ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯ ГИДРОЦИКЛОНОВ РАЗЛИЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ

Введение

Гидроциклон — это устройство, предназначенное для отделения твердых частиц из смесей за счет различий в плотности твердой и жидкой фаз, размеров частиц, а также действия центробежной силы [4]. Как высокоэффективные аппараты для разделения твердой и жидкой фаз, гидроциклоны обладают существенными преимуществами в области очистки сточных вод [5]. В идеальных условиях более мелкие частицы выводятся через верхний переливной патрубок, а более крупные через нижний выпуск. Однако вследствие различий в плотности и диаметре частиц, а также из-за сложных гидродинамических условий внутри гидроциклона, часть мелких частиц может попадать в нижний слив, тогда как более крупные частицы — выноситься через верхний перелив. Это явление приводит к снижению эффективности сепарации гидроциклона. Повышение эффективности сепарации гидроциклонов остается важным направлением исследований в области очистки сточных вод [2].

Следует отметить, что гидроциклоны серии FX широко и успешно применяются в мировой инженерной практике. На рисунке 1 представлена конструкция гидроциклона типа FX75, разработанная китайским заводом для очистки промышленных сточных вод. [1]. Основные элементы конструкции включают цилиндрическую и коническую части, впускную трубу, верхнюю переливную трубу и нижнюю выпускную трубу. Цилиндрическая и коническая части совместно формируют зону сепарации гидроциклона. Для получения представления о процессе разделения частиц в гидроциклоне были проведены численные исследования с использованием программного обеспечения ANSYS FLUENT.

Рисунок 1. Гидроциклона FX75

Методы

Для повышения эффективности разделения частиц в гидроциклоне одним из возможных решений является замена нижней конической зоны на цилиндрическую часть определенного диаметра (D_ц) с целью контроля процесса рециркуляции. Для проведения конечно-элементного анализа была смоделирована физическая модель гидроциклона типа FX в программе SpaceClaim на основе фактических данных об изделии [3]. Для исследования влияния D_ц на эффективность разделения, как показано на рисунке 2, были разработаны четыре различные конструкции гидроциклона, различающиеся только диаметром данной зоны (от 0,5D до 0,65D). Высота модели составляет 267 мм, включает в себя цилиндрическую сечение с диаметром 75 мм в верхней части и коническую сечение с углом 20° в нижней части. Верхняя переливная труба имеет диаметр 25 мм, нижняя выпускная труба — 12,5 мм, а впускная труба — 22,15 мм.

Рисунок 2. Конструкция гидроциклов

а) D_ц=0,5D; б) D_ц=0,55D; в) D_ц=0,6D; г) D_ц=0,65D. 

Для численного моделирования использовалась структурированная четырехугольная сетка с размером ячеек 0,002 м, что обеспечивает требуемую точность и сходимость решения, а также сокращает время расчетов. Для моделирования реально существующих условий в модели был учтен эффект гравитации: свободное ускорение по оси Y установлено на g = 9,81 м/с². В качестве жидкой среды используется вода с плотностью 998,2 кг/м³. Моделирование движения осадка осуществляется с использованием частиц. Моделирование состояния и траектории движения частиц в потоке воды выполнялось с использованием алгоритма DPM (Discrete Phase Model) [6]. Для формы частиц была принята сфера с гладкой поверхностью. Плотность частиц составляла 1100 кг/м³ [7]. Расчет выполняется в нестационарной постановке. Общее время расчета составляет T=50 с. Граничные условия для модели показаны на рисунке 3. Граничное условие на входе определено как вход по скорости, скорость воды и частиц устанавливается V = 2 м/с. Общее количество частиц на входе составляет 15 000. Диаметры выпускной трубы и переливной трубы заданы. Работа гидроциклона при атмосферном давлении. Все остальные границы, контактирующие с областью расчета заданы как неподвижные стенки (stationary wall).

Рисунок 3. Граничные условия для модели 

Результаты и обсуждение

На рисунке 4 показано распределение давления внутри гидроциклонов различной конструкции. Результаты показывают, что во всех рассмотренных вариантах наблюдается снижение давления от периферии к центру, при этом в приосевой области формируется заметная зона низкого давления. С постепенным увеличением D_ц давление внутри гидроциклона демонстрирует явную тенденцию к снижению, что объясняется уменьшением локального гидравлического сопротивления потоку вследствие расширения нижней части. Это влияет на величину центробежной силы в центральной зоне и соответственно на эффективность разделения частиц.

Рисунок 4. Сравнение давления внутри гидроциклонов различной конструкции

а) D_ц=0,5D; б) D_ц=0,55D; в) D_ц=0,6D; г) D_ц=0,65D.

На рисунке 5 показано распределение кинетической энергии турбулентности (КЭТ) внутри гидроциклонов различной конструкции. На рисунке 5 а и б зоны с высокой КЭТ в основном расположены под выпускной и впускной трубами, в то время как во внутренней зоне разделения значение КЭТ остается относительно низким. Эти результаты показывают, что увеличение Dц приводит к росту КЭТ, что, в свою очередь, вызывает хаотичное движение частиц, повышая энергозатраты.

Рисунок 5. Сравнение кинетической энергии турбулентности

внутри гидроциклонов различной конструкции

а) D_ц=0,5D; б) D_ц=0,55D; в) D_ц=0,6D; г) D_ц=0,65D.

Выводы

Предложенное в данном исследовании внедрение цилиндрической зоны оказывает существенное влияние на повышение эффективности разделения частиц, соответствующее увеличение диаметра цилиндрической зоны способствует усилению циркуляционного потока частиц и повышению эффективности разделения.