Дисертації

Процеси сепарації фаз є супутніми при протіканні більшості з основних процесів хімічних, нафтопереробних та металургійних виробництв для забезпечення якості первинної підготовки сировини, якості вихідного продукту та екологічної безпеки. У зв’язку з цим важливою науково-технічною задачею є підвищення ефективності та інтенсивності процесів сепарації гетерогенних багатокомпонентних сумішей. Розробка нових та вдосконалення існуючих способів сепарації є обов'язковою, оскільки більшість існуючих способів розділення, таких як відстоювання, фільтрування та центрифугування не дозволяють отримати очищений продукт який би відповідав сучасним вимогам, нормам та стандартам якості. На основі огляду літературних джерел був проведений аналіз існуючих способів розділення газорідинних сумішей та конструкцій, що їх реалізують. Було зроблено висновок, що на сьогоднішній день з точки зору питомих енерговитрат та ефективності сепарації найбільш оптимальними являються сепараційні пристрої основною діючою силою в яких є сила інерції. Широко розповсюдженими пристроями є жалюзійні сепараційні пристрої. Проаналізовано особливості протікання процесу розділення газокраплинних потоків в них, їх конструктивні особливості та методики розрахунку. Вказані їх основні переваги та недоліки а також шляхи щодо їх уникнення. На підставі проведеного аналізу запропонований новий спосіб розділення газорідинних сумішей з використанням динамічних сепараційних пристроїв, що дозволяють регулювати гідравлічний опір. У зв’язку з тим, що під час роботи даних сепараційних пристроїв потік викликає деформацію пружних відбійних елементів, які в свою чергу викликають зміну параметрів потоку необхідно вирішувати задачу гідроаеропружності. У зв’язку з цим було проаналізовано методи математичного моделювання процесу гідроаеропружної взаємодії потоку газу та/або рідини з пружними тілами. Після чого було зроблено висновок про доцільність проведення математичної ідентифікації параметрів математичних моделей гідроаеропружних явищ, що супроводжують процеси розділення гетерогенних систем методом вібраційно-інерційної сепарації. У зв’язку з тим, що метод вібраційно-інерційної сепарації гетерогенних сумішей на даний час майже не досліджений та широко розповсюджених конструкцій пристроїв або обладнання не існує, були розроблені та захищені патентами України на корисну модель нові конструкції динамічних сепараційних пристроїв. Описано їх принцип роботи та суть фізичних процесів, що в них протікають. Одним з таких процесів являється гідроаероропружна взаємодія газорідинного потоку та пружних елементів динамічних сепараційних пристроїв. Виходячи з особливостей роботи динамічних сепараційних пристроїв розроблена загальна методика проведення дисертаційних досліджень. Методика складається з послідовних етапів, що в свою чергу містять фізичні та числові експерименти задачами яких є визначення гідродинамічних показників та гідроаеропружних параметрів, таких як критичні швидкості, що призводять до втрати статичної та динамічної стійкості пружних елементів, визначення частот та амплітуд коливань а також дослідження впливу механічних коливань на газорідинний потік. Для проведення фізичних досліджень розроблена експериментальна установка, що враховує теорії подібності та дозволяє відтворити умови наближені до реальних режимів роботи сепараційного обладнання та динамічних сепараційних пристроїв, а саме потік газорідинної суміші швидкість якого може становити від 0,1 до 13,1 м/с (Re 882 - 115,6•103), і провести випробування дослідно-експериментальних зразків пружних елементів даних пристроїв, з метою визначення особливостей їх роботи. Для вирішення задач гідроаеропружності числовими методами застосовувався програмний комплекс ANSYS, що дозволяє вирішувати зв’язані задачі механіки рідини та деформівного тіла, в якому за допомогою модулю System Coupling можливо поєднати модулі Fluent та Transient Structural, що застосовуються для дослідження гідродинаміки руху рідини та напружено-деформованого стану конструкцій відповідно. Під час проведння теоретичних досліджень процесу роботи динамічних