Сделать невозможное 3 (почти «охотничьи рассказы» о приключениях дилетанта)

Виктор Минакер  Центр практического изобретательства, Москва

 

Центрифуги стали эффективными промышленными машинами в конце 19-го века. Это произошло после изобретения Густавом Лавалем молочного сепаратора в 1878, турбинного привода для сепаратора в 1883, и турбины на гибком валу в 1889 году, а также изобретения в 1888 году Бетгольсгеймом тонкослойного центробежного разделения, патент на которое получил название «Альфа».

 

 

 

 

 

Рис. 1. Молочный сепаратор Лаваля, модель 1879 года

Рис. 2. Турбинный сепаратор Лаваля и турбинное колесо,

Рис. 3. Разрез барабана сепаратора «Альфа — Лаваль»

Рис. 4. Гибкий вал Лаваля

Таким образом, первый же прорыв в центрифугостроении, обеспечивший массовое использование центрифуг, был связан с эффектом самоцентрирования ротора на гибком валу (рис. 5б и 6) при частоте ω вращения, превышающей частоту ω0 его изгибных колебаний, часто называемую критической частотой ωкр вращения.

Рис. 5. Эффект «самоцентрирования»

Рис. 6. Динамический прогиб y и эксцентриситет e

В дальнейшем большинство типов вертикальных центрифуг стали использовать этот принцип работы, при котором динамические нагрузки сводятся к возможному минимуму, и частота изгибных колебаний вала не ограничивает частоту ω вращения ротора. При этом все типы горизонтальных центрифуг многие десятилетия продолжали работать в режиме «жесткого вала» при частотах вращения, лежащих ниже первой частоты ω0 изгибных колебаний (рис. 5а и 6). Это объясняется тем, что статические прогибы тонкого длинного вала под действием силы тяжести ротора центрифуги оказываются недопустимо большими (опять мы сталкиваемся с противоречием: вал должен быть тонким, чтобы …, вал не должен быть тонким, чтобы …).

Центробежные декантеры

«Осадительные центрифуги с шнековой выгрузкой осадка» («центробежные декантеры», рис. 7) являются наиболее универсальными центрифугами. Они применяются во многих отраслях промышленности, от биотехнологии и пищевой промышленности до очистки сточных вод и буровых растворов.

Рис. 7. Схема процесса разделения в центробежном декантере

Основные параметры центробежных декантеров

Одним из основных параметров декантеров является производительность процесса центробежного разделения, определяемая при допустимой концентрации твердой фазы в очищенной жидкости. В терминологии Gen3’s methodology это один из главных параметров ценности (MPV) этих ТС.

Прошу прощения у читателей, но, если пытаться понять драматическую историю развития центробежных декантеров, нельзя обойтись без простых формул, как и в случае с историей развития «качающихся» центрифуг, описанной в [2].

Производительность Qf осадительных центрифуг и, в частности центробежных декантеров, определяется по формуле, полученной из зависимостей движения частицы вместе с потоком жидкости вдоль оси ротора и ее осаждения под действием центробежной силы (расчетная схема показана на рис. 8, где сечение зоны разделения представляет собой прямоугольник: xr2 – xr1 – yr1 – yr2 - xr2) [1]:

Qf = vs ∑      (1),

где vs = ds2s - ρL)g/18η    (2) – скорость vs осаждения частицы (s), имеющей диаметр ds и плотность ρs, в жидкости (L), имеющей плотность ρL и вязкость η, под действием силы земного тяготения с ускорением g (закон Стокса),

= (π l0 ω2/g)(r22 - r12)/ln(r2/r1)     (3) - индекс производительности центрифуги.

 

Рис. 8. Расчетная схема процесса разделения в центробежном декантере

Кроме параметра ∑ широко распространен также параметр «эффективная поверхность разделения» (Ae) [3]:

Ae = (9 π ω2 r23/8g)[(l0/r2) + (cotg α)/4], (4)

где α равен половине угла конусности ротора.

Параметр Ae получают из указанных выше зависимостей с помощью ряда упрощений (усредняя скорость жидкости, принимая, что величина центробежного ускорения, действующая на осаждаемую частицу, равна ω2r1, распространяя поверхность зоны разделения на коническую часть ротора, а также принимая, что отношение r1/r2 =3/4).

Параметр «поверхность разделения» А широко применяется для отстойников. При одинаковых поверхностях жидкости в отстойнике и осадительной центрифуге величина Ae во столько раз больше величины А, во сколько раз центробежное ускорение ω2r1 больше гравитационного ускорения g. В терминологии Gen3’s methodology ω, ri, l0 это физические параметры, а ∑ или Ae зависящие от них промежуточные параметры в иерархическом дереве параметров этих ТС. В то время, как производительность Qf зависит от функциональных (физических) параметров ТС и от параметров, характеризующих обрабатываемый в ТС продукт (суспензию), параметры ∑ и Ae зависят только от функциональных параметров ТС. Поэтому параметры ∑ и Ae специалисты используют в качестве главных ориентиров при сравнении декантеров с различными размерами и скоростями вращения ротора.

