Для отправки ваших публикаций, пожалуйста, зарегистрируйтесь.

Если Вы уже зарегистрированы, то авторизуйтесь на сайте.


  1. Вход или регистрация
  1. Подписка

Проектирование универсальных реосепараторов
19 декабря 2013             

Назаров С. В., СКБ Мостогруп; Назаров В. В., ОГУ (г. Оренбург), e-mail: reonaz.v.v@yandex.ru
 

Анализ недостатков существующего метода проектирования

 
Разработка наиболее распространённой, применяемой во всех областях производства, технологии центробежного разделения того или иного раствора на фракции базируется на сложной системе подготовительных операций:
  • изучение основных свойств подвергаемого сепарированию материала и определение возможности применения закона Стокса для данного раствора;
  • выбор технологических характеристик, определяющих процесс переработки;
  • подготовка продукта к переработке в целях придания ему свойств, обеспечивающих наибольшую производительность машин и высокое качество разделения;
  • выбор подходящих центробежных реосепараторов (ЦРС) из существующего модельного ряда машин (при таком выборе ЦРС может не проходить по какому-либо параметру, например, по положению питающих каналов на границе раздела фаз);
  • настройка имеющегося оборудования;
  • проектирование, изготовление и испытание новых реосепараторов или реоцентрифуг, предназначенных для переработки новых материалов.
 
Выбор критериальных параметров, характеризующих устойчивость межтарелочных потоков, – следующая cтадия исследований. Они заключаются в решении математических задач методом подбора, включающим определение ширины конусных рабочих зазоров (КРЗ), высоты пакета тарелок и других основных, характеризующих процесс сепарирования, гидродинамических величин по известным технологическим, кинематическим и геометрическим параметрам, которые устанавливаются проектными заданиями [1].
 
Следующий этап – проверка рациональности выбранных предварительно условий, обеспечивающих эффективность процесса разделения, устойчивость межтарелочного потока, во время производственных испытаний.
 
Если эти условия не обеспечивают эффективность процесса реосепарации, то исходные данные корректируются и расчёт повторяется в той же последовательности. Трудоёмкость, приблизительность и неточность указанного выше способа проектирования центробежных реосепараторов очевидны, что требует дальнейшего его совершенствования.
 
Проектирование универсальных реосепараторовРис. 1. Приложение к заявке на изготовление нового ЦРС
Необходимость производства большого количества новых материалов пищевого и технического назначения требует создания специальных ЦРС для их переработки. Проектирование одной центробежной машины – трудоёмкий процесс. Это менее всего соответствует большим интеллектуальным, материальным и финансовым затратам, так как новый реосепаратор может быть приспособлен для переработки только одного или двух растворов.
 
При создании новых ЦРС о растворах, как о сырье, надо знать очень многое, т. к. они представляют собой многофазные, полидисперсные реологически сложные материалы-композиты. Сложность проектирования видна из рисунка 1, на котором дана информация о процессе разделения.
 
Её предоставляет заказчик новой техники проектировщику и изготовителю (компании "Alfa Laval") вместе с заявкой.
 
В своей массе ЦРС имеют незначительные конструктивные различия, т.к. они воспроизводят одну и ту же механику движения отделяемой частицы в жидкой среде в поле действия кориолисовых сил. Этот факт должен упрощать решение проблемы универсализации, но на практике этого нет.
 
Модельный ряд ЦРС только российского производства имеет более двухсот наименований. Использовать каждый из них для переработки большого количества разных по свойствам материалов без серьёзной переделки не всегда представляется возможным. Она заключается в изменении положения выводящих каналов, замене пакета тарелок с другим расположением питающих отверстий и т.д.
 
Обязательное условие реосепарации нескольких материалов на одном ЦРС:
  • жидкости должны относиться к одному классу;
  • быть близкими по вязкости;
  • иметь одинаковые по концентрации, дисперсному составу, плотности компоненты раствора.
 
Такое совпадение бывает редко.
 
Проектирование универсальных реосепараторовРис. 2. Приложение к заявке на поставки оборудования
Кроме вязкостных, жидкости обладают широким спектром пластических, упругих, прочностных свойств, присущих любому материальному телу. Эти свойства современная теория сепарирования не учитывает. Трудности проектирования вынуждают заказчиков приобретать не совсем пригодное серийное оборудование (например, рисунки 2 и 3).
 
Центробежные реосепараторы марки РТ-ОМ-4,6М для очистки и обезвоживания животных жиров предлагается конструкторами также использовать для очистки растительного масла. Реосепаратор маслоочистительной установки ПСМ1-3000 по паспортным данным предназначен для сушки (очистки от воды) и отделения механических примесей трансформаторных масел.
 
