پایان نامه اصول طراحی هیدروسیکلون های جداکننده جامد از مایع درآب و فاضلاب
پيشگفتار
گرايشي به هيدروسيكلون ها، مخصوصا در مهندسي شيمي و صنعت نفت ، به وجود آمده است كه به چندين عامل بستگي دارد :
- اطلاعات مفيدي در مورد سودمند بودن هيدر.سيكلون ها در كاربردهاي خارج از كانه آرايي در مهندسي شيمي و ديگر شاخه هاي مهندسي كسب شده است.
- احياء مقوله ي هيدروسيكلون ضرورت جديدي است كه در صنعت نفت، مخصوصا در درياي شمال، به وجود آمده است . صنعت نفت براي جدا كردن گاز، ماسه يا آب از نفت يا ترجيحا تمام اين مواد از هم ديگر در مرحله ي جداسازي ، به يك دستگاه كوچك ، قابل اطمينان و ساده احتياج دارد و به نظر مي رسد هيدروسيكلون ها قدرت انجام اين كار را داشته باشند و گفتني است كه علاقه به هيدروسيكلون ها در اين زمينه روبه افزايش است.
- توسعه ي روز افزون هيدروسيكلون و افزايش درك عمومي از آن ها موجب شده است كه امروزه اين دستگاه ها بيشتر از آنچه كه چنـــدين دهـــه قبل انجام مي دادند كارآيي داشته باشند.
مقدمه
اصول و طراحي اساسي هيدروسيكلون هاي رايج بيش از 10 سال قدمت دارد. ولي بعد از جنگ جهاني دوم در صنعت كاربرد قابل توجهي يافتند . اين دستگاه ها نخست، در كانه آرايي و معدن كاري مورد استفاده قرار گرفتند ولي اخيرا در صنايع شيميايي ، پتروشيمي ، توليد برقف صنعت نساجي ، صنعت فلز كاري و بسياري صنايع ديگر به خوبي پذيرفته شده اند و كاربرد آن ها در حال گسترش است.
موارد كاربرد هيدروسيكلون عبارتند از: تصفيه ي مايع ، تغليط گلاب ، شستشوي جامدات ، گاز زدايي مايعات ، طبقه بندي جامدات يا سنگجوري با توجه به چگالي يا شكل ذره.
هيدروسيكلون يك جدا كننده يثابت بر مبناي جدايش گريز از مركز كه در بدنه ي مخروطي ـ استوانه اي سيكلون توليد شده ، استواراست . جريان خوراك (باراوليه) كه معمولا به طور مماسي وارد سيكلون شده به ته ريز[1] و اكثر جامدات را حمل مي كند يا حداقل بخش دانه درشت تر كه هنوز در مقداري مايع معلق مي باشند و سرريز[2] كه اكثر مايع و بعضي از جامدات دانه ريز را داراست تقسيم بندي مي شود.
قطر سيكلون هاي انفرادي بين mm 10-5/2 متغير است. حد جدايش اكثر جامدات بين um 250-2 متغير است . دبي (ظرفيت) واحدهاي انفرادي در بين m3h-17200-1/0 مي باشد . افت فشارهاي عملياتي بين bar 6-34/0 تغيير مي كند .
واحدهاي كوچك تر معمولا نسبت به واحدهاي بزرگ تر در فشار بالاتري عمل مــي كنند. غلظت جامدات ته ريــز كه توسط هيدروسيكلون ها حاصل مــي شود بندرت از 50-45% حجمي با توجه به اندازه و طراحي واحد، شرايط عملياتي و ماهيت جامداتي كه جدا شده اند ، فزوني مي يابد.
فصل اول:
اصول اندركنش ذره- سيال:
در اين فصل به اصول ديناميك ذره كه با افزايش مقياس هيدروسيكلون درگير مي باشند پرداخته شده است.
در اين فصل ، با توجه به غلظت جامدات ، به دو بخش تقسيم مي شود:
الف- هنگامي كه ذرات بسيار از هم ديگــر فاصله دارنــد و هــر كدام به تنهايي رفتار
مي كنند.