Для специалистов формулы для расчета ∑ и Ae являются руководством для проектирования и оптимизации параметров центробежных декантеров. Как видно из приведенных выше формул параметры ∑ и Ae пропорциональны скорости вращения ω ротора во второй степени и длине l0 в первой степени. Поэтому для повышения производительности процесса разделения в декантерах, как и в центрифугах других типов, в первую очередь, специалисты стремятся увеличить скорость вращения ротора. Если проанализировать расходы, связанные с процессом центробежного разделения, то можно увидеть, что увеличение ω в меньшей мере влияет на капитальные затраты и операционные расходы, чем увеличение размеров центрифуги, а на производительность процесса в большей. Т.е. в терминах ТРИЗ при увеличении ω идеальность центробежного декантера увеличивается, не смотря на увеличение затрат. В соответствии с этим продолжаются усилия, направленные на увеличение, прежде всего, ω и, во вторую очередь, на увеличение длины зоны осаждения l0, и, соответственно, относительной длины λ, равной отношению длины l ротора к его диаметру. Интенсификацию процесса разделения за счет увеличения скорости вращения ротора можно назвать столбовой дорогой развития центрифуг любых типов.

Пределы развития декантеров

Повышение основных параметров декантеров практически прекратилось в конце 70-х - начале 80-х годов прошлого века. К этому времени выпускались декантеры с относительной длиной λ ≈ 4 и центробежным ускорением ω2r2, лежащим в диапазоне от 2000g до 4500g (в зависимости от диаметра и длины ротора). Дальнейшее развитие декантеров было связано в основном с автоматизацией их работы и использованием новых материалов для защиты шнека и ротора от износа.

В последние 30 лет у декантеров большинства фирм скорости вращения и, соответственно, центробежные ускорения оставались практически неизменными. Лишь фирма «Флоттвег» в середине 90-х годов прошлого века выпустила на рынок декантеры с существенно увеличенным центробежным ускорением. Эти машины имели сравнительно небольшие диаметры ротора. Благодаря уменьшенной длине ротора и большей точности изготовления ответственных узлов машины, создаваемое в этом декантере максимальное центробежное ускорение было увеличено до 6600g - 10000g (в зависимости от диаметра ротора машины). Эта центрифуга, выпускаемая под названием «седикантер», имела очень небольшую нишу на рынке декантеров. Прорыва на рынке «седикантеры» совершить не смогли.

За прошедшие годы максимальное значение относительной длины λ ротора у большинства фирм не изменилось или увеличилось незначительно. Лишь очень немногие фирмы, например «Vitone», в последнее время увеличили λ до 5-5.5. Такое увеличение относительной длины λ ротора неизбежно приближает частоту ω вращения ротора к его критической частоте ωкр. При этом необходимо либо уменьшать эксцентриситет вращающихся масс за счет увеличения точности изготовления ответственных узлов машины, либо уменьшать частоту ω. Увеличение точности изготовления машины приводит к увеличению ее стоимости. Уменьшение частоты ω приводит к уменьшению параметров ∑ и Ae. Попытка приблизить частоту ω вращения ротора к его ωкр,с большой вероятностью, может привести к уменьшению ресурса декантера даже при увеличении точности его изготовления. Прорыва на рынке эти декантеры не совершили.

Таким образом, центробежные декантеры уже достаточно давно находятся на третьем этапе развития. Для того чтобы понять причины, затормозившие развитие декантеров, рассмотрим подробнее факторы определяющие пределы каждого из физических параметров, входящих в формулу (3) для расчета ∑. Максимальный диаметр ротора и максимальная частота ω его вращения ограничены прочностью материалов, из которых ротор изготовлен. Максимальная частота ω вращения ротора ограничена также возможностями подшипников (их предельной скоростью и грузоподъемностью). Кроме того, максимальная частота ω вращения ротора ограничена возможностями редуктора (его предельной скоростью и крутящим моментом). Для роторов, работающих в режиме жесткого вала, максимальную частоту ω ограничивает также собственная частота ω0 изгибных колебаний ротора. Как и у других горизонтальных центрифуг, ротор центробежного декантера работает в режиме жесткого вала (в области скоростей, лежащих ниже частоты ω0 изгибных колебаний). Поэтому собственная частота ω0 изгибных колебаний ротора определяет предел увеличения его скорости ω вращения (наряду с его прочностью, а также параметрами редуктора и подшипниковых опор). Еще один физический параметр декантера, относительная длина ротора λ, также ограничен частотой ω0 изгибных колебаний. Кроме того, поскольку диаметр и относительная длина λ ротора определяют его массу, то максимальные значения этих физических параметров ограничены грузоподъемностью подшипников.

