Определение рациональных режимов работы автоматизированного трехпродуктового гидроциклона

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ТРЕХПРОДУКТОВОГО ГИДРОЦИКЛОНА

По результатам мониторинга сбросов сточных вод в поверхностные водные объекты в Республике Беларусь в структуре выявленных превышений предельно допустимой концентрации загрязнений в 2008 г. нефтепродукты составляли около 4, синтетические поверхностно-активные вещества — около 7, взвешенные вещества — до 28%, в 2009 г. соответственно — 4, 6 и 26% [1, 2]. Существенная часть данных загрязнений поступает вместе с загрязненными моющими растворами ремонтных предприятий и станций технического обслуживания. Это происходит из-за того, что на них выполняются моечные операции с применением больших объемов водных растворов технических моющих средств, в то время как современные системы канализации зачастую не предназначены для совместной очистки коммунальных и производственных сточных вод [3] и не способны обеспечить качественную очистку стоков. Решением данной проблемы является наличие на ремонтных предприятиях собственных сооружений для очистки стоков, а также создание систем локальной технологической очистки моющих растворов.

Анализ источников. Широкий анализ возможных методов и устройств технологической очистки моющих растворов при ремонте и техническом обслуживании машин выполнен в работе [4]. Наиболее простым и надежным аппаратом, способным выделить из жидкости нефтепродукты и взвешенные вещества, является трехпродуктовый гидроциклон [5].

В результате анализа существующих конструкций трехпродуктовых гидроциклонов [6, 7] было выявлено, что ни один из них не способен удовлетворить требованиям, предъявляемым к технологической очистке моющих растворов. Одним из существенных недостатков гидроциклонов является неизбежная потеря части очищаемой жидкости, уходящей вместе с выводимыми загрязнениями. Поэтому нами была предложена усовершенствованная конструкция трехпродуктового гидроциклона [8] и система управления им [9], позволяющая в автоматическом режиме выводить выделенные загрязнения и снижать потери очищаемой жидкости. Однако данная конструкция требует установления рациональных режимов работы.

Методы исследования. Для проведения исследований была создана лабораторная установка, гидравлическая схема которой представлена на рис. 1. Лабораторная установка работает следующим образом. Исходный искусственно загрязненный нефтепродуктами и взвешенными веществами моющий раствор заливается в бак 9 объемом 300 литров. Нагрев и поддержание температуры раствора в необходимых пределах, соответствующих температурному режиму работы моечных машин, осуществляется электронагревателем 7, находящимся на дне бака и работающим от электросети 220 В. Измерение температуры моющего раствора осуществляется термометром 10. Уровень раствора в баке 9 контролируется с помощью указателя уровня (водомерной трубки) 11. Для предотвращения возможного отстаивания нефтепродуктов и выпадения загрязнителя в осадок в придонной части бака 9 предусмотрена система гидравлического перемешивания 8, состоящая из перфорированной трубки, соединенной с напорной линией насоса 12. Насос 12 марки КМ 8−18, приводимый в действие электродвигателем мощностью 3 кВт, позволяет обеспечивать максимальную подачу (8 м³/час). Требуемая подача раствора в гидроциклон 1 регулируется вентилями 6. Давление жидкости на входе в гидроциклон контролируется манометром 2 (с пределами измерения давления 0−1,0 МПа). Давление под крышкой гидроциклона контролируется манометром 20 (с пределами измерений 0−60 кПа). Объем раствора, проходящий через гидроциклон, контролируется расходомерами 3 и 16. Отбор проб моющего раствора производится в емкости 13, 15, 17. В емкость 13 производится отбор моющего раствора, подвергаемого очистке, в емкость 15 — очищенный моющий раствор и жидкость из шламовой насадки, в емкость 17 — выделенные нефтепродукты. Электромагнитные клапаны 4 и 18 управляют выведением разделенных фракций из гидроциклона.