ب- هنگامي كه غلظت بالاست اندركنش ذره مهم مي شود.
اندركنش ذره- سيال در غلظت هاي كم
در غلظت هاي كم تر از حدود 5/0% حجمي ، ذرات انفرادي (مجزا) به طور متوسط به قدري از هم فاصله دارند كه در هنگام حركت از درون سيال ، روي هم ديگر تاثير ندارند ؛ جدايش ذره با قرار دادن نيرويي روي ذرات، حاصل خواهد شد؛ اين نيرو باعث حركت ذرات به سطحي است كه در آن جا جدا خواهند شد؛
روش مرسوم بيان نيروي كششي ، FD ، به وسيله ي فرمول نيون مي باشد:
سرعت نسبي بين سيال و ذره ، p چگال سيال ،A مساحت نمايان [3] ذره( در جهت حركت ذره ) , CD ضريب كششي (مقاومت) مي باشد . براي ذرات درشتي كه سريع حركت مي كنند ، نيوري كششي عمدتا به دليل اينرسي سيال بوده و سپس CD ثابت مي ماند. ذرات ريز آهسته تر حركت مي كنند و نيوري كششي به وسيله ي نيروهاي ويسكوز تاثير پذير مي شود . پس از ان ضريب كششي به عدد رينولدز ، Rep ، كه جريان در اطراف ذره را مشخص مي كند بستگي داشته و به وسيله ي رابطه ي زير بيان مي شود:
(1-2)
كه گرانروي (ويسكوزيته) مايع و x قطر ذره مي باشد.
وابسنگي ضريب كششي ، CD ، به عدد رينولدز ، Rep ، براي ذرات كروي توپر را دريك رسم تمام لگاريتمي نشان مي دهد . در عدد رينولدز كم، تحت شرايط جريان آرام وقتي كه نيروهاي ويسكوز غالب مي شوند ، CD از نظر تئوري با توجه به معادلات نويراستوكز محاسبه مي شود و حل آن به قانون استوكز معروف مي باشد:
شكل 1 ـ 1 ضريب كششي ( مقاومت ) بر حسب عدد رينولدز براي ذرات كروي
معادلات 1-1،1-2و 1-3 با هم تركيب شده و شكل ديگري از قانون استوكز را به صورت زير ، براي ، 2/0 < Rep ارائه مي دهند:
(1-4)
كه به وسيله يك خط راست در شكل 1-1 نشان داده شده است؛
در كاربرد هيدروسيكلون هايي كه با جدايش ذرات دانه ريز ، كه مشكل ترين ذرات براي جدا كردن مي باشند، درگير هستند، عددهاي رينولدز اغلب كم تر از 2/0 به دليل مقادير كم u و x ، مي باشند ، بنابراين فرض قانون استوكز در اينجا مناسب است.
سرعت سقوط شعاعي در يك هيدروسيكلون بر اثر شتاب گريز از مركز مي باشد كه با توان دوم سرعت مماسي ذره متناسب بوده و به طور غير مستقيم با شعاع موقعيت ذره تناسب دارد. چون حركت مماسي ذره با مخالفت مواجه نمي شود ، سرعت مماسي ذره مساوي مولفه هاي مماسي سرعت سيال در همان نقطه درنظر گرفته مي شود .
Stk عدد استوكز مي باشد كه نيروهاي اينرسي (منهاي غدطه وري) و نيروهاي هيدروديناميكــي روي ذره را با هم مرتبط مــي كند و به صورت زيــر تعريف مي شود:
گروه بدون بعد مهم ديگري در مشخص كردن
ويژگي هاي كارايي هيدروسيكلون ضريب مقاومت مي باشد و به صورت زير بيان مي شود:
هنگامي كه جدايش به وسيله ي غلظت خوراك جامدات تاثير پذير مي شود، غلظت به عنوان يك كسر حجمي گروه بدون بعد مهم ديگري تلقي شده و جدايش ممكن است به وسيله ي نسبت ته ريز ظرفيت تاثير پذير شود:
كه U دبي حجمي ته ريز و Q دبي خوراك ميباشد . نهايتا گروه بدون بعدي كه نيروهاي ثقلي و اينرسي را به هم مرتبط مي كند ، عدد فراد مي باشد.