Анализ указанных параметров показал, что резонанс изгибных колебаний ротора, происходящий при совпадении частоты ω вращения ротора с частотой ω0, является главным препятствием для увеличения ω и λ. Резервы повышения ω, предоставляемые прочностью ротора и возможностями подшипников и редуктора, оказываются большими. Поэтому для того, чтобы увеличить частоту вращения ω и относительную длину λ, и соответственно ∑ и Ae, приходится переходить от жестких подшипниковых опор к эластичным. Это позволяет повысить частоту ω0 собственных изгибных колебаний ротора. Ротор декантера на двух эластичных опорах является жестким вблизи первой и второй критической частотой вращения. При этих частотах вращения существенные деформации происходят только в эластичных элементах опор, но не в самом роторе. Существенные изгибные деформации ротора на эластичных опорах происходят только в районе достаточно высокой третьей критической частоты ω03 вращения ротора [4].

Впервые эластичные опоры были использованы в декантерах фирмой «Шарплесс» в середине 60-х годов прошлого века. Но этот декантер был вертикальным. Функциональные параметры этого вертикального декантера были несколько лучше, чем у горизонтальных декантеров, выпускавшихся в то время. Главным преимуществом этой машины была полностью герметичная конструкция, что позволяло применять ее при обработке взрывоопасных суспензий. Использование вертикального эластично подвешенного ротора позволяло герметизировать конструкцию при использовании только одного торцового уплотнения сравнительно небольшого диаметра. В то время это было важным, поскольку скоростные торцовые уплотнения тогда были еще недостаточно надежными. Однако вертикальный декантер неизбежно является существенно более дорогим, чем горизонтальный. Кроме того зона обслуживания вертикального декантера значительно больше, чем горизонтального. Применение вертикального декантера было оправдано только во взрывоопасных производствах. С течением времени надежность торцовых уплотнений существенно улучшилась, и герметичные машины стало можно делать горизонтальными. Уже в конце 70-х годов прошлого века вертикальные декантеры не выпускались.

Попытки преодолеть предел развития горизонтальных декантеров

Первыми по пути использования эластичных подшипниковых опор в горизонтальных декантерах пошли советские специалисты (ЛВИМУ им. Макарова и Ниихиммаша). Эта работа была выполнена в конце 60-х – начале 70-х годов прошлого века. Было изготовлено несколько декантеров с различными диаметрами ротора. Относительная длина ротора созданных декантеров λ не отличалась от аналогичного параметра для декантеров с жесткими подшипниковыми опорами, но центробежное ускорение было существенно увеличено. Наиболее скоростной декантер с эластичными опорами с диаметром ротора 160 мм имел центробежное ускорение 8000g. Успешно завершить эту работу серийным производством новых декантеров не удалось по ряду причин, характерных для СССР. Одной из причин было отставание советской промышленности и в развитии и в применении декантеров. В то время в СССР декантеры еще не использовались для разделения особо тонкодисперсных суспензий таких, например, как осадки сточных вод. В тех областях, в которых в указанное время в Советском Союзе центробежные декантеры применялись, использование эффекта самоцентрирования не могло привести к серьезному технологическому прорыву.

Следующую попытку уйти с плато третьего этапа развития декантеров, используя эластичные подшипниковые опоры ротора, сделала фирма «Альфа-Лаваль» (один из лидеров центрифугостроения). Эта попытка длилась с начала 80-х по середину 90-х годов прошлого века. Была выполнена наиболее фундаментальная работа по созданию центробежных декантеров с эластичными опорами. Эта работа включала математическое моделирование динамики различных конструктивных вариантов, изготовление декантеров с различными диаметрами ротора и экспериментальные исследования разделения в этих декантерах различных суспензий [5]. У декантера с диаметром ротора 250 мм максимальное центробежное ускорение было приблизительно равно 10000 g. Это был первый в истории центробежный декантер промышленного размера, который можно было отнести к «сверхцентрифугам». При этом в то время это был и самый длинный декантер. Относительная длина λ ротора у этой центрифуги была приблизительно равна 5.2 т.е. параметр λ был увеличен почти на 25% (у обычных декантеров в то время λ не превышала величины 4.2). Несмотря на столь существенное увеличение скорости вращения и вполне ощутимое увеличение длины ротора, эти скоростные длинные декантеры имели крайне ограниченное применение. В настоящее время эти декантеры не выпускаются.

Третья попытка была совершена вновь в СССР в институте Свердниихиммаш. Специалистами этого института в конце 80-х годов прошлого века были созданы декантеры различного диаметра с одной эластичной опорой. Относительная длина ротора этих машин была такой же, как у декантеров с жесткими опорами, а частота вращения была немного увеличена. Несмотря на улучшенную надежность этих машин, рыночного успеха они не имели.