Он может использоваться также для очистки минеральных смазочных масел. Реосепаратор ОДВ, применяемый в химической промышленности, предназначен для очистки сточных вод, полиэлектролитов, минеральных масел, экстрактов в медицинской промышленности. Реосепаратор УОВ используется для переработки нефтепродуктов, моющих средств. Реосепаратор В5 (немецкая фирма "Humboldt Wedag") применяется для очистки сточных вод, отработанного масла, отходов химических производств.
 
Реосепаратор ДА-30 (фирма "Westfalia Separator") используется для переработки жиров и растительных масел. Фирма "Alfa Laval", изготовившая первое в мире центробежное устройство для сепарирования молока, выпускает сепараторы НШХ-420 для концентрирования дрожжей и разделения бактериальных суспензий в ферментной промышленности. Её высокоскоростные тарельчатые реосепараторы AlfaPure обеспечивают быструю трёхфазную сепарацию воды, масла и шламов, причём одновременно.
 
В техническом отношении ЦРС большой производительности сложны. Инструкции по их применению довольно подробны. Имеют иногда несколько десятков страниц, где даются технические данные, устройство и работа. Указываются возможные неисправности, причины возникновения и способы их устранения и т. д. Но вот в чём парадокс: для таких сложных в техническом отношении машин, имеющих сложные системы автоматики по слежению за работой различных узлов и деталей (приёмо-выводных устройств, механизмов выгрузки осадка и промывки барабана, подшипниковых узлов), контрольно-измерительные приборы давления, температуры, первый раздел инструкций "Назначение центробежного сепаратора" содержит всего одну-две строчки.
 
Сведения, приводимые здесь, очень расплывчаты и несут мало информации. Вот один пример. В паспортах молочных реосепараторов отечественного производства Ж5 и ОМ2-Е-С в этом разделе приводятся следующие слова: "Сепаратор с центробежной автоматической, периодической выгрузкой осадка предназначен для выделения взвешенных частиц из сепарируемой жидкости".
 
Далее в указаниях приводятся общеизвестные выдержки из учебников и справочной литературы по теории разделения. Данный вопрос не достаточно хорошо проработан, не выявлены все возможности этих машин.
 
Проектирование универсальных реосепараторовРис. 3. Приложение к заявке на поставки оборудования (продолжение рисунка 2)
Зная о возможностях, имеющихся у них реосепараторов с подробными инструкциями, технологическими картами и режимами переработки различных продуктов, потребители ограничили бы покупку новых. Без дополнительных затрат они смогут перейти на выпуск другого, более нужного, продукта. Уменьшится дефицит и снизится стоимость машин на единицу продукции. Главное здесь то, что конструкторская переделка не нужна.
 
Известный учёный, основоположник классической теории сепарирования Г. И. Бремер вместе с сотрудниками МИМЭСХ провёл исследования на предмет возможности использования молочных реосепараторов для очистки от воды и механических загрязнений разных нефтепродуктов, используемых в сельском хозяйстве и в промышленности [2]. Этим удлинялся срок службы смазочных масел в дизельных и газогенераторных установках. Предложены реконструкции (несложная переделка) молочных машин. Работающий по схеме концентратора молочный сливкоотделитель стал работать как кларификатор, в котором процесс отложения механических примесей задействован как основной. Здесь же предложена схема пурификаторной очистки нефтепродуктов с непрерывным отводом воды.
 
Мировая практика применения ЦРС нацелена на повышение рентабельности производства. Но универсальными и многоцелевыми большинство из реосепараторов назвать трудно.
 

Основные положения программы перестройки производства ЦРС

 
Сочетание центробежного способа воздействия с дополнительным механическим, термическим, электрическим, магнитным (некоторые из них применяются и сейчас), внедрение новых, регулирующих техпроцесс, параметров позволит настраивать эти машины на реосепарацию любых растворов-композитов.
 
Анализируя состояние отрасли сепараторостроения в Российской Федерации, можно наметить следующие пути перестройки производства и использования ЦРС [3]:
  1. Более глубокое изучение свойств материалов (в том числе новых) на предмет переработки их в разных существующих реосепараторах и реоцентрифугах, повышая тем самым эффективность использования и ограничивая конструктивное разнообразие машин.
  2. Цеховая доработка и совершенствование серийно выпускаемых центробежных машин, обеспечивающие возможности их многоцелевого применения.
  3. Перепрофилирование восстановленных, бывших в употреблении реосепараторов и реоцентрифуг различного уровня качества.
  4. Создание новых универсальных авто- и реосепараторов, выполняющих различные функции ранее созданных машин и приспособленных для переработки большого количества разных материалов.
 
