Федеральное учебно-методическое объединение в системе высшего образования «Техносферная безопасность и природообустройство» (председатель)
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
В настоящее время интенсификация процессов фильтрования в средах с высокой концентрацией твердых частиц по-прежнему вызывает большой интерес во многих секторах, таких как нефтедобыча, нефтепереработка, химическая, медицинская и пищевая промышленность. Одной из причин, препятствующих фильтрованию, может быть высокий уровень вязкости дисперсионной среды. Известно, что скорость фильтрации обратно пропорциональна вязкости. Поэтому фильтрация вязких жидкостей будет происходить намного медленнее. Кроме того, фильтровальная среда, характеризующаяся высокой концентрацией твердых частиц, приводит к более высоким затратам на создание движущей силы процесса, быстрому засорению пор фильтрующего материала и необходимости частой регенерации фильтрующего материала. Многие среды, характеризующиеся высокой вязкостью, такие как минеральные масла, растворы и расплавы полимеров, сильно загрязненные воды, имеют тенденцию к уменьшению проточного сечения канала пористого материала. В результате меняются гидравлические характеристики и затрудняется регенерация фильтрующего материала. Следовательно, требуется замена фильтрующего материала, что увеличивает затраты. Можно интенсифицировать процесс фильтрации, обеспечив предварительное приготовление суспензии, например, увеличив температуру среды или уменьшив вязкость суспензии, а также добавив подходящий растворитель. Во многих технологических процессах такие методы недопустимы. По-прежнему актуальной задачей остается проектирование, разработка и исследование устройств, позволяющих увеличить срок службы фильтрующего материала и снизить энергозатраты на создание необходимого градиента давления при сохранении компактности устройства и обеспечении необходимой тонкости фильтрования. В статье предлагается использовать фильтрацию в сочетании с очисткой в центробежных и вибрационных полях, создаваемых в гидродинамических фильтрах. Поле центробежных сил в гидродинамическом фильтре формируется за счет тангенциального ввода жидкости в аппарат и вращения цилиндрической пористой перегородки фильтра. Метод отличается от других технологий тем, что в кольцевой зоне аппарата создается потенциальный поток в поле центробежных сил. Такая организация потока позволяет очищать фильтруемую среду от загрязняющих веществ до 80% за счет механизма центробежной силы. Загрязняющие вещества удаляются из фильтра без осаждения на перегородке фильтра. Это снижает нагрузку на фильтрующий материал и увеличивает срок его службы. Предусмотренная в ее конструкции вибрация фильтрующей перегородки позволяет разрушать на ней слой осадка, и направлять осадок в поток фильтрата. Таким образом, предлагаемый гидродинамический фильтр обладает способностью к самочищению. Разработана математическая модель исследуемого процесса и проведено численное исследование эффективности отделения частиц. Экспериментально продемонстрирована возможность использования предложенного метода фильтрования при разделении высоковязких сред.
фильтрация, высокая вязкость, гидродинамический фильтр, центробежные и вибрационные поля, разделение
1. Brazhenko V.N. (2017) Theoretical Research of the Efficiency of a Fluid Mechanical Cleaning by a Rotary Filter. Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal), 2(28), 17-22.
2. Mochalin, I., & Brazhenko, V., Yashchuk, O. (2017, May). An experimental research of the efficiency of a fluid mechanical cleaning by a rotary filter. In Proceedings of the 20th Conference for Lithuania Junior Researchers" Science-Future of Lithuania".-Vilnius, Lithuania (pp. 43-46).
3. Mochalin, I. V., & Khalatov, A. A. (2015). Centrifugal instability and turbulence development in Taylor-Couette flow with forced radial through flow of high intensity. Physics of Fluids, 27(9), 094102.
4. Devisilov, V. A., & Sharai, E. Y. (2018). Particle separation in an annular converging channel with an inner rotating permeable baffle. High Temperature, 56(4), 576-580. DOI:https://doi.org/10.1134/S0018151X18040053
5. Aleksandrov, A., Devisilov, V., Sharai, E., & Kiselyova, D. (2018). Effect of geometric parameters of working channel of hydrodynamic filter with protective baffle on medium flow structure. Herald of the Bauman Moscow State Technical University, Series Natural Sciencesiss, 2, 23-38. DOI:https://doi.org/10.18698/1812-3368-2018-2-23-38
6. Devisilov, V., & Sharai, E. (2019, March). Hydrodynamic filters in hydraulic fluid cleaning system of hydraulic drive. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 492, No. 1, p. 012025). IOP Publishing.
7. Ji, P., Motin, A., Shan, W., Bénard, A., Bruening, M. L., & Tarabara, V. V. (2016). Dynamic crossflow filtration with a rotating tubular membrane: Using centripetal force to decrease fouling by buoyant particles. Chemical Engineering Research and Design, 106, 101-114.
8. Zheng, J., Cai, J., Wang, D., E, S., & Mochalin, I. (2019). Suspended particle motion close to the surface of rotating cylindrical filtering membrane. Physics of Fluids, 31(5), 053302.
9. Pavlikhin, G.P., Lvov, V.A., Grechushkin, A.N. (2002) Statistical Study of Filtering Small-Concentration Suspension Using Granular Filter Medium. Vestnik MGTU. Natural Sciences, 2, 121-125.
10. Varaksin, A. Y., Protasov, M. V., Marinichev, D. V., & Vasil’ev, N. V. (2015). An Analysis of the Parameters of Flare Particles for Optical Diagnostics of Vortex Flows. Measurement Techniques, 58(6), 655-660.
11. Petrov, A., Isaev, N., & Kuleshova, M. (2019, March). Test bench flow straightener design investigation and optimization with computational fluid dynamics methods. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 492, No. 1, p. 012036). IOP Publishing.
12. Gouskov, A., Lomakin, V., Banin, E., Kuleshova, M., & Chaburko, P. (2019, March). Investigation of the influence of centrifugal pump wet part geometry on hemolysis index. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 492, No. 1, p. 012013). IOP Publishing.