1 — трехпродуктовый гидроциклон; 2, 20 — манометры; 3, 16 — расходомеры; 4, 18 — электромагнитные клапаны; 5, 14 — пробоотборники; 6, 19 — вентили;7 — электронагреватель; 8 — система перемешивания; 9 — бак; 10 — термометр;11 — водомерная трубка; 12 — насос; 13, 15, 17 — емкости Для определения производительности автоматизированного трехпродуктового гидроциклона был проведен пятифакторный эксперимент, методика проведения и результаты его описаны ранее [10]. В результате данного эксперимента были определены рациональные размеры гидроциклона: высота цилиндрической части Н = 130 мм и угол конической части б_к = 20°. Диаметр отводного патрубка принят равным d_отв = 16 мм (рис. 2).

Рис. 2. Конструктивные параметры гидроциклона

Для определения рационального режима работы автоматизированного трехпродуктового гидроциклона был спланирован и проведен трехфакторный эксперимент по существующей методике [11]. За выходные параметры были приняты производительность и давление под крышкой гидроциклона. От последнего зависит процесс вывода нефтепродуктов.

При помощи расходомеров определялись расходы через сливную трубку вывода очищенной жидкости и через шламовую насадку. Время замера — одна минута.

Производительность Q трехпродуктового гидроциклона можно представить в виде следующей суммы:

Q = Q_{м. р} + Q_шл + Q_н, (1).

где Q_{м. р} — расход очищенного моющего раствора через сливную трубку; Q_шл — расход через шламовую насадку; Q_н — расход выделенных нефтепродуктов.

Через шламовую насадку выходят выделенные взвешенные вещества (шлам) вместе с частью раствора, поэтому расход через шламовую насадку характеризует потери очищаемой жидкости. При оптимизации режима работы трехпродуктового гидроциклона необходимо стремиться к минимизации расхода через шламовую насадку.

Расход выделенных нефтепродуктов и потери моющего раствора, выводимого из гидроциклона вместе с ними, будут зависеть от того, на какое качество очистки настроен трехпродуктовый гидроциклон. В данном случае расход нефтепродуктов соизмерим с погрешностью эксперимента, поэтому данной составляющей можно пренебречь.

В качестве переменных факторов, влияющих на режим работы трехпродуктового гидроциклона, были приняты следующие параметры (рис. 2): x₁ — давление на входе в гидроциклон, р, МПа; х₂ — внутренний диаметр питающего патрубка гидроциклона, d_пит, мм; х₃ — длинавнутренней части отводящего патрубка,l_отв, м.

Пределы варьирования переменных факторов были приняты следующими:

х₁ = 0,02−0,1; х₂ = 6−10; х₃ = 0,15−0,25.

Для определения значений производительностей Q_{м. р}, Q_шл и давления под крышкой гидроциклона р₂ при различном сочетании переменных факторов исследуемая жидкость подавалась при помощи насоса в гидроциклон с заданным давлением. Общая производительность трехпродуктового гидроциклона в л/мин определялась как сумма этих расходов.

После проведения опытов производилась математическая обработка результатов эксперимента и определение коэффициентов выбранного уравнения регрессии.

Основная часть

В результате определения коэффициентов регрессии и оценки их значимости были получены следующие уравнения регрессии:

— расход моющего раствора через сливную трубку вывода очищенной жидкости:

Y= 15,70 +5,62х₁+ 4,61х₂+ 1,86 х₁ х₂ — 0,18 х₁ х₃+ 3,64 х₁ х₂ х₃; (2).

— расход через шламовую насадку:

Y=9,39 + 4,49х₁+ 3,7х₂+0,25х₃+ 1,05 х₁ х₂ — 0,45 х₁ х₃-0,43 х₂ х₃+ 2,56 х₁ х₂ х₃; (3).

— общая производительность гидроциклона:

Y= 25,08 + 10,11х₁+ 8,32х₂+ 0,23х₃+ 2,91 х₁ х₂ — 0,63 х₁ х₃ — 0,47 х₂ х₃+ 6,19 х₁ х₂ х₃; (4).

— давление под крышкой гидроциклона:

Y= 20,68 + 13,69х₁+ 10,1х₂+ 4,27 х₁ х₂+ 5,03 х₁ х₂ х₃. (5).

