تحقیق در مورد اصول طراحی هیدروسیکلون های جداکننده جامد ازمایع درآب وفاضلاب

اختصاصی از اس فایل تحقیق در مورد اصول طراحی هیدروسیکلون های جداکننده جامد ازمایع درآب وفاضلاب دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

ینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*

فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)

تعداد صفحه85

فهرست مطالب

پیشگفتار                      

گرایشی به هیدروسیکلون ها، مخصوصا در مهندسی شیمی و صنعت نفت ، به وجود آمده است که به چندین عامل بستگی دارد :

• اطلاعات مفیدی در مورد سودمند بودن هیدر.سیکلون ها در کاربردهای خارج از کانه آرایی در مهندسی شیمی و دیگر شاخه های مهندسی کسب شده است.
• احیاء مقوله ی هیدروسیکلون ضرورت جدیدی است که در صنعت نفت، مخصوصا در دریای شمال، به وجود آمده است . صنعت نفت برای جدا کردن گاز، ماسه یا آب از نفت یا ترجیحا تمام این  مواد از هم  دیگر در مرحله ی جداسازی ، به یک دستگاه کوچک ، قابل اطمینان و ساده احتیاج دارد و به نظر می رسد هیدروسیکلون ها قدرت انجام این کار را داشته باشند و گفتنی است که علاقه به هیدروسیکلون ها در این زمینه روبه افزایش است.
• توسعه ی روز افزون هیدروسیکلون و افزایش درک عمومی از آن ها موجب شده است که امروزه این  دستگاه ها بیشتر از آنچه که چنـــدین دهـــه قبل انجام می دادند کارآیی داشته باشند.

مقدمه

اصول و طراحی اساسی هیدروسیکلون های رایج بیش از 10 سال قدمت دارد. ولی بعد از جنگ جهانی دوم در صنعت کاربرد قابل توجهی یافتند . این دستگاه ها نخست، در کانه آرایی و معدن کاری مورد استفاده قرار گرفتند ولی اخیرا در صنایع شیمیایی ، پتروشیمی ، تولید برقف صنعت نساجی ، صنعت فلز کاری و بسیاری صنایع دیگر به خوبی پذیرفته شده اند و کاربرد آن ها در حال گسترش است.

موارد کاربرد هیدروسیکلون عبارتند از: تصفیه ی مایع ، تغلیط گلاب ، شستشوی جامدات ، گاز زدایی مایعات ، طبقه بندی جامدات یا سنگجوری با توجه به چگالی یا شکل ذره.

هیدروسیکلون یک جدا کننده یثابت بر مبنای جدایش گریز از مرکز که در بدنه ی مخروطی ـ استوانه ای سیکلون تولید شده ، استواراست . جریان خوراک (باراولیه) که معمولا به طور مماسی وارد سیکلون شده به ته ریز و اکثر جامدات را حمل می کند یا حداقل بخش دانه درشت تر که هنوز در مقداری مایع معلق می باشند و سرریز که اکثر مایع و بعضی از جامدات دانه ریز را داراست تقسیم بندی می شود.

قطر  سیکلون های انفرادی بین mm 10-5/2  متغیر است. حد جدایش اکثر جامدات بین um 250-2  متغیر است . دبی (ظرفیت) واحدهای انفرادی در بین   m3h-17200-1/0 می باشد . افت فشارهای عملیاتی بین bar 6-34/0 تغییر می کند .      

واحدهای کوچک تر معمولا نسبت به واحدهای بزرگ تر در فشار بالاتری عمل مــی کنند. غلظت جامدات ته ریــز که توسط هیدروسیکلون ها حاصل مــی شود بندرت از 50-45% حجمی با توجه به اندازه و طراحی واحد، شرایط عملیاتی و ماهیت جامداتی که جدا شده اند ، فزونی می یابد.

فصل اول:

اصول اندرکنش ذره- سیال:

در این فصل به اصول دینامیک ذره که با افزایش مقیاس هیدروسیکلون  درگیر می باشند پرداخته شده است.