Последняя попытка была недавно предпринята фирмой «Геа Ветфалия-Сепаратор» (RU2456084). Созданный этой фирмой декантер имеет повышенную скорость вращения ротора. При этом λ ротора этого декантера не выходит за пределы, характерные для декантеров с жесткими опорами. Об успехе этого декантера судить еще рано, но учитывая результаты предыдущих попыток, можно предположить, что этот успех вряд ли будет большим.

Таким образом, почти 50 летние попытки преодолеть предел развития декантеров, за счет использования эффекта «самоцентрирования» ротора, можно считать безуспешными. Эти неудачи кажутся особенно странными, поскольку использование этого эффекта в вертикальных центрифугах различных типов (в центробежных сепараторах, подвесных, трубчатых и газовых центрифугах) было чрезвычайно успешным.

Причины неудач использования эффекта «самоцентрирования» для декантеров

Причины описанных выше неудач можно понять, проанализировав результаты работ фирмы «Альфа-Лаваль» приведенные в статьях [5] и [6]. В статье [5] описываются исследования динамики различных вариантов центробежных декантеров (рис 9-11). В частности, в этой статье указывается предельная скорость вращения и длина ротора для различных конструктивных вариантов декантеров. (табл. 1-2).

Рис. 9. Эластичные опоры ротора (US4504262)

Рис. 10. Эластичные опоры ротора и плавающий шнек (US4828541)

Рис. 11. Эластичные опоры ротора, плавающий шнек, редуктор на собственных опорах (US5197939)

 

Таблица 1

Вариант конструкции центробежного декантера с диаметром ротора 250 мм и λ = 5

Максимально возможная скорость вращения n, об/мин

1. Жесткие подшипниковые опоры ротора

4500

2. Эластичные подшипниковые опоры ротора

5500

3. Эластичные подшипниковые опоры ротора и плавающий шнек

7500

4. Эластичные подшипниковые опоры ротора, плавающий шнек и редуктор на собственных подшипниковых опорах

8500

 

Таблица 2

Вариант конструкции центробежного декантера с диаметром ротора 250 мм и n = 5500 об/мин

Отношение λ длины ротора к его диаметру

1. Жесткие подшипниковые опоры ротора

4

2. Эластичные подшипниковые опоры ротора

5

3. Эластичные подшипниковые опоры ротора и плавающий шнек

6

4. Эластичные подшипниковые опоры ротора, плавающий шнек и редуктор на собственных подшипниковых опорах

7

 

Указанный сравнительный анализ различных вариантов в статье [5] завершается зависимостями Ae от λ и ω (рис. 12). На этом рисунке значения частоты ω вращения ротора не указаны, хотя, учитывая формулы (1-3), очевидно, что для зависимостей, относящихся к вариантам 2-4 с эластичными опорами, ω существенно больше, чем для варианта 1 с жесткими опорами. Зависимости Ae от λ имеют максимумы, определяемые максимально возможной для каждого варианта ω, ограниченной частотой ω0 изгибных колебаний ротора. При увеличении λ частота ω0 изгибных колебаний ротора снижается, поэтому для каждого варианта конструкции после достижения λ определенного предела приходится уменьшать частоту ω вращения ротора. В связи с этим значения параметра Ae уменьшаются после достижения λ указанных пределов. Зависимости Ae от λ показывают, что для варианта 2 максимальное значение Ae достигается при λ = 3.5, что меньше, чем значение λ (4.2), соответствующее максимальному значению Ae для варианта 1 с жесткими опорами. Значение λ, соответствующее максимальному значению Ae, для варианта 3 приблизительно равно 4.8, а для варианта 4 не превышает 6.

Анализ данных, представленных в таблицах 1 и 2, а также на рис. 12, делает очевидным, что фирма «Альфа-Лаваль» максимально увеличила скорость ω вращения ротора своих новых декантеров и при этом ограничила длину ротора величиной λ < 5.5, ориентируясь на максимизацию параметров ∑ и Ae.

Рис. 12. Зависимость максимально возможной «эффективной поверхности разделения» Ae от λ для центробежного декантера с диаметром ротора 250 мм.

С учетом зависимостей (1-3) производительности декантера от параметров ∑ и Ae решение специалистов «Альфа-Лаваль» кажется вполне естественным. Производительность варианта 4 декантера должна быть более чем в 3 раза больше, чем у варианта 1 декантера с жесткими опорами. Даже если из-за более сложной и металлоемкой конструкции варианта 4 декантера, его цена была в 2-2.5 раза больше цены декантера с жесткими опорами, новый декантер должен был оказаться выгодным потребителям. Но то, что новые декантеры были выпущены в очень небольшом количестве, а затем их производство было прекращено, говорит, что в параметрическом анализе специалистов «Альфа-Лаваль», являющимся общепринятым, содержалась достаточно грубая ошибка. В чем она могла заключаться? Сравнительный анализ конструкций этих вариантов показывает, что цена новых декантеров не могла превышать цену традиционных декантеров более чем в 2 раза. Это подтверждается информацией от бывших специалистов фирмы «Альфа-Лаваль». Следовательно, повышение производительности новых декантеров было существенно меньше, чем это предсказывают параметры ∑ и Ae. Знали ли специалисты «Альфа-Лаваль», что ориентация на эти параметры может их подвести? Оказывается, и да, и нет. Как известно, «дьявол, сидит в деталях». Поэтому придется опять углубиться в деталям и вновь обратиться к формулам.

