Совершенствование аппаратов вихревого типа для проведения гидромеханических процессов разделения дисперсных сред

Цель исследования - разработка методологии совершенствования технологического оборудования, в котором реализуются мультивихревые течения, на основе экспериментальных исследований и численного моделирования гидродинамики и сепарации многофазных сред. Для достижения этой цели были определены следующие задачи: 1. На основе анализа недостатков существующих аппаратов вихревого типа разработка новых подходов к реализации процессов и их конструктивному оформлению, заключающихся в создании течений с множественными вихрями малого масштаба. 2. Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления разработанного мультивихревого классификатора частиц на созданной экспериментальной установке. 3. Теоретическое исследование поля скоростей и эффективности разделения частиц в мультивихревом классификаторе частиц. 4. Экспериментальное исследование перепада давления и эффективности процесса при сепарации частиц из газового и жидкого потоков в оборудовании, оснащенном модифицированными вставками различной геометрии. 5. Численное моделирование потоков в устройствах с модифицированными вставками для анализа течения сплошной фазы и траекторий дисперсных частиц с целью выявления зависимости эффективности сепарации от геометрических параметров оборудования и режимных параметров процесса. 6. Исследование и анализ гидравлического сопротивления разработанных блочных мультивихревых сепараторов при различных вариантах геометрического исполнения устройств и технологических режимов их работы для очистки газов от аэрозолей и липких частиц. 7. Теоретическое и экспериментальное исследование эффективности процесса очистки газов от аэрозолей и липких частиц в блочных мультивихревых сепараторах. 8. Создание инженерных методик расчета мультивихревых аппаратов для сепарации многофазных сред и очистки газов с использованием микровихрей. 9. Использование методов машинного обучения (Orange Data Mining) и написание кода на Python для анализа и обработки экспериментальных и численных данных, а также для оценки недостающих данных, связанных с процессами классификации и очистки. 10. Разработка реальных промышленных процессов классификации частиц, сепарации двухфазных потоков с использованием аппаратов мультивихревого типа. 11. Разработка и патентование конструкций мультивихревых аппаратов, их технико-экономическое обоснование и рекомендаций по внедрению разработанных устройств на промышленных предприятиях. Научная новизна работы: 1. Впервые предложено использование микровихрей в мультивихревых устройствах для очистки газов, классификации дисперсных систем по размерам частиц и разделения эмульсий, что открывает новые возможности для более эффективной работы устройств с минимальными потерями энергии. 2. Проведено экспериментальное и численное исследование гидродинамики с множественными вихрями малого масштаба в оборудовании для классификации частиц, сепарации двухфазных потоков и очистки газов от аэрозолей и липких частиц. Получены результаты по перепаду давления, полям скоростей и эффективности процесса в перечисленных видах оборудования. 3. В результате экспериментальных и теоретических исследований получены зависимости для определения эффективности процессов очистки, классификации и сепарации потоков при различных конструктивных вариантах оборудования и значениях режимных параметров процессов. 4. Для процессов сепарации и классификации частиц, очистки газов от аэрозолей и липких частиц впервые получены экспериментальным путем зависимости гидравлического сопротивления потоков при реализации перечисленных процессов, в зависимости от режимных и геометрических параметров. 5. Впервые создан алгоритм расчета, основанный на использовании программы Orange Data Mining, с включением машинного обучения для оценки недостающих данных по эффективности работы мультивихревого устройства и оптимизации гидродинамических характеристик устройств является инновационным подходом в сфере гидромеханических процессов. Теоретическая и практическая значимость работы: 1. Создана методология комплексной оценки гидродинамических процессов в мультивихревых устройствах с различными конструктивными вставками и дальнейшего совершенствования протекающих в них гидромеханических процессов. 2. В результате выполненного комплекса экспериментальных и теоретических исследований получены эмпирические зависимости гидравлического сопротивления и эффективности работы устройств мультивихревого типа. 3. Разработаны инженерные методики расчета разработанных аппаратов мультивихревого типа. 4. Разработаны и запатентованы конструкции аппаратов с закрученными потоками для интенсификации гидромеханических процессов классификации, сепарации, разделения гетерогенных систем и др., обладающие низким гидравлическим сопротивлением, высокой эффективностью работы. Даны рекомендации по выбору конструктивных характеристик разработанных аппаратов для сред с различной дисперсной средой. 5. Получены качественные и количественные результаты технико-экономической эффективности работы разработанных аппаратов мультивихревого типа. 6. Разработанные конструкции мультивихревого типа приняты к внедрению на предприятиях и в организациях ООО «Скатз», ООО «Каматек», АО «ВНИИУС». 7. Даны рекомендации по утилизации уловленных блочными мультивихревыми сепараторами частиц в качестве компонентов композитных изделий.