ ЧАСТИЦ КРУПНЫМИ.

2.1 Упрощенная модель ускорения седиментации мелких частиц в бидисперсной суспензии.

2.2 Гидродинамическая модель оседания мелких частиц суспензии.

2.2.1 Результаты численного решения.

2.2.2 Сравнение результатов расчета и эксперимента.

2.2.3 Обсуждение результатов решения.

2.3 Приближенное решение задачи об обтекании шара медленным потоком взвешенных частиц в приложении к седиментации бидисперсной суспензии.

2.3.1 Постановка задачи.

2.3.2 Характеристики траекторий.

2.3.3 Временные характеристики.

2.3.4 Скорость седиментации.

2.3.5 Сравнение с результатами эксперимента.

2.4 Роль силы Саффмэна при совместном оседании мелких и крупных частиц в суспензии.

2.4.1 Постановка задачи.

2.4.2 Результаты и обсуждение.

2.5 Обобщение формулы ускоренного оседания мелких частиц бидисперсной суспензии на случай полидисперсной суспензии.

2.6 Выводы по второй главе.

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСЕДАНИЯ СУСПЕНЗИИ В ТАРЕЛЬЧАТОЙ ЦЕНТРИФУГЕ.

3.1 Континуальный подход для описания течения полидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге.

3.1.1 Система уравнений, описывающая течение полидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге.

3.1.2 Тензоры напряжений жидкой и твердой фазы.

3.1.3 Парциальные давления, поровое давление и эффективное напряжение в к-фазе.

3.1.4 Массовые силы и силы взаимодействия между частицами.

3.1.5 Анализ размерностей в уравнениях (3.1.11) и (3.1.12).

3.1.6 Оценка значений используемых параметров.

3.2 Седиментация бидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге

3.2.1 Задача об оседании бидисперсных частиц в тарельчатой центрифуге.

3.2.2 Генерация течения жидкости из-за её вытеснения потоком оседающей твёрдой фазы.

3.2.3 Изменение свойств среды, в которой седиментируют отдельные частицы (изменение плотности и вязкости среды).

3.2.4 Генерация течений крупными частицами вблизи собственной поверхности.

3.2.5 Численные решения.

3.2.6 Динамика скоростей оседания в выбранной точке наблюдения.

3.3 Измерение скорости седиментации мелкодисперсных частиц в тарельчатой центрифуге.Ш

3.3.1 Методика эксперимента.

3.3.2 Анализ возможных (систематических) погрешностей эксперимента.

3.3.3 Результаты измерений.

3.4 Моделирование оседания частиц полидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге.

3.4.1 Постановка задачи.

3.4.2 Математическая постановка задачи.

3.4.3 Определение скорости оседания частиц в полидисперсной суспензии.

3.4.4 Выбор характерных величин. Приведение задачи к безразмерному виду.

3.4.5 Анализ результатов моделирования оседания частиц полидисперсной суспензии.

3.5 Выводы по третьей главе.

4 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УПРОЩЕННОГО КЛАССИФИКАЦИОННОГО АППАРАТА.

4.1 Классификация частиц слабоконцентрированной суспензии.

4.1.1 Модель классификационного аппарата. Постановка задачи.

4.1.2 Определение сепарационной кривой.

4.1.3 Аналитическое решение задачи.

4.1.4 Численный анализ.

4.2 Моделирование «fish-hook» эффекта в классификационном аппарате.

4.2.1 Модель классификационного аппарата.

4.2.2 Моделирование осаждения частиц в полидисперсной суспензии.

42.3 Безразмерные переменные и-расчетный-метод.

4.2.4 Результаты расчётов и их обсуждение.

4.3 Моделирование работы классификационного аппарата с дополнительной инжекцией жидкости.

4.3.1 Модель классификационного аппарата с дополнительным впрыском жидкости.

4.3.2 Модель инжекционной струи.

4.3.3 Уравнения для скоростей оседания частиц различных фракций.

4.3.4 Определение сепарационной кривой.

4.3.5 Безразмерный вид поставленной задачи. Характерные параметры задачи.

4.3.6 Анализ результатов моделирования классификационного аппарата с инжектором. Сравнение с экспериментами.

4.3.7 Количественное сравнение с экспериментом.

4.4 Выводы по четвертой главе.

5 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ СУСПЕНЗИИ В ГИДРОЦИКЛОНЕ.

5.1 Численное моделирование течения жидкости в гидроциклоне со встроенным инжектором.

5.1.1 Физико-математическая модель закрученного турбулентного течения несжимаемой вязкой жидкости в гидроциклоне с инжектором

5.1.2 Результаты численного моделирования. Влияние инжектирование на поле скоростей.

5.1.3 Результаты численного моделирования. Влияние инжектирование на поле турбулентности.

5.2 Модификация модели Шуберта-Неессе на случай гидроциклона с инжектором.

