METODIKA MERANIA PROCESNÝCH PARAMETROV HYDROCYKLÓNOVÉHO SEPARÁTORA

Transcript

1 METODIKA MERANIA PROCESNÝCH PARAMETROV HYDROCYKLÓNOVÉHO SEPARÁTORA Ing. Ľuboš Brišš Školiteľ: prof. Ing. Marián Peciar, PhD. Konzultant: Ing. František Dzianik, PhD. Slovenská technická univerzita, Strojnícka fakulta, Ústav chemických a hydraulických strojov a zariadení, Nám. slobody 17, Bratislava 1, lubos.briss@stuba.sk Abstrakt Hydrocyklóny svojou konštrukciou patria k najjednoduchším typom separátorov, ale keďže k procesu separácie dochádza vplyvom komplexného vírivého prúdenia, samotný odlučovací proces, ako aj jeho teoretický opis, je pomerne zložitý. Na proces separácie vplýva množstvo faktorov, ktoré je pri exaktnom matematickom opise odlučovacieho procesu nevyhnutné dostatočne kvantitatívne aj kvalitatívne zahrnúť. Nie je preto možné odvodiť jednoduchý exaktný vzťah pre výpočet účinnosti odlučovania, ktorý by uspokojivo zahrňoval všetky konštrukčné a prevádzkové parametre a zohľadnil všetky vplývajúce faktory. Pre výpočet účinnosti odlučovania sa preto používajú vzťahy vychádzajúce z empirických poznatkov, ktorých správne používanie vyžaduje komplexný prehľad o problematike. Najdôležitejšími parametrami ovplyvňujúcimi separačný proces v hydrocyklóne sú jeho geometria a konštrukčné vyhotovenie, tlaková strata medzi vstupom do zariadenia a prepadovou rúrou, prietok zmesi cez zariadenie, hustota, veľkosť a geometrický tvar dispergovaných častíc, ich koncentrácia v zmesi a hustota a viskozita disperznej tekutiny. V článku predstavíme metodiku merania týchto parametrov pri experimentoch, ktoré nám poslúžia k návrhu matematického modelu pre vyjadrenie frakčnej účinnosti hydrocyklónov. Pozornosť bude venovaná meraniu konkrétnych prevádzkových parametrov so zreteľom na zvýšenie presnosti merania a spracovanie nameraných údajov. Navrhnutý matematický model poslúži k presnejšiemu opisu separačného procesu v hydrocyklónoch na základe jeho hlbšieho poznania prostredníctvom čo najpresnejších experimentov a tým k optimalizácii hydrocyklónov ako separátorov. Kľúčové slová hydrocyklón, účinnosť odlučovania, procesné parametre 1. Úvod V praxi sa často stretávame s požiadavkou odseparovať tuhé častice z rôznych suspenzii. K tomuto účelu sa používa niekoľko rozličných zariadení, ktoré pracujú na základe rôznych princípov. Vďaka svojej jednoduchosti a spoľahlivosti si medzi nimi oprávnene našli miesto aj hydrocyklóny. Hydrocyklóny sú separátory bez pohyblivých častí, v ktorých k separácii dochádza vplyvom poľa odstredivých síl. Napriek tomu, že ich princíp a základná konštrukcia sú známe už vyše 100 rokov, stále sú rezervy v exaktnom zvládnutí teoretického opisu procesov prebiehajúcich v hydrocyklónoch kvôli jeho zložitosti a preto sú stále opodstatneným predmetom výskumu. K najdôležitejším procesným parametrom patria tlaková strata v hydrocyklóne, celkový prietok suspenzie cez hydrocyklón a účinnosť separácie. Náš výskum sa zaoberá vplyvom rôznych faktorov na účinnosť separácie.

2 Vychádza z výsledkov získaných na experimentálnej hydrocyklónovej stanici, ktorá bola pre tieto účely na ÚCHHSZ SjF STU vybudovaná. V článku bude experimