Ашурметов У.К., Казиев М.Т.
Южно-Казахстанский государственный
университет им. М. Ауезова, г.Шымкент, Казахстан
КРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТОТА
ЗАКРУЧИВАНИЯ ВИХРЯ ПРИ РАБОТЕ
ВИХРЕВОГО РАЗДЕЛИТЕЛЯ
Работа вихревого разделителя [1] основана
на создании в центре объёма разделяемой неоднородной жидкости (суспензии,
эмульсии, коллоидного раствора) вихря. Созданный вихрь включает в работу три
фактора разделения. Это вязкостный фактор, гравитационный и центростремительную
силу. При вращении вихря в центре разделителя создаётся зона с пониженным
давлением и интенсивным движением. В неё будут затягиваться тяжёлые и вязкие
компоненты. Ценность такого вихревого
разделителя состоит в том, что в нём можно разделять и коллоидные смеси, например,
сырую нефть. Картина течения жидкости в аппарате имеет вид, показанный на
рисунке 
Рисунок 1. Картина течения жидкости в
аппарате
1 – закручивающий полый вал; 2 – корпус разделителя; 3 – разделяемая
жидкость.
При закручивании вихря в центре объёма нельзя допускать
возникновения там процесса кавитации [2]. Процесс кавитации приведёт к
нарушению равномерности закручивания и быстрому разрушению воронкообразных
тарелок из-за схлопывания кавитационных пузырьков. Кавитация может возникнуть,
при недопустимо большой частоте вращения закручивающего полого вала. Так,
например, при увеличении частоты вращения полого вала скорость течения жидкости
по круговым орбитам возрастает. Причём максимальное значение она имеет у
поверхности закручивающего полого вала. Как только скорость достигнет
критического значения, при котором давление во вращающейся жидкости упадёт до
давления насыщенных паров соответствующих данной температуре жидкости, в
жидкости начинается кавитация. В этот момент жидкость начинает рваться с
образованием паровых пузырьков. Пузырьки, всплывая в зону медленного движения,
начинают схлопываться. При схлопывании возникают скачки давления до 300 атм.
Схлопывание пузырьков вблизи поверхности тарелок приводит к их разрушению.
Критическую скорость движения, при которой
возникает кавитация, можно оценить, используя уравнение Бернулли. Для нашего
разделителя это уравнение записывается в следующем виде
Р +
(ρ∙υ2)/2 = Р0 (1)
где: Р
– статическое давление в жидкости, Па;
ρ – плотность жидкости,
кг/м3; υ – скорость движения жидкости, м/с; Р0 – давление в аппарате, Па.
Комплекс
(ρ∙υ2)/2 выражает динамический или скоростной напор в
линиях тока вращающейся жидкости.
В вихревых разделителях промышленного
размера диаметр закручивающего полого
вала будет изменяться в пределах
от 100
до 300 мм. Оценим, при каких оборотах
закручивающего полого вала во вращающейся жидкости возможно возникновение кавитации.
Примем, что температура жидкости равна 20 0С. Этой температуре
соответствует давление насыщенных паров Рн
= 2380 Па [3]. Разделитель будет работать при атмосферном давлении т.е. Р0 = 1∙105
Па. Как было отмечено выше кавитация наступает в момент, когда Р станет равной Рн т.е. Р = Рн. Используя уравнение (1)
можно найти при какой скорости наступит эта ситуация.
Окружная скорость вала связана с числом
оборотов вала следующим уравнением
υ
= (n∙π∙D)/60 (2)
где: n – число оборотов вала, об/мин; D –
диаметр закручивающего вала.
Примем, что диаметр вала равен D = 100 мм (
0,1 м). Тогда число оборотов, при котором в жидкости возникнет кавитация можно
найти из уравнения (2).
n =
(υ∙60)/ (π∙D) = (13,98∙60)/(3,14∙0,1) = 2671,3 об/мин
Если диаметр вала равен D = 300 мм (0,3 м) то
n = (υ∙60)/ (π∙D) = (13,98∙60)/(3,14∙0,3) = 890 об/мин
Таким образом, при конструировании
вихревого разделителя с диаметром закручивающего вала D =
100 мм частота вращения вала не должна превышать 2670 об/мин, а при D = 300 мм
не должна превышать 890 об/мин.
Литература
1.
Казиев М.Т., Шалбаев К.К. Гравитационно-вязкостный разделитель нефти. – Алматы,
КБТУ, «Проблемы инновационного развития нефтегазовой отрасли», 2006, 66-67с.
2.
Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. Общий курс. – М.: Наука, 1964.-816с.
3.
Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и
аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1981. -560с.