Первый путь предполагает более глубокое изучение свойств перерабатываемых материалов, разработку дополнительных рекомендаций по режимам обработки разных продуктов, дополнение инструкций по эксплуатации ЦРС в новых условия. Проводимые здесь научные исследования не требуют больших капитальных вложений, но могут быть в ближайшее время реализованы и дать в большой экономический эффект.
 
Решается проблема сырья для многих отраслей промышленности и сельского хозяйства, увеличивается производство чистых пищевых и сверхчистых технических материалов. Всё это позволит значительно расширить сферу применения и эффективность использования старых машин, снизить дефицит ЦРС. По такому пути пошли производители реосепараторов ОДВ.
 
Второй путь на начальном этапе дополняет первый. Согласно рекомендациям, полученным на первом этапе, проводится комплектация изготовленных ЦРС дополнительными деталями, узлами или устройствами.
 
Например, барабан центробежного разделителя легко превратить в очиститель, если заменить у него в пакете нижнюю тарелку, преобразовав центральную систему питания КРЗ в периферийную.
 
В качестве дополнительного устройства можно приложить несложный и недорогой регулятор оборотов привода. Эти мероприятия позволят расширить функциональные возможности ЦРС и рынок сбыта.
 
Третий – продажа бывших в употреблении реосепараторов широко практикуется за рубежом (особенно машин средней и малой производительности). Потребитель может выбирать между реосепараторами и реоцентрифугами:
  • капитально отремонтированными;
  • после сервисного ремонта;
  • без какого-либо ремонта.
 
Такая практика использования отработавших свой срок ЦРС не нашла широкого распространения в национальной экономике России.
 
Четвёртый путь – работы, проводимые на стадии проектирования. Они посвящены вопросам повышения степени механизации и автоматизации процесса разделение жидкости (например, молока на сливки и обрат), отделения механических примесей (загрязнений) с помощью автосепараторов – машин с дополнительными, регулирующими технологический процесс, устройствами.
 
Согласно положению о критических технологиях федерального уровня, при условии господдержки, каждое из четырёх направлений "Программы перестройки производства и использования ЦРС" может быть реализовано в течение 5 лет.
 

Результаты исследований

 
Работы, проводимые нами в рамках программы перестройки производства ЦРС, дают возможность определиться с инновационными направлениями исследований. Одно из них – универсализация реосепараторов – позволяет разработать новые, более эффективные техпроцессы реосепарации [4] с помощью новых запатентованных машин. Разработанная нами реоцентрифуга (пат. № 2231043) способна перерабатывать жидкости любой вязкости, с любой концентрацией и плотностью дисперсной фазы и дисперсионной среды.
 
Простота её конструкции, которая заключается в отсутствии пакета конических тарелок, позволяет наладить производство машин средней и большой производительности на любом механическом заводе, а не только на специализированных сепараторных предприятиях. Число деталей в ней ограничено (рис. 4). Сюда входят:
  • корпус и основание барабана;
  • два уплотнения с двумя подшипниками;
  • две крышки;
  • конус;
  • кольцо затяжное;
  • втулка;
  • гайка с лимбом ширины КРЗ;
  • контргайка.
 
Описание конструкции и работа подробно даются в статье [4].
 
Проектирование универсальных реосепараторовРис. 4. Комплект деталей универсальной реоцентрифуги-очистителя
Реализация программы в промышленном масштабе позволит решить критически важную задачу, вывести сепараторостроение в России на мировой уровень, завоевать нишу на рынке сбыта конкурентоспособной продукции.
 
На основании теоретических исследований и предложенных технических решений приводим дополнения к общей методике проектирования универсальных центробежных реосепараторов малой производительности (ЦРСМП):
 
Вариант 1 – проектирование новых ЦРС:
 
1.1. Составление задания на проектирование, в котором заказчик определяет свойства исходного продукта, требуемое качество очистки и наименьшую производительность (нами предлагается более глубокое изучение реологических свойств сепарируемых продуктов с определением реологических моделей);
 
1.2. Определение вязкости заданного исходного материала с помощью поточных вискозиметров конусного типа (нами предлагаются конструкции приборов повышенной точности в связи с приближением процесса измерения к реальному процессу реосепарации, в том числе в КРЗ в режиме реального времени – а.с. № 1469316, а.с. № 1670534, пат. № 2149378);
 