در این فصل ، با توجه به غلظت جامدات ، به دو بخش تقسیم می شود:

الف-  هنگامی که ذرات بسیار از هم دیگــر فاصله دارنــد و هــر کدام به تنهایی رفتار 

می کنند.

ب- هنگامی که غلظت بالاست اندرکنش ذره مهم می شود.

اندرکنش ذره- سیال در غلظت های کم

در غلظت های کم تر از حدود 5/0% حجمی ، ذرات انفرادی (مجزا) به طور متوسط به قدری از هم فاصله دارند که در هنگام حرکت از درون سیال ، روی هم دیگر تاثیر ندارند ؛ جدایش ذره با قرار دادن  نیرویی روی ذرات، حاصل خواهد شد؛ این نیرو باعث حرکت ذرات به سطحی است که در آن جا جدا خواهند شد؛ 

روش مرسوم بیان نیروی کششی ، FD  ، به وسیله ی فرمول نیون می باشد:

  (1-1)                                         

U         سرعت نسبی بین سیال و ذره ، p چگال سیال ،A مساحت نمایان  ذره( در جهت حرکت ذره ) , CD ضریب کششی (مقاومت) می باشد . برای ذرات درشتی که سریع حرکت می کنند ، نیوری کششی عمدتا به دلیل اینرسی سیال بوده و سپس CD ثابت می ماند. ذرات ریز آهسته تر حرکت می کنند و نیوری کششی به وسیله ی نیروهای ویسکوز تاثیر پذیر می شود . پس از ان ضریب کششی به عدد رینولدز ، Rep ، که جریان در اطراف ذره را مشخص می کند بستگی داشته و به وسیله ی رابطه  ی  زیر بیان می شود:

(1-2)                                  
که  گرانروی (ویسکوزیته) مایع و x قطر ذره می باشد. 

وابسنگی ضریب کششی ، CD ، به عدد رینولدز ، Rep ، برای ذرات کروی توپر را دریک رسم تمام لگاریتمی نشان می دهد . در عدد رینولدز کم، تحت شرایط جریان آرام وقتی که نیروهای ویسکوز غالب می شوند ، CD از نظر  تئوری با توجه به معادلات نویراستوکز محاسبه می شود و حل آن به قانون استوکز معروف می باشد:

           (1-3)                                        

شکل 1 ـ 1 ضریب کششی ( مقاومت ) بر حسب عدد رینولدز برای ذرات کروی

معادلات 1-1،1-2و 1-3 با هم ترکیب شده و شکل دیگری از قانون استوکز را به صورت زیر ، برای ، 2/0 < Rep ارائه می دهند:

(1-4)                                                                  

که به وسیله یک خط راست  در شکل 1-1 نشان داده شده است؛

در کاربرد هیدروسیکلون هایی که با جدایش ذرات دانه ریز ، که مشکل ترین ذرات برای جدا کردن می باشند، درگیر هستند، عددهای رینولدز اغلب کم تر از 2/0 به دلیل مقادیر کم u و x ، می باشند ، بنابراین فرض قانون استوکز در اینجا مناسب است.

سرعت سقوط شعاعی در یک هیدروسیکلون بر اثر شتاب گریز از مرکز می باشد که با توان دوم سرعت مماسی ذره متناسب بوده و به طور غیر مستقیم با شعاع  موقعیت ذره تناسب دارد. چون حرکت مماسی ذره با مخالفت مواجه نمی شود ، سرعت مماسی ذره مساوی مولفه های مماسی سرعت سیال  در همان نقطه درنظر گرفته می شود .

Stk عدد استوکز می باشد که نیروهای اینرسی (منهای غدطه وری) و نیروهای هیدرودینامیکــی روی ذره را با هم مرتبط مــی کند و به صورت زیــر تعریف می شود:

گروه بدون بعد مهم دیگری در مشخص کردن ویژگی های کارایی هیدروسیکلون ضریب مقاومت می باشد و به صورت زیر بیان می شود:

هنگامی که جدایش به وسیله ی غلظت خوراک جامدات تاثیر پذیر می شود، غلظت به عنوان یک کسر حجمی گروه بدون بعد مهم دیگری تلقی شده و جدایش ممکن است به وسیله ی نسبت ته ریز ظرفیت تاثیر پذیر شود:

که U دبی حجمی ته ریز و Q  دبی خوراک  میباشد . نهایتا گروه بدون بعدی که نیروهای  ثقلی و اینرسی را به هم مرتبط می کند ، عدد فراد می باشد.

رفتار تعلیق ها

با افزایش غلظت جامدات در تعلیق ، فاصله بین ذرات کاهش می یابد  ذرات با هم برخورد می کنند . اگر ذرات به طور یکنواخت در تمام تعلیق پراکنده نشوند ، تاثیر کل ، ممکن است افزایش خالص سرعت ته نشینی  باشد؛ چون جریان  برگشتی  به ذلیل جا به جایی حجمی در نواحی ای که ذرات پراکنده شده اند غالب خواهد شد، این به " تشکیل خوشه" معروف  است . در اکثر عملیات ، تعلیق هایی که درات اندازه های مشابهی ندارند ، خوشه ها برای مدت  طولانی  دوام نمی آورند تا تاثیری بر رفتار ته نشینی داشته باشند و سرعت  ته نشینی به طور یکنواخت بع افرایش غلظت به دلیل این که جریان برگشتی به طور یکنواخت  پراکنده شده است کاهش می یابد.

این رفتار "سقئط با مانع"  معروف بوده و به سه روش مختلف به دست می آید:

• به عنوان تصحیح قانون استوکز با وارد کردن یک ضریب افزایشی
• به وسیله اختیار کردن  خواص "ظاهری" که از خواص مایع خالص متفاوت باشد.
• از طریق انبساط یک بستر ثابت از یک قسمت اصلاح شده ی معاله ی معروف کارمن - کوزنی.

بنابراین می توان گفت که هر سه روش فوق نتایج اساسی مشابهی به شکل زیر ایجاد می نمایند:

که uh سرعت سقوط  با مانع ذره ، u1 سرعت سقوط آزاد ، سقوط بدون مانع ،  کسر حجمی سیال(تخلخل) و( f( یک ضریب تخلخل است که مــی تواند شکل های مختلفی داشته باشد. رایج ترین و وسیع ترین استفاده ی ضریب تخلخل معادله ی ریچاردسون و زکی به صورت زیر است.

که k ثابت برای یک سیستم ویژه و c غلظت حجمی جامدات است؛

فصل دوم

جریان سیال و حرکت ذره در یک هیدروسیکلون

عمل جداسازی هیدروسیکلون ها بر مبنای تاثیر نیروه های گریز از مرکز که درون بدنه ی هیدروسیکلون تولید می شوند، استوار است. به هر حال ، برخلاف گریز از مرکزهای ته نشین  کننده، هیدروسیکلون ها بخش خای دورانی ندارند و جریان  حلقوی  لازم توسط  پمپاژ سیال به طور مماسی درون بدنه ی استوانه ای – مخروطی ساکن تولید می شود. شکل 2-1 نمودار شماتیک یک هیدروسیکلون با طرح رایج  را نشان می دهد؛ قسمت فوقانـــی بخش استوانه ای ، یه ویسله ی درپوشی پوشانـده شده است .

 که از طریق آن لوله ی مایع سرریز (اغلب دیافراگم  نامیده می شود) تا مسافتـی وارد داهل بدنه ی سیکلون می شود  ته ریز، که اکثر جامدات را حمل می کند از حفره ای   که در راس  مخروط قرار دارد، سیکلون را ترک می نماید.

مایع از طریق یک وروردی مماسی که ممکن است، سطح مقطع ان دایره ای یا مربع مستطیلی باشد و تا جایــی که محدودیت های طراحی عملیاتی اجازه دهند در نزدیکـی درپوش فوقانـی جا داده شده و به درون هیدروسیکلون وارد می شود.

به جـز در ناحیه درونـی و اطراف مجرای ورودی مماسی ، حرکت سیال درون بدنه ی سیکلون تقارن دایره ای دارد و به طور شماتیک در شکل 2-2 نشان داده است  بیشتر سیالی که وارد سیلکون می شود با جریان مارپیچی به داخل قسمت بیرونی مخروط معکوس ، جایی  که آن از همه طرف به سمت مرکز هیدروسیکلون  خوراک دهــی می شود، حرکت مــی کند در حالی که باقی مانده ی جریان جهت عمودی  خود را معکوس نموده و از طریق جریان مارپیچی  داخلــی به سمت بالا حرکت می کند و از ناحیه ی دیافراگـم سیلکون را ترک می کند.