Для разделения тонкодисперсных суспензий центробежные декантеры стали использоваться уже в 60-х годах прошлого века. И с этого времени появились данные, говорящие, что параметры ∑ и Ae не отражают реальность, особенно при разделении тонкодисперсных суспензий. Более того, выяснилось, что реальная производительность при обработке суспензий разной степени дисперсности составляет меньше, чем 10 – 50% от производительности, определенной по формулам (1 – 4) [6]. Следует отметить, что специалисты, в частности специалисты фирмы «Альфа-Лаваль», пытаются скорректировать указанные зависимости. В том числе это делается с помощью разного рода поправочных коэффициентов [6]. Однако эти уточнения не меняют основного теоретического представления о том, что производительность декантера пропорциональна частоте ω вращения ротора во второй степени, а также длине l0 зоны разделения и соответственно длине ротора l в первой степени.

Следует отметить, что в процессе исследований новых декантеров специалисты «Альфа-Лаваль» выяснили, что хотя реальная производительность декантера существенно меньше, чем определенная теоретически, ее повышение при увеличении ω и, особенно, λ оказывается большим, чем увеличение ∑ и Ae [5]. Поэтому преимущество этих новых машин должно было быть большим, чем преимущество в параметрах∑ и Ae. Таким образом, указанное расхождение теории и эксперимента не объяснило причину неудачи фирмы «Альфа-Лаваль». В связи с этим придется еще больше углубиться в детали.

Специалисты пытались выяснить, какая из причин уменьшения эффективности процесса центробежного разделения в декантере является главной, в течение многих лет. Для этого были осуществлены очень сложные экспериментальные исследования. В результате специалисты пришли к выводу, что главными причинами являются турбулентность потока в роторе декантера, неравномерность профиля скоростей этого потока (рис. 13), а в случае использования флокулянтов, разрушение флокулл в результате их удара о поверхность жидкости при вводе суспензии в ротор. Дополнительной причинной специалисты считают уменьшение зоны разделения из-за накопления твердой фазы (осадка) в роторе[6].

Рис. 13. Профиль скоростей потока жидкости в роторе декантера

Специалистами были придуманы и осуществлены способы борьбы с указанными главными причинами. Автор этих почти «охотничьих» рассказов не был участником, но был свидетелем этих сложных исследований и указанной борьбы. Об этой интересной и драматической борьбе можно долго рассказывать, но этот рассказ уведет читателя от темы этой статьи. Ведь автор описывает не всю историю центрифуг, а всего лишь многолетнюю историю использования эффекта «самоцентрирования» для преодоления предела развития центробежных декантеров. В связи с этим нас интересуют не проблемы, вообще снижающие эффективность процесса центробежного разделения в декантерах, а частный вопрос о причине грубой ошибки специалистов «Альфа-Лаваль», которые ориентировались в своей работе на параметры ∑ и Ae.

К сожалению, увидеть реальную картину процесса разделения в быстровращающемся роторе декантера практически невозможно. Поэтому для того, чтобы, например, выявить неоднородное распределение скоростей потока вблизи входа суспензии в ротор, специалистам приходилось делать сложные эксперименты на моделях, не полностью воспроизводящих реальный процесс разделения в роторе декантера. Соответственно, выводы из подобных экспериментов нельзя было считать абсолютно бесспорными.

Как же можно понять, почему зависимости (1-4) приводят не просто к грубой погрешности в расчетах, когда реальная производительность оказывается более чем в 10 раз меньше теоретической, а к неправильному пониманию того, на увеличение каких физических параметров надо ориентироваться при развитии декантеров? Для этого целесообразно прибегнуть к помощи причинно-следственного анализа. Выводы из этого анализа вкратце следующие. Необходимо выявить не причины, приводящие к погрешности в расчетах производительности (формулы 1-4), а причины, делающие этот расчет и соответственно расчетную схему (рис. 8) принципиально неверными. Из четырех причин неточности зависимостей (1-4) две, а именно турбулентность потока и накопление осадка, могут делать эти зависимости принципиально некорректными. Как известно, течение переходит в турбулентный режим при таком увеличении скорости течения, при котором число Рейнольдса достигает определенных критических значений. При увеличении производительности Qf пропорционально увеличению параметров ∑ и Ae число Рейнольдса в принципе может достичь критического значения, при котором течение жидкости в роторе перестает быть ламинарным. Зависимости (1-4) между производительностью Qf и физическими параметрами при переходе течения из ламинарного режима в турбулентный могут быть принципиально неверными. Единственной проблемой при рассмотрении этой причины является то, что критические значения числа Рейнольдса были экспериментально установлены для течений при гравитационном ускорении g. Весьма вероятно, что критическое значение числа Рейнольдса не зависит от величины гравитационного или центробежного ускорения, но экспериментально это не было доказано. Значительное накопление осадка в роторе также может, принципиально менять картину процесса разделения. При незначительном количестве осадка эта картина схематически может выглядеть, как это было показано на рис. 7, а при накоплении осадка, как показано на рис. 14. Значительное накопление осадка может приводить к существенному уменьшению глубины зоны разделения, как это показано на рис. 14, что должно существенно увеличивать скорость течения и значение числа Рейнольдса. В этом случае накопление осадка оказывается ключевой причиной, а турбулентность зависимой.