1.3. Выбор типа (функционального назначения) устройства (исполнитель оценивает возможность использования принципиальной схемы реосепарации в КРЗ): разделитель, очиститель, ЦРС многоцелевого назначения и др. (нами предлагаются схемы реосепарации суспензий и эмульсий в цилиндрической, сферической и специальной системах координат, дополненные вектором скорости частицы жидкости в КРЗ, вызванной сдвигом потока в окружном направлении, позволяющие расширить функциональные возможности ЦРС) [5];
 
1.4. Определение основных геометрических параметров (тип барабана и его диаметр, ширина КРЗ, количество рабочих тарелок и высота пакета, угол конуса и т.п.) зоны сепарации (нами предлагаются: при использовании регулятора ширины КРЗ задавать пределы её изменения; при использовании сменных дистанционных колец учитывать пределы изменения числа тарелок в пакете и пределы изменения радиуса расположения границы раздела фаз) [4];
 
1.5. Определение основных кинематических (угловая скорость неразделённого пакета тарелок, разность угловых скоростей чётного и нечётного пакетов Δω, значения окружной и радиальной скоростей потока жидкости в КРЗ, значения окружной и осевой скоростей в центральном питающей трубке и шламовом пространстве), динамических (давление жидкости в барабане, момент вязкого трения, коэффициент сопротивления Аллена при обтекании твёрдой частицы жидкостью для вязкопластической реологической модели по методу Накано-Тьена и др.) и технологических (температура, вязкость раствора, критерий Гольдина λ, критерий Кибеля-Роccби-Гольдина ξ, критерий Рейнольдса Re и др.) параметров ЦРС (нами предлагается дополнение к методике расчёта кинематических, динамических и технологических параметров: скорости Стокса, окружной скорости потока жидкости в КРЗ, момента вязкого трения, напряжения сдвига слоёв жидкости в КРЗ, вязкости раствора, критерия Гольдина и критерия Кибеля-Роccби-Гольдина с учётом разности угловых скоростей вращения соседних конусов, реологической модели сепарируемого раствора и с учётом ограничений, которые задают геометрические размеры и прочность зубчатых колёс у регуляторов Δω; коэффициент сопротивления Аллена для переходного режима течения жидкости в КРЗ при больших значениях числа Рейнольдса рекомендуется определять по методу Фарарои-Кантнера,) [5];
 
1.6. Моделирование на ЭВМ процесса осаждения частиц в КРЗ, изменения результирующей относительной окружной скорости движения частиц жидкости в КРЗ (нами предлагается программа для ЭВМ по вычислению результирующей относительной окружной скорости движения частиц жидкости в КРЗ) [6];
 
1.7. Разработка конструкции и расчёт деталей барабана ЦРС на прочность с учётом динамических нагрузок, (нами предлагаются конструкции пяти ЦРСМП с различными регуляторами относительной угловой скорости вращения соседних конусов рабочих зазоров, включая регуляторы ширины КРЗ и радиуса расположения границы раздела фаз) [4];
 
1.8. Разработка конструкций и расчёт элементов привода барабана ЦРС (нами предлагается дополнение методики инженерного расчёта привода с гитарным регулятором и технологической линии первичной обработки и частичной переработки молока с использование новых ЦРСМП-очистителя и ЦРСМП-разделителя – а.с. №1692042, пат. № 2129472, пат. № 24 17126) [7];
 
1.9. Разработка конструкций и расчёт тормозного механизма, поплавкового регулятора и других устройств (нами предлагается конструкция тормозного механизма, уменьшающего угловую скорость вращения дополнительного тарелкодержателя, описание работы поплавкового регулятора) [8];
 
1.10. Изготовление опытного образца барабана и испытание его на экспериментальном стенде и корректировка конструкции по результатам испытаний (нами предлагается стенд для испытаний ЦРС с тормозным устройством – регулятором Δω) [9];
 
1.11. Изготовление опытного образца и испытания ЦРС, корректировка технических решений элементов ЦРС по результатам испытаний;
 
1.12. Разработка инструкции по эксплуатации и другой сопроводительной документации.
 
Вариант 2 – выбор серийного ЦРС:
 
2.1…2.6. - Аналогичны варианту 1.
 
2.7. Определение возможности использования серийных ЦРС для осуществления процесса сепарации и выдача рекомендаций заказчику на их использование (модельный ряд серийных ЦРС дополнен нами пятью моделями универсальных ЦРСМП).
 

Выводы

 
Придерживаясь методологии выявления и обоснования актуальных (технически реализуемых) потребностей [10] к уже известным критериям эффективности – потребительским качествам (компактность конструкций, небольшие размеры, надёжность, экономичность, высокая производительность, безопасность, транспортабельность, эстетичность, экологичность) центробежных реосепараторов мы добавляем новые: универсальность, многофункциональность, высокая степень автоматизации, обеспечивающие возможность их многоцелевого использования.
 