5.3 Численное моделирование течения монодисперсной суспензии в гидроциклоне с инжектором.

5.4 Численное моделирование течения суспензии в гидроциклоне.

5.4.1 Математическая модель течения полидисперсной суспензии.

5.4.2 Результаты численного моделирования течения суспензии в гидроциклоне без инжектора.

5.4.3 Анализ результатов численного решения и их обсуждение.

5.4.4 Результаты моделирование турбулентного течения полидисперсной суспензии в гидроциклоне с инжектором.

5.5 Выводы по пятой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процессов разделения суспензии в центробежных устройствах»

Разделение суспензии на жидкую и твердую фазы, а также классификация твёрдой фазы на фракции является основным гидромеханическим процессом, протекающим при функционировании гидроциклонов и центробежных аппаратов. Гидроциклонные аппараты нашли широкое применение в угольной, горнорудной, нефтехимической промышленности, а также при очистке сточных вод и загрязненных почв как наиболее эффективное оборудование, позволяющее интенсифицировать процессы разделения при низких энергетических затратах.

Исследование процессов гидроциклонирования активно проводилось в СССР и России Поваровым А.И., Акоповым М.Г., Найденко В.В., Кутеповым A.M., Терновским И.Г., Непомнящим Е.А., Адельшиным А.Б. и др. За рубежом данное направление развивали Шуберт Г., Неессе Т., Хайсканен К. и др.

Существующие инженерные методы расчета показателей разделения гидроциклонных аппаратов основаны как на применении теории подобия, так и на отслеживании движения отдельно взятой частицы, а также на стохастическом подходе для описания движения гетерогенной среды.

С появлением современных суперкомпьютеров стало возможным проводить физико-математическое моделирование процесса разделения суспензии в гидроциклонах на основе численного решения уравнений, описывающих турбулентное течение закрученных гетерогенных сред. Одни из первых работ в этом направлении выполнялись на основе модифицированной k-е модели турбулентности (Дик И.Г., Матвиенко О.В., Баранов Д.А.).

Отличительной особенностью решенных задач гидроциклонирования является либо неучет взаимодействия частиц, что снижает точность предсказания сепарационных характеристик аппаратов, либо попытка учесть прямое столкновение частиц без рассмотрения их гидродинамического взаимодействия, что существенно ограничивает область применения подобных моделей.

Следует также отметить, что слабоизученным вопросому с теоретической точки зрения, является вопрос о влиянии интенсивности и способах инжектирования воды на изменение сепарационных характеристик гидроциклона, который крайне слабо освещен в современной научной литературе.

Цели и задачи исследования.

Целью настоящей работы является физико-математическое моделирование и исследование процессов разделения суспензий на твердую и жидкую фазы в центробежных устройствах на примере гидроциклона и тарельчатой центрифуги. Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:

1. Создание математической модели увлечения мелких частиц крупными при их совместном оседании.

2. Построение физико-математической модели седиментации частиц полидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге с учетом увлечения мелких частиц крупными.

3. Обоснование методики измерения скорости седиментации частиц полидисперсной суспензии в условиях центробежного поля тарельчатой центрифуги.

4. Анализ закономерностей оседания частиц полидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге.

5. Выявление формы сепарационной кривой классификационного аппарата в области мелких частиц.

6. Построение физико-математической модели классификационного аппарата с учетом дополнительной инжекции воды в двумерной постановке.

7. Анализ воздействия инжекционного потока на характеристики классификационного аппарата.

Научная новизна. Проведено физико-математическое моделирование процессов в устройствах, предназначенных для очистки сточных вод от примесей механическим способом. В-рамках этого направления впервые-получены следующие результаты:

1. Обоснована методика измерения скорости седиментации частиц полидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге.

2. Создана математическая модель ускорения мелких частиц крупными.

3. Определены основные закономерности оседания частиц полидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге с учетом увлечения мелких частиц крупными.

4. Объяснено аномальное поведение сепарационной кривой классификационного аппарата в области мелкоразмерных фракций.

5. Создана физико-математическая модель классификационного аппарата с учетом дополнительной инжекции воды в двумерной постановке.

6. Установлено влияние расхода инжекционного потока, способа инжекции на сепарационную функцию классификационного аппарата.

7. Предложена физико-математическая модель процесса разделения полидисперсной суспензии в гидроциклоне с учетом увлечения мелких частиц крупными.

Практическая значимость работы. Получена формула скорости оседания частиц полидисперсной суспензии в замкнутом объеме, пригодная для инженерных оценок, учитывающая обратное влияние вытесняемой жидкости и увлечение этих частиц более крупными. Обоснована методика определения скорости оседания частиц полидисперсной суспензии с помощью лабораторной тарельчатой центрифуги. Проведенное физико-математическое моделирование процесса разделения суспензии в гидроциклоне с дополнительной инжекцией позволяет оптимизировать параметры инжекции для снижения содержания мелкоразмерных фракций в потоке крупных. Результаты исследования были использованы при моделировании вихревого сепаратора для улавливания паров фторуглеродной смазки в технологическом процессе ЗРИ ОАО «СХК» г.Северск.