رفتار تعليق ها
با افزايش غلظت جامدات در تعليق ، فاصله بين ذرات كاهش مي يابد ذرات با هم برخورد مي كنند . اگر ذرات به طور يكنواخت در تمام تعليق پراكنده نشوند ، تاثير كل ، ممكن است افزايش خالص سرعت ته نشيني باشد؛ چون جريان برگشتي به ذليل جا به جايي حجمي در نواحي اي كه ذرات پراكنده شده اند غالب خواهد شد، اين به ” تشكيل خوشه” معروف است . در اكثر عمليات ، تعليق هايي كه درات اندازه هاي مشابهي ندارند ، خوشه ها براي مدت طولاني دوام نمي آورند تا تاثيري بر رفتار ته نشيني داشته باشند و سرعت ته نشيني به طور يكنواخت بع افرايش غلظت به دليل اين كه جريان برگشتي به طور يكنواخت پراكنده شده است كاهش مي يابد.
اين رفتار “سقئط با مانع” معروف بوده و به سه روش مختلف به دست مي آيد:
- به عنوان تصحيح قانون استوكز با وارد كردن يك ضريب افزايشي
- به وسيله اختيار كردن خواص “ظاهري” كه از خواص مايع خالص متفاوت باشد.
- از طريق انبساط يك بستر ثابت از يك قسمت اصلاح شده ي معاله ي معروف كارمن – كوزني[4].
بنابراين مي توان گفت كه هر سه روش فوق نتايج اساسي مشابهي به شكل زير ايجاد مي نمايند:
كه uh سرعت سقوط با مانع ذره ، u1 سرعت سقوط آزاد ، سقوط بدون مانع ، كسر حجمي سيال(تخلخل) و( f( يك ضريب تخلخل است كه مــي تواند شكل هاي مختلفي داشته باشد. رايج ترين و وسيع ترين استفاده ي ضريب تخلخل معادله ي ريچاردسون و زكي به صورت زير است.
كه k ثابت براي يك سيستم ويژه و c غلظت حجمي جامدات است؛
فهرست مطالب
عنوان صفحه
پیشگفتار 1
مقدمه 2
فصل اول
اصول اندرکنش ذره – سیال 4
رفتارتعلیق ها 7
فصل دوم
جریان سیال وحرکت ذره دریک هیدروسیکلون 9
توزیع سرعت ها وفشارها 12
فصل سوم
انواع هیدروسیکلون های موجود 19
تغییرات درطرح اولیه 19
سیکلون های مخصوص جدایش مایع ازمایع 28
انواع روزنه های تخلیه 32
فهرست مطالب
عنوان صفحه
آرایش چند سیکلونی 35
فصل چهارم
نصب وعملیات هیدروسیکلون ها 42
عملیات وکنترل هیدروسیکلون 46
افت فشارودبی 47
افت فشاردرغلظت های زیاد 49
تاثیرات کنترل ته ریز 50
فصل پنجم
تاثیرات متغیرهای طراحی 54
پرداخت درونی ،زبری دیوارها 55
تاثیرات قطردیافراگم 57
تاثیرات روی ستون هوا 60
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل ششم
بازدهی جدایش 61
بازدهی ابعادی کاهش یافته 63
فصل هفتم
انتخاب هیدروسیکلون 65
بهینه سازی بین شرایط عملیاتی وهزینه اقتصادی وبیان نظریه های موجود درمورد عوامل موثردرطراحی 79
منابع وماخذ 91
ضمائم
پایان نامه اصول طراحی هیدروسیکلون های جداکننده جامد از مایع درآب و فاضلاب