сепараційних пристроїв були розророблені математичні моделі взаємодії газорідинного потоку та пружних елементів динамічних сепараційних пристроїв. Для дослідження деформацій елементів викликаних потоком було використано метод скінченних елементів та основні його залежності. З статичного розрахунку попередньо здеформованого стану були отримані залежності для визначення максимальних деформацій пружних елементів динамічних сепараційних пристроїв. На основі розрахунку попередньо здеформованого стану пластин було проведено стаціонарний розрахунок гідроаеропружної взаємодії газорідинного потоку та пружних відбійних елементів за допомогою методу скінченних елементів, а саме матричних рівнянь. В даних рівняннях матриця жорсткості динамічного відбійного елемента визначається за допомогою чисельних та фізичних експериментів, та вектор узагальнених вузлових сил, до якого входить стаціонарна складова узагальнених зовнішніх сил, що теж визначається за допомогою чисельних та фізичних експериментів. Визначена критична швидкість дивергенції та за допомогою методу комплексних амплітуд була визначена критична швидкість флатеру. Також розроблена математична модель гідроаеропружної взаємодії потоку з пружними елементами синусоїдальної форми, в результаті розв’язання якої визначені такі характеристики як форма кривизни каналу в амплітудних значеннях та видовження каналу під дією гідродинамічного тиску. Враховуючи, що під час протікання процесу сепарації газорідинного потоку відбувається процес стікання плівки вловленої рідини, що суттєво впливає на його ефективність, за допомогою введення спрощень та допущень в систему рівнянь Нав’є-Стокса, що були замкнені рівняннями нерозривності були отримані залежності осередненої товщини тривимірної плівки рідини від розмірів осаджувальної поверхні, та осереднені значення швидкості. Також визначений кут відхилення вектору швидкості від вертикального напрямку. В результаті проведених числових та фізичних експериментів були визначені основні характеристики та робочі режими динамічних сепараційних пристроїв. Так в ході фізичних моделювань гідроаеропружної взаємодії потоку з пружними елементами були визначені власні частоти і амплітуди коливань при різних швидкостях потоку (2,6 – 11,6 м/с, Re: 22,9•103 - 102,4•103) та різних товщинах елементів (0,4•10-3 – 0,6•10-3 м). Визначені робочі режими пружних елементів, які виникають при різній швидкості потоку та відрізняються частотою та амплітудою коливань. Числові експерименти дозволили визначити максимальні деформації та сили прикладені до поверхні пружних елементів зі сторони потоку, при цьому за результатами моделювань виведені залежності, які дозволяють розраховувати розмах коливань від швидкості потоку, оцінку адекватності яких проведено за допомогою критерію Фішера. Дані, що були отримані в ході числового експерименту, дозволили провести ідентифікацію невідомих параметрів розробленої математичної моделі взаємодії потоку з пружними елементами синусоїдальної форми. В результаті аналізу отриманих результатів теоретичних та експериментальних досліджень розроблена інженерна методика розрахунку динамічних сепараційних пристроїв, яка включає послідовні етапи технологічних та конструктивних розрахунків і дозволяє визначити основні гідродинамічні показники та гідроаеропружні характеристики процесу взаємодії газокраплинного потоку та пружних відбійних елементів. На онові конструктивних особливостей даних пристроїв надані рекомендації щодо раціонального компонування у багатофазних розділювачах а також розроблена їх конструктросько–технологічна класифікація, внаслідок чого значно спрощується процес проектування, виготовлення та експлуатації. В процесі виготовлення експериментальної установки та пружних відбійних елементів і проведення фізичних досліджень процесу гідроаеропружної взаємодії були розроблені практичні рекомендації щодо компонування, кодування та складання, які дозволять відтворити параметри роботи динамічних сепараційних пристроїв та забезпечити ефективне протікання робочого процесу.

Дисертації

Browse

Filters

Settings

Sort By

Results per page

Search Results