Многие технологические параметры универсальный ЦРС может самоконтролировать. Например, давление, температура, обороты привода и др. Это значит, реосепараторы являются измерительными приборами, функциональные возможности которых, по сравнению с ЦРС традиционных конструкций, расширены.
 
Работа этих машин в режиме измерения реологических свойств перерабатываемых продуктов, значительно раздвигает сферу их применения, возлагая на них дополнительную функцию контроля. Возможности автоматической перенастройки автосепараторов с производственного процесса на контроль качества позволяют проводить измерения на различных этапах процесса переработки, повысить качество разделения, удерживая под постоянным автоматическим контролем весь производственный цикл в режиме реального времени (онлайн).
 
Авторы выражают благодарность за помощь в редактировании статьи д.т.н. В. М. Кушнаренко и д.т.н. А. П. Фоту.
 

Литература:

1. Гольдин, А. М. Гидродинамические основы процессов тонкослойного сепарирования. /А. М. Гольдин, В. А. Карамзин. -М.:Агропомиздат,1985.-264 с.
2. Бремер, Г. И. Теория центробежной очистки нефтепродуктов и её практическое применение при эксплуатации нефтяных сепараторов в сельскохозяйственном производстве: сборник научных трудов по земледельческой механике /Г. И. Бремер – Л., М.: Сельхозиздат., 1961. - Т.6. – С.39-52.
3. Назаров В. В. Совершенствование реосепараторов в обеспечении экологической безопасности предприятий. "Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры". Материалы Всероссийской НМК; [электронный ресурс]. ОГУ. - Оренбург: ООО ИПК "Университет", 2013. - C.772-776.
4. Назаров В. В. Разработка нового оборудования для центробежной реосепарации нефтепродуктов /В. В. Назаров, С. В. Назаров. - http://www.i-mash.ru/materials/technology/20910-razrabotka-novogo-oborudovanija-dlja.html.15.03.2012.- 3,7 s.
5. Назаров С. В., Назаров В. В. Развитие теории центробежной реосепарации биожидкостей и нефтепродуктов. – http://www.i-mash.ru/materials/technology/34750-razvitie-teorii-centrobezhnojj-reoseparacii.html.20.05.2013. - 7 s.
6. Свидетельство № 2009614610 на программное средство "Графическое построение поля скоростей" /В. В. Назаров, 28.08.2009. – 1180 Кб.
7. Решение о выдаче патента на изобретение "Центробежный сепаратор-очиститель /В. В. Назаров, С. В. Назаров, А. А. Муллабаев, В. И. Чепасов, В. М. Кушнаренко. Заявка № 2012132150/05(050748). – М.: ВНИИГПЭ, 19.09.13.
8. Назаров, С. В., Назаров В. В. Механика движения жидкости в центробежных реосепараторах двойного назначения /С. В. Назаров, В. В. Назаров. – http://www.i-mash.ru/materials/technology/19478-mekhanika-dvizhenija-zhidkosti-v-centrobezhnykh.html.16.01.2012. – 4 s.
9. Назаров В. В. Метод центробежной очистки автомобильных эксплуатационных материалов от механических примесей /Н. А. Морозов, В. В. Назаров //Вестник ОГУ. Приложение. – Оренбург: ОГУ, № 12, 2005. – С.95-100.
10. Половинкин, А. И. Теория проектирования новой техники: закономерности техники и их применение. /А. И. Половинкин. - М.: Информэлектр, 1991.-104 с.


Обсудить статью на Форуме Машиностроителей






Комментариев пока нет
{c_navigation}

Написать комментарий

Другие публикации по теме





Автоматизация промышленных предприятий Автоматизация промышленных предприятий
Диспетчеризация производства, идентификация и прослеживаемость, управление КПЭ (KPI)...
(495) 662-43-70
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси). Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Промышленное оборудование и инструмент
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Chicago Pneumatic (Чикаго Пневматик), Fuji (Фуджи), Desoutter, Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси), Korloy (Корлой), Seco tools, SGS tools, Onsrud, Fette, Guhring и пр. Оборудование для маркировки. Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Фаскосниматели (фаскорезы, кромкорезы), ручные фрезеры по металлу. Пневмодвигатели (пневматические двигатели, пневмомоторы).
(495) 668-13-58
ИРОК-2М. Купить. Инструкция.
Инструмент ИРОК-2М от производителя. Купить. Скачать инструкцию и другие документы. Прочий электромонтажный инструмент и электрокомпоненты.
(495) 668-13-58 доб. 4
Реклама на сайте и-Маш Реклама на сайте и-Маш      
pr()i-mash.ru