Рис. 14. Схема процесса разделения суспензии с вязкопластическим осадком

Можно ли было экспериментально установить, является ли накопление осадка при разделении большинства суспензий значительным? Оказывается, это можно было сделать, не создавая сложных специальных экспериментальных установок. Просто при испытаниях декантера нужно было обратить внимание на то, что все специалисты прекрасно знали, но на что они не обращали внимания, а именно на так называемый переходный (не установившийся) режим работы машины.

При испытаниях и эксплуатации декантера, когда процесс разделения тонкодисперсной суспензии начинается, в течение достаточно короткого времени концентрация твердой фазы в очищенной жидкости (фугате) существенно меняется (увеличивается). Эти результаты не учитываются. Считается, что при этом процесс разделения еще не установился. Учитываются только результаты измерений, когда изменения концентрации твердой фазы в фугате стабилизируются, т.е. когда наступает установившийся режим. Если бы специалисты задали себе вопрос, почему существенно меняется концентрация твердой фазы в фугате, они не совершили бы ту ошибку в проектировании декантеров, которую они совершают уже почти 50 лет. Почему необходимо было анализировать результаты разделения в неустановившемся режиме? Потому что только они с необходимыми подробностями показывают, как заполнение ротора осадком влияет на закономерности процесса разделения.

Что же происходит в тот период работы машины, который принято называть неустановившимся, и почему результаты процесса разделения в неустановившемся и установившемся режимах сильно различаются? Для ответа на эти вопросы опишем качественную картину работы декантера. Вначале декантер запускается на так называемом холостом ходу, т.е. скорость вращения ротора повышают с нуля до рабочей при пустом роторе. Это делается для того, чтобы уменьшить пусковые токи во время разгона ротора. Затем подают в ротор суспензию. Иногда расход суспензии приходится увеличивать постепенно, чтобы не создавать скачкообразной нагрузки на все механизмы, и главное на привод декантера. Но на сравнительно небольших машинах можно подать суспензию сразу с требуемым расходом. После включения подачи суспензии наступает так называемый переходный режим работы декантера. Он делится на два этапа. Во время первого этапа происходит накопление в роторе суспензии. На этом этапе выгрузки фугата и осадка из ротора не происходит. Первый этап заканчивается в тот момент, когда начинается выгрузка из ротора фугата. Второй этап заканчивается, когда из ротора начинает выгружаться осадок. В большинстве случаев после этого наступает установившийся режим процесса разделения. В большинстве случаев в начале второго этапа концентрация твердой фазы в фугате очень незначительна. Она повышается к концу этого этапа и стабилизируется после того, как начинается выгрузка осадка. В сравнительно редких случаях, в течение некоторого времени после начала выгрузки осадка продолжается не очень значительное повышение концентрации твердой фракции в фугате и лишь затем начинается установившийся режим процесса разделения. Чем отличается процесс разделения в начале и в конце второго этапа неустановившегося режима? Отличие состоит в разном количестве осадка в роторе, поскольку в течение второго этапа выгрузка осадка из ротора не происходит. В начале второго этапа в роторе осадка должно быть меньше, чем в конце этого этапа, и эту разницу можно рассчитать. Сравнивая количество осадка в роторе в начале и в конце второго этапа неустановившегося режима можно понять, как изменяется длина и глубина зоны разделения, и насколько сильно это изменение влияет на процесс работы декантера. Более того, сделав расчет количества, накопившегося в роторе осадка в течение второго этапа, можно определить насколько накопление осадка должно влиять на изменение режима течения жидкости в роторе. У абсолютного большинства тонкодисперсных суспензий разница между концентрациями твердой фазы в фугате в начале и конце второго этапа является очень значительной. Простой расчет показывает, что разница между количествами осадка в роторе в указанные моменты времени может быть очень большой. Вследствие этого разница между объемами зоны разделения в эти моменты времени тоже очень большая (до 70% и более). Чем дольше длится второй этап, тем больше накапливается в роторе осадка, тем короче и мельче должна становиться зона разделения, и тем больше должна быть аксиальная скорость частицы в расчетной модели. Но ведь, общепринятая расчетная модель (рис. 8) не учитывает того, что из-за накопления осадка в роторе в его значительной части процесс разделения суспензии происходить не может. Следовательно, картину процесса, представленную на рис. 7, расчетную модель на рис. 8 и зависимости (1-4) следует считать неверными в принципе, и для хотя бы качественного описания процесса разделения необходимо разработать модель, учитывающую заполнение ротора осадком. Таким образом, анализ неустановившегося режима привел к выводу, что для тонкодисперсных суспензий общепринятые зависимости (1-4) являются не просто недостаточно точными, а принципиально некорректными. Модель процесса, представленная рисунком 8 и зависимостями (1-4) может считаться допустимой только для мало-концентрированных суспензий с осадком, представляющим собой сыпучую среду, что характерно для очень грубодисперсных суспензий. Таким образом, приведенный выше анализ показал, что ключевой причиной ошибочности этих зависимостей для процесса разделения тонкодисперсных суспензий является накопление осадка в роторе. Что необходимо выяснить для того, чтобы разработать хотя бы качественную модель процесса разделения, учитывающую накопление осадка в роторе? Ответ очевиден. Необходимо выяснить причины этого накопления. Анализ показывает, что этими причинами являются вязкопластическое состояние осадка и центробежное поле, перемещающее такой осадок из зоны его выгрузки в зону разделения. В абсолютном большинстве случаев суспензии, разделяемые в центробежных декантерах, являются тонкодисперсными. Осадок, образующийся при разделении тонкодисперсных суспензий, представляет собой вязкопластическое тело.