شکل 2 ـ 2 چشم انداز یک هیدروسیکلون که جریان

گردایی را در داخل آن به طور شماتیک

نشان می دهد.

در قسمت فوقانی بخش استوانه ای ، یک الگوی جریانی ثانویه ای وجود دارد که در سرتاسر پوشش  بالایی به سمت قاعده ی  دیافراگم و در طول دیواره ی بیرونی لوله حرکت مــی کند و در نهایت به سیال  باقی مانده در سرریــز ملحق می شود، این جریان ثانوی "مدار ثانوی" "مدار کوتاه" به دلیل وجود درپوش سیلکون و دیواره ی بیروی دیافراگم می باشد که سرعت دورانی  را در نزدیکی آن کاهش می دهد و بنابراین نواحی کم مقاومت در برابر جریان از نواحی بیرونی با فشار زیاد  به سمت نواحی با فشار کم به وجود می آید. 

شکل 2- 3نمودار ساده ی جریان های  محوری و شعاعی در یک  هیدروسیکلون رایج را نشان می دهد : مدار کوتاهی  که در بالا  به آن اشاره شد. به وضوح  دیده می شود . هم چنین  یک یا چند  جریان گردابی چرخشی وجود دارند که "کلاهک"  نامیده شده  و درشکل 2-3 علامت گذاری شده است . کلاهک نقش  نگه دارنده را بین جریان حلقوی  بیرونی که به سمت پایین و جریان  حلقوی  درونــی که به سمت  بالا حرکت می کنند ایفا مــی کند  . جریان های ردیابی کلاهک از هر گونه جریان شعاعی از داخل سطح استوانه ای در داخل جریان جلوگیری می کند که در این بخش در این مورد بیشتر بحث خواهد شد.

 ویژگی مهم  دیگر جریان در هیدروسیکلون ، تشکیل ستون هوای مرکزی می باشد . جریان  قوی  حلقوی ناحیه ی کم فشاری  در مرکز  به وجود می اورد که معمولا به تشکیل سطح آزاد مایع  در حال  دوران  منجر شده که به شکل استوانه است  و در تمام طول سیکلون برقرار می باشد. اگــر یکی از خروجی ها یا هر دو مستقیماً به هوای بیرون متصل شوند، ستون پر از هوا می شود . هر گونه گاز پخش شده یا حتی  حل  شده ی موجود  در سیال ورودی  نیز به این ستون مرکزی  که ممکن است حتی  هنگامی که خروجی ها به هوای بیرون متصل نشده باشند ، وارد شود. به وسیله فشار برگشتی   متوقف شود . ستون  هوا یک پدیده ی کاملا  مطلوبی است و بیان گر پایداری جریان حلقوی ]3[ می باشد و باید به صورت مناسبی مستقیم بوده و قطر آن در تمام طول سیکلون ثابت باشد.

3 ـ 1. توزیع سرعت ها و فشارها

سرعت جریان در یک هیدروسیکلون  معمولا به سه مولفه تجزیه می شود: مماسی ، محوری و شعاعی . اطلاعات درباره ی توزیه سرعت ها در داخل جریان برای برقرار نمودن مدل تئوریکی فرآیند جدایش و مسلما در اصل، برای شبیه سازی مسیرهای پرتابی ذرات که از ان ممکن است پیش بینی های بازدهی تئوریکی حاصل شود، مهم می باشد.

بر اثر جریان حلقوی در هیدروسیکلون ، فشار ساکن به طور شعاعی به سمت بیرون افزایش می یابد ."این فشار  ساکن گریز از مرکز" اساسا توسط توزیع شرعت های مماسی سیال درون جریان به دست می اید و سهم عمده ای در افت فشار کل در سرتاسر یک هیدورسیکلون در حال عملیات ، دارد.

بنابــراین ، نتجه مــی گیریم که توریع سرعت های مماسی از اندازه گیـــری های ساده ی  فشار ساکن شعاعی محاسبه می شود . این ایده در مطالعات اولیه ی توزیع سرعت های مماسی در جـریان مایع صاف وجود داشت . در ایــن ] 36[  اولین کسی بود که رابطه ای بین سرعت مماسی ، vt ، و توزیع فشار شعاعی با فرض این که مولفه ی سرعت شعاعی نسبت به مولفه ی مماسی قابل چشم پوشی است، به صورت زیر به دست آورد:

( 2 ـ 1 )                                                 

رابطه ی فوق برای محاسبه ی سرعت های مماسی با توجه به اندازه گیری هی فشار ساکن در مکان های مختلف در هیدروسیکلونی که با مایعات صاف در حال عملیات می باشد، مورد استفاده قرار می گیرد.

     توزیع سرعت مماسی ای با اندازه گیری های مستقسم جریان توسط کلسال مورد تایید قرار گرفت. کار کلسال به طور وسیع پذیرفته شده است و نتایج آن در شکل های 2-4   ، 2-5، 2-6   به طور کیفی ارائه شده اند اندازه گیری های او بر مبنای اشباع کردن جریان آب صاف با ذرات دانه ریز آلومینیوم و با استفاده از میکـروسکوپ چشمــی مجهز به عدسی های شیئی درانــی استوار بودند. مولفه های سرعت مماسی در مکان های منتخب درون  یک هیدروسیکلون شفاف به قطر mm 76 مستقیماً  اندازه گیری شدند . مولفه های سرعت عمودی با اندازه گیری شیب مسیرهای  ذرات ، نسبت به سطح  افقی به دست آمدند و مولفه های سرعت  شعاعی آب از مطالعه ی پیوستگی محاسبه شدند. طراحی سیکلون کلسال تا حدودی منحصر به فرد می باشد؛ زیرا دیواره ی سیکلون تا مسافتی بالاتر از قسمت تحتانی (قاعده)  دیافراگم مخروطی بوده  و در قسمت استوانه ای سیکلون اندازه گیری ای صورت نگرفته است .

شکل 2 ـ 4 . توزیع سرعت مماسی در یک

هیدروسیکلون [ 37 ]

شکل 2 ـ 5 . توزیع سرعت عمودی 

( محوری ) در یک هیدروسیکلون . LZVV 

مکان سرعت قائم صفر می باشد .

شکل 2 ـ 6. توزیع سرعت شعاعی در یک هیدروسیکلون [37]

2 ـ 2 . حرکت ذره در یک هیدروسیکلون

 اگــر ذرات یا قطرات همـراه جریان وارد هیدروسیکلون شوند و چگالی آن ها از چگالی مایع تعلیق کننده متفاوت باشد، به دلیل تاثیرات گریز از مرکز که به وسیله ی سیال در حال دوران ، تولید می شود جدا خواهند شد. در اینجا فرض بـر این است که ذرات سنگین تـــر از سیال می باشند و بنابـــراین  به طور شعاعــی به سمت بیرون حرکت می کنند ؛ حالتــی که معمولا کم تر اتفاق می افتد  جدایش ذرات سبک تر از سیال است که به طور جـداگانه بررسی می شود و آن  هنگامــی است که هیدروسیکلون ها برای جــدایش مایع از مایع  به کار برده می شوند.

هنگام ورود ، افشانه ی مغشوش خوراک به صورت گلاب به درون  گرداب داخل بخش استوانه ای وارد می شود و به احتمال  قوی  مخلوط بسیار مغشوش حاصله ذرات  را در سرتاسر سطح مقطعی که برای  جریان موجود می باشد ، پخش خواهد کرد. اطلاعات اندکی درباره ی دفتار مایع در مجاورت افشانه ی ورودی  وجود  دارد . اکثر تلاش های تئوریکی برای محاسبه ی مسیرهای پرتابی ذره ، این بخش  از سیلکون را به عنوان ناحیه ی اولیه ی جدایش مورد توجه قرار می دهد  و فرض می کند غلظت جامدا را به عوان  ناحیه ی اولیه ی جدایش مورد توجه قرار می دهد و فرض می کند  غلظت  جامدا در داخل آن یکنواخت  باشد.

