پایان نامه اصول طراحی هیدروسیکلون های جداکننده جامد ازمایع درآب و فاضلاب

پایان نامه مقطع کارشناسی

رشته پتروشیمی

سال 1385

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 چندین دهه 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 استوانه ای سیکلون تولید شده ، استواراست . جریان خوراک (باراولیه) که معمولا به طور مماسی وارد سیکلون شده به ته ریز[1] و اکثر جامدات را حمل می کند یا حداقل بخش دانه درشت تر که هنوز در مقداری مایع معلق می باشند و سرریز[2] 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 می کنند. غلظت جامدات ته ریز که توسط هیدروسیکلون ها حاصل می 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.

  -1  underflow

[2] -overflow

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 دیگر فاصله دارند و هر 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 [1] 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 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 هیدرودینامیکی روی ذره را با هم مرتبط می کند و به صورت زیر 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 افزایشیبه 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[2].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 می تواند شکل های مختلفی داشته باشد. رایج ترین و وسیع ترین استفاده ی ضریب تخلخل معادله ی ریچاردسون و زکی به صورت زیر است.

[1] -Projected  area

[2] -carman -kozeny

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 [1] 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 فوقانی بخش استوانه ای ، یه ویسله ی درپوشی پوشانده شده است .

 که از طریق آن لوله ی مایع سرریز (اغلب دیافراگم [2] نامیده می شود) تا مسافتی وارد داهل بدنه ی سیکلون می شود  ته ریز، که اکثر جامدات را حمل می کند از حفره ای   که در راس [3] 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 جایی که محدودیت های طراحی عملیاتی اجازه دهند در نزدیکی درپوش فوقانی جا داده شده و به درون هیدروسیکلون وارد می شود.

به جز در ناحیه درونی 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 دهی می شود، حرکت می کند در حالی که باقی مانده ی جریان جهت عمودی  خود را معکوس نموده و از طریق جریان مارپیچی  داخلی به سمت بالا حرکت می کند و از ناحیه ی دیافراگم سیلکون را ترک می کند.

[1] - vorex

[2] - vorex  finder

[3] - apex

منابع وماخذ :

1.  Hydrocyclones . L.S.varovsky

2.  E.Bretney(1981)U.S.Patent No.453,105

3.  A.Jowett(1963)Colliery Eng.40,423,427

4.  K.R.Gibson(1977)Powder Technol.18,165,170