Результаты приведенного выше анализа и особенности процесса выгрузки такого осадка из ротора опубликованы автором этих почти «охотничьих» рассказов более 15 лет назад [7]. Закономерности движения вязко-пластичного осадка в центробежных декантерах должны быть аналогичны закономерностям движения вязкопластических сред в винтовых насосах и экструдерах. В первом приближении давление, создаваемое шнеком, пропорционально его длине. А разница давлений, создаваемых центробежным полем, пропорциональна центробежному ускорению и разнице в высоте столбов осадка. Таким образом, чем выше будет центробежное ускорение ω2r , и короче ротор и шнек, тем больше осадок будет заполнять ротор и сокращать зону разделения. Но ведь специалисты, и в частности специалисты «Альфа-Лаваль» всегда считали, что для увеличения производительности процесса центробежного разделения следует, прежде всего, увеличивать центробежное ускорение ω2r и, соответственно, частоту вращения ω. А в действительности, что увеличение центробежного ускорения может существенно ухудшать условия процесса разделения.

Как уже было сказано, картина разделения тонкодисперсных суспензий, при разделении которых образуются вязкопластические осадки, изображена на рис. 14. Расчетная схема процесса разделения таких суспензий показана на рис. 15.

Рис. 15. Расчетная схема процесса разделения в центробежном декантере, учитывающая слой осадка

Если учитывать, что значительная часть зоны разделения заполняется осадком, как это показано на рис. 14-15 (сечение зоны разделения, занятой осадком представляет собой трапецию xr2 – xr1 – yr4 – yr2 - xr2), формула (3) для расчета индекса производительности, при усреднении радиуса поверхности осадка и, соответственно, аксиальной скорости va частицы может быть преобразована к виду:

m = (π l ω2/g) (r02 - r12)/ln(r0/r1)    (5) – индекс производительности для тонкодисперсных суспензий с вязкопластическим осадком,

где r0 = (r4 + r1)/2     (6) – средний радиус поверхности осадка.

Очевидно, что ∑ > или >> ∑m. Насколько ∑ > ∑m зависит, c одной стороны, от физико-механических свойств осадка (вязкости, плотности и др.) и, с другой стороны, от длины ротора, скорости вращения и геометрии шнека. Во всяком случае, из [7] следует, что Δ∑ = ∑ - ∑m увеличивается при увеличении скорости вращения ротора ω, и уменьшается при увеличении длины ротора и шнека l. В связи с этим, для того, чтобы повысить производительность Qf процесса разделения тонкодисперсных суспензий, необходимо, в первую очередь, увеличивать длину ротора, а не скорость вращения ω.