فرایند جدایش بعدی به دو مرحله که اهمیت یکسانی دارند تقسیم می شود:

• جداسازی جامدات از کل جریان اصلی به درون لایه ی مرزی روی دیوار، 
• جداکردن جامدات جدا شده از دیواربه داخل  راس  و خارج از سیکلون

 بخش کوچکــی از جریان ، زیــر درپوش فوقانی ، جریان متقاطع تشکیل می دهد و همان طوری که در بخش  قبلی توضیح داده شد ، گرداب را میان بُر می زند و تمام ذرات در ان جریان  مسقیما وارد سرریز می شوند. به هر حال اکثر جامدات ، به درون جریان گردابی بیرونی می روند و بنابراین تحت تاثیر نیروی گریز از مرکزی که آن ها را به طور شعاعی به طرف  دیواره می فرستند قرار می گیرند. نیروی گریز  از مرکــز( متناسب با حجم ذره ) به وسیله ی نیروی  کششی ( که با توجه  به قانون استوکز با اندازه ی  ذره متناسب می باشد) ممانعت  شده و در نتیجه  سرعت ته نشینی به اندازه ی ذره بسیار  وابسته خوهد  بود. بنابراین ذرات بزرگ ،‌آسانتر از ذرات دانه ریز ، که ممکن است زمانی که جریان حلقوی بیرونی به مخروط  می رسد  به لایه ی مرزی نرسد ، ته نشین شوند. این دلیل اولیه ی وابستگی ماهیت کارآیی هیدروسیکلون به اندازه ی ذره می باشد.

چون مخالفتی نسبت به حرکت ذره در جهات محوری و مماسی به وسیله ی هیچ کدام از نیروها وجود ندارد ، معمول فرض می شود که مولفه های سرعت در آن جهات ، مساوی مولفه هی سرعت جریان مربوطه باشد. مدل کردن مسیرهای پرتابی در ناحیه ی جریان حلقوی بیرونی امکان پذیر است. زمانی که جریان حلقوی بیرونی به ته مخروط می رسد به همراه ذرات دانه ریزی که هنوز در ان باقی مانده اند ، در عرض به داخل جریان حلقوی بیرونی تغذیه می گردند. بعضی از ذرات دانه ریز ممکن است هنوز  قادر  باشند  از ان فرار کنند و به جریان  حلقوی بیرونی ملحق شوند . این عمل باعث چرخش مقدار معین ذرات جامد  خواهد شد و بعضی از ذرات دانه ریز، سیکلون را از طریق سرریز  ترک خواهند کرد . فرض  بر این  است که جریان حلقوی درونی از نوع حلقوی اجباری باشد و حرکت ذره در این جریان نیز بتواند شبیه سازی شود.

 ذراتــی که جدا شده و به درون لایه ی مرزی راه یافته اند همراه لایه ی مرزی به طرف راس مخروط حرکت می کنند . برخلاف نظریـه ی عمومی ، جاذبه ی ثقلی تاثیری روی جداسازی در هیدروسیکلون ها (به استثنای واحدهای بزرگ) یا روی جداسازی جامدات به درون راس ندارد؛ بلکه خود جریان است.

 متأسفانه ، تضمیمی وجود ندارد تا ذراتی  که جدا شده اند و به درون جریان  لایه ی مرزی رفته اند  از طریق ته ریز سیکلون را ترک نمایند و ممکن است پدیده ی ترکیدن مغشوش ]45[ بعضی از ذرات را دوباره  به درون جریان  اصلی حمل  کند . احتمال دارد علاوه بر این ، لایه مرزی بیش از حد دارای ذرات شود و متورم گردد و اگر میزان ته ریز به طور مناسب برای کنار آمدن با این تورم  افزایش نیابد. بخشی از جریان لایه ی مرزی با جریان حلقوی  اصلی مخلوط شده و از طریق سرریز سیکلون را ترک می کند؛

فصل سوم

انواع هیدورسیکلونهای&nb