Далее проводилась оценка возможности использования данных уравнений без парных взаимодействий по существующей методике [11]. В результате этих вычислений получили, что выход в уравнениях (2−5) не может быть достаточно точно описан без парных взаимодействий.

Затем уравнения (2−5) с учетом точности измерений преобразовывали к виду, позволяющему непосредственно подставлять в него значения переменных факторов и получать значение расходов, производительности и давления под крышкой гидроциклона. Для этого значения коэффициентов регрессии необходимо разделить на соответствующий предел варьирования переменного фактора. В результате получили следующие уравнения:

— расход моющего раствора через сливную трубку вывода очищенной жидкости:

Q_м.р= 15,70 + 70,25p+1,15d_пит+5,81pd_пит — 22,5pl_отв+113,75pd_питl_отв; (6).

— расход через шламовую насадку:

Q_шл=9,39 + 56,125p+0,925d_пит+ 2,5l_отв+ 3,28pd_пит-56,25pl_отв-1,075d_питl_отв+80pd_питl_отв; (7).

— общая производительность гидроциклона:

Q= 25,08 + 126,375p+2,08d_пит+ 2,3l_отв+ 9,09pd_пит — 78,75pl_отв-1,175d_питl_отв+193,44pd_питl_отв; (8).

давление под крышкой гидроциклона:

p₂= 20,68 + 171,125p+2,525d_пит+ 13,34pd_пит+157,19pd_питl_отв. (9).

Полученные эмпирические зависимости (6−9) могут быть использованы при проектировании трехпродуктовых гидроциклонов предложенной конструктивной схемы. Анализ этих зависимостей показывает, что наиболее значимым фактором, влияющим на исследуемые параметры, является давление на входе в гидроциклон. Поэтому для определения оптимального режима работы трехпродуктового гидроциклона необходимо определить значение р, которое будет соответствовать следующим требованиям: максимальная общая производительность гидроциклона; минимальные потери очищаемой жидкости; минимальное давление под крышкой гидроциклона.

Выполнение последнего требования необходимо для того, чтобы выделенные нефтепродукты в процессе очистки смогли отстояться под крышкой. Это также позволяет сократить потери очищаемой жидкости с выводимыми нефтепродуктами.

Для анализа потерь очищаемой жидкости, уходящей из гидроциклона вместе с выделенными твердыми загрязнениями, введем коэффициент потерь k, который в процентах определяется следующим образом:

k = (Q_шл/Q) • 100. (10).

Для определения рационального режима работы были проведены дополнительные измерения при различных значениях давления на входе в гидроциклон, значения которого изменялись от 0 до 0,1 МПа. При этом контролировались давление под крышкой гидроциклона, расход моющего раствора через сливную трубку вывода очищенной жидкости и расход через шламовую насадку. По результатам измерений построен график, отображающий зависимость данных величин от давления на входе в гидроциклон (рис. 3).

Рис. 3. График зависимости основных величин от давления на входе в гидроциклон

Полученный график показывает, что с увеличением давления на входе в гидроциклон происходит и рост исследуемых величин. Однако производительность гидроциклона Q более интенсивно увеличивается при значениях давления от 0 до 20 кПа, а при дальнейшем его увеличении ее рост замедляется. Коэффициент потерь k значительно увеличивается в интервале 0−45 кПа, после преодоления которого он практически стабилизируется и составляет 18−25%. Однако потери раствора, превышающие 10%, нельзя считать допустимыми. Давление под крышкой гидроциклона р₂ изменяется прямо пропорционально давлению на входе на всем интервале измерений.

Таким образом, в исследованном диапазоне экстремальные значения не обнаружены. За рациональный режим работы принимаем давление на входе в гидроциклон -20 кПа, которому соответствует: производительность — 24 л/мин; коэффициент потерь — не более 10%; давление под крышкой гидроциклона — 14 кПа.

В результате обработки графических зависимостей в Advanced Grapher были получены аппроксимирующие кривые для всех переменных факторов, их уравнение, а также величина достоверности аппроксимации R². Результаты обработки представлены в таблице. Полученные зависимости могут быть также использованы при проектировании трехпродуктовых гидроциклонов.