Основные результаты диссертации получены при проведении исследований по гранту Немецкой службы академических обменов (2002 г.), гранту Баварского исследовательского фонда (2003-2004 гг, PIZ 19/03), гранту Министерства образования Германии (2008 г, BMBF, Project № RUS 08/А01), гранту ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2012 г., № 14.В37.21.0872), а также в соответствие с приоритетным направлением инновационной образовательной программой «Индустрия наносистем и материалов» (2007 г.) и частично по грантам РФФИ №02-01-01022-а, №05-08-01396-а, №08-08-12029-офи, №11-08-00370а.

Положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель увлечения мелких частиц крупными при их совместном оседании.

2. Физико-математическая модель седиментации частиц поли дисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге с учетом увлечения мелких частиц крупными.

3. Методика измерения скорости седиментации частиц полидисперсной суспензии в условиях центробежного поля тарельчатой центрифуги.

4. Результаты численного моделирования оседания частиц полидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге.

5. Объяснение «fish-hook» эффекта сепарационной кривой классификационного аппарата в области мелких частиц. б. Физико-математическая модель классификационного аппарата с учетом дополнительной инжекции воды в двухмерной постановке.

7. Результаты численного моделирования по влиянию инжекционного потока на характеристики классификационного аппарата.

8. Физико-математическая модель и результаты численного моделирования процесса разделения полидисперсной суспензии в гидроциклоне с -учетом увлечения мелких частиц крупными.

Достоверность полученных результатов обеспечивается строгостью используемых математических постановок, непротиворечивостью результатов и выводов. Достоверность численных результатов в данной работе обеспечивается путем проведения дополнительных исследований решения на сеточную сходимость, сравнением их с аналитическим решением и с экспериментальными данными.

Личный вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, заключается в непосредственном его участии на всех этапах исследований: обсуждение физики процесса, математическая постановка задачи, разработка методов и алгоритмов решения задач, анализ и интерпретация полученных результатов.

Апробация работы. Основные результаты научных исследований по теме диссертации докладывались на следующих конференциях: а) Международных:

4th International Conference on Multiphase flow» (May 27 - June 1, New Orlean, LA, USA, 2001);«Science & Technology of Filtration and Separations for the 21st Century» (Tampa, Florida, USA, 1-4 May, 2001);«Байкальские чтения-II по моделированию процессов в синергетических системах» (Улан-Удэ-Томск, Россия, 18-23 июля 2002); «5-th International Conference on Multiphase Flow» (Yokohama, Japan, May 30-June 4, 2004); «5-th International conference on Transport Phenomena in Multiphase Systems» (HEAT 2008, Bialystok, Poland, June 30 - July 3, 2008); «International Conference on Physical Separation'09» (Falmouth, UK, June 16-17, 2009);«7-th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics» (ExHFT-7, Krakow, Poland, 28 June - 03 July 2009); «19-th International Congress of Chemical and Process Engineering» (CHISA 2010, Prague, Czech Republic, 28 August - 1 September

2010);«21-st International Symposium on Transport Phenomena» (Kaohsiung City, Taiwan, November 2-5 2010);«lnternational Conference on Fluid dynamics and Thermodynamics» (WASET. Amsterdam, Netherlands 13-1-5-July-201-1); б) Всероссийских:

Байкальские чтения по математическому моделированию в синергетических системах» (Улан-Удэ-Томск, 10-23 Июля, 1999); IX Всероссийская научно-техническая конференция «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2003); IV, V, VI Всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 5-7 октября 2004, 3-5 октября 2006, 30 сентября - 2 октября, 2008); XI Всероссийская научно-техническая конференция «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2005); VI Всероссийская научная конференция «Современная баллистика и смежные вопросы механики» (Томск 17 - 19 ноября, 2009); Всероссийская молодёжная научная конференция «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред» (Томск, 16-19 октября 2010).

Результаты диссертационной работы докладывались устно на научных семинарах технического факультета Университета Эрланген-Нюрнберг (г. Эрланген, Германия, в 2003 и 2008 гг.).

Публикации. В целом по теме диссертации опубликовано 44 работы [134, 135, 142, 146, 147, 187, 207, 215, 222, 227, 230-263], включая материалы докладов Всероссийских и Международных конференций. Основные результаты работы опубликованы в 27 научных статьях в ведущих научных журналах, в том числе 20 статей опубликовано в журналах, входящих в перечень ведущих научных журналов и изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для опубликования результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы, включающего 263 наименовании, содержит 97 рисунка, 5 таблиц —всего 27-5-страниц.