Приведенный выше анализ в данной статье дан как бы из сегодняшнего дня. В действительности он был сделан автором этих почти «охотничьих» рассказов в начале 90-х годов. В это время у автора появилась возможность провести испытания небольшого декантера в лаборатории отдела центрифуг на нескольких реальных тонкодисперсных суспензиях (как правило, достаточно токсичных и дурно-пахнущих). После этого у автора открылись глаза не только на чужие, но и на собственные ошибки. В то время технические характеристики новых декантеров фирмы «Альфа-Лаваль» российским специалистам и автору этих рассказов известны не были. Смена времен, происходившая в России, не позволяла вовремя узнавать о результатах фундаментальных работ «Альфа-Лаваль». С этими результатами автор этих рассказов частично познакомился во время общения с зарубежными специалистами в 1993-1994 годах. В 1995 г. он опубликовал статью с результатами приведенного выше анализа и закономерностями движения вязко-пластичного осадка в роторе декантера, считая, что этой статьей он закрывает большой этап своей жизни [7]. Только много лет спустя, после того как статья[5] с результатами работ «Альфа-Лаваль» была опубликована, автор этих рассказов наконец получил ее копию.

Вот такой пример, в котором анализ пределов развития, параметрический и причинно-следственный анализ образуют систему, приведшую к перевороту в устоявшихся фундаментальных представлениях. Российских специалистов, занимавшихся исследованиями и разработкой центробежных декантеров (как впрочем, и центрифуг других типов), автор этих рассказов знал много лет и знал их очень хорошо. Зарубежных специалистов автор практически не знал, но зато хорошо знал их публикации и патенты. Если у читателей данной статьи возникает впечатление, что автор относится к указанным специалистам свысока, то такое впечатление абсолютно неверное. Автор этих почти «охотничьих» рассказов относится к специалистам в данной области, как и вообще к специалистам, с большим уважением. Данная статья не про ошибки конкретных специалистов, а про ограниченность возможностей любого человека, будь он даже пять раз гением. Кроме того, эта статья про опыт использования системы методических инструментов, каждый из которых является достаточно простым.

Вернемся к декантерам. Могут ли центробежные декантеры с эластичными опорами оправдать надежды, так долго на них возлагавшиеся? Да, если их проектирование будет основано не на идеалистической картине процесса разделения (рис. 7 -8) и формулах (1 - 4), а на реальной картине (рис. 14-15) и формуле (5). Какие параметры должны быть у декантера с эластичными опорами? Для ответа на этот вопрос необходимо принять во внимание повышение стоимости производства декантера при переходе на вариант с эластичными опорами. Кроме того, следует учесть некоторое увеличение λ у декантеров с жесткими опорами ротора, произошедшее за последние 20 лет. Учитывая это можно сказать, что относительная длина λ должна быть не меньше 6, а в некоторых случаях, когда осадок имеет относительно низкую вязкость, λ должна быть значительно больше. Вместе с тем, для эффективного разделения большинства подобных суспензий центробежное ускорение, достигнутое в 70-х годах прошлого века, вполне достаточно. Для некоторых тонкодисперсных суспензий оно даже избыточно.

Учитывая, что в подавляющем числе случаев декантеры применяются для разделения тонкодисперсных суспензий, фирма, которая первой создаст центрифугу с указанными параметрами, может потеснить большинство конкурентов так, что им будет трудно вернуться на рынок. Фирма «Альфа-Лаваль» сделала огромную работу и была очень близка к необычайному успеху, сопоставимому с ее успехом в центробежных сепараторах, достигнутому более 100 лет назад, с которого была начата эта статья. Однако приведенный выше анализ не был сделан, и фундаментальная работа, обещавшая так много, закончилась практически ничем. Причиной этой неудачи, является отсутствие у инженеров умения и привычки использования указанной выше системы методических инструментов. В частности, неумения и, соответственно, привычки делать параметрический анализ в виде развернутой процедуры, примером которой является процедура фирмы Gen3 Partners [8].

  1. Svarovsky L., Solid-Liquid Separation, Butterworth Heinemann, Fourth edition, 2000, ISBN 0 7506 45687.
  2. Минакер В.Е., Создать невозможное 2, http://www.metodolog.ru/node/1663
  3. Stahl, W., Langeloh, T., “Improvement of Clarification in Decanting Centrifuges”, Ger. Chem. Eng., 1984, 7, 72-84.
  4. Кельзон А.С., Журавлев Ю.Н., Январев Н.В., Расчет и конструирование роторных машин, Л., Машиностроение, 1977, 288.
  5. Madsen N., Slender decanter centrifuges, Solid-Liquid Separation Practice III, Bradford, Proc. I.Chem. E, 1989, pp. 281-300.
  6. Madsen B., Flow and sedimentation in decanter centrifuges, Solid-Liquid Separation Practice III, Bradford, Proc. I.Chem. E, 1989, pp. 301 – 317.
  7. Minaker V., Chemical and Petroleum Engineering, Vol 41, Nos. 3-4, 1995, p. 200-207, http://link.springer.com/article/10.1007%2FBF01152298?LI=true
  8. Malinin L.,The method for transforming a business goal into a set of engineering problems, International Journal of Business Innovation and Research, Volume 4, Number 4, 1 June 2010, pp. 321-337(17).
RSS-материал