Таблица. Уравнения аппроксимирующих кривых и величина достоверности аппроксимации R²

Заключение

Полученные эмпирические зависимости (6−9) могут быть использованы при проектировании трехпродуктовых гидроциклонов предложенной конструктивной схемы.

Наиболее значимым фактором, влияющим на производительность гидроциклона и давление под его крышкой, является давление на входе в гидроциклон.

Для рационального режима работы давление на входе в трехпродуктовый гидроциклон предложенной конструкции можно считать равным 20 кПа, которому соответствует производительность 24 л/мин, коэффициент потерь — не более 10%, давление под крышкой гидроциклона — 14 кПа.

• 1. Главный информационно-аналитический центр национальной системы мониторинга окружающей среды Республики Беларусь / Локальный мониторинг. Сбросы сточных вод. — [Электронный ресурс]. — 2011. — Режим доступа: http://nsmos.by_%202 008%20г.mht. — Дата доступа: 14.03.2011.
• 2. Главный информационно-аналитический центр национальной системы мониторинга окружающей среды Республики Беларусь / Локальный мониторинг. Сбросы сточных вод. — [Электронный ресурс]. — 2011. — Режим доступа: http://nsmos.by_%202 009%20г.mht. — Дата доступа: 14.03.2011.
• 3. Пособие по эколого-экономической оценке объектов хозяйственной и иной деятельности в Республике Беларусь / под ред. Н. В. Войтова. — Минск: БГТУ, 1999. — 346 с.
• 4. Карташевич, А. Н. Интенсивная очистка жидкостей и газов в технических системах: монография / А. Н. Карташевич, Е. И. Мажугин. — Минск.: Красико — Принт, 2002. — 290 с.
• 5. Тельнов, Н. Ф. Технология очистки сельскохозяйственной техники / Н. Ф. Тельнов. — М.: Колос, 1973. — 296 с.
• 6. Пашкевич, А. В. Обоснование схемы конструкции гидроциклона для автоматизированной очистки моющих растворов / А. В. Пашкевич, Е. И. Мажугин // Молодежь в науке -2007: материалы Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых, Горки 12−14 сент. 2007 г. / Белорусская гос. с.-х. академия; редкол.: А. Р. Цыганов [и др.]. — Горки, 2007. — С. 150−154.
• 7. Пашкевич, А. В. Обоснование конструкции трехпродуктового гидроциклона с автоматизированным выводом выделенных загрязнений / А. В. Пашкевич, Е. В. Самосюк // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы Междунар. науч.-практ. конф. — Могилев, 21−22 апреля 2011 г. — Ч. 1. — С. 69−70.
• 8. Трехпродуктовый гидроциклон: пат. 5479Респ. Беларусь, МПК B 04C5/00. / Е. И. Мажугин, А. В. Пашкевич, А. Л. Казаков, Левкин М. В.; заявитель Бел.гос. с/х акад. — № u20080838; заявл. 11.11.2008; опубл. 30.08.2009 // Афіцыйныбюл. / Нац. цэнтрiнтэлектуал. уласнасцi. — 2009. — № 4. — С. 187.
• 9. Автоматизированный трехпродуктовый гидроциклон для очистки моющих вод ремонтных предприятий / Е. И. Мажугин [и др.] // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения: сб. науч. работ Междунар. науч.-технич. конф., Брянск. 2011 г. / Брянская гос. с.-х. академия; редкол.: А. А. Тюрева [и др.]. — Брянск, 2011. — С. 25−30.
• 10. Мажугин, Е. И. Лабораторные исследования по определению производительности трехпродуктового гидроциклона / Е. И. Мажугин, А. В. Пашкевич // Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 60-летию кафедры «Тракторы и автомобили», Горки 24−25 сент. 2009 г. / БГСХА; редкол.: А. Н. Карташевич [и др.]. — Горки, 2009. — С. 149−156.
• 12. Ашмарин, И. П. Быстрые методы статистической обработки и планирование экспериментов / И. П. Ашмарин, Н. Н. Васильев, В. А. Амбросов. — Л., 1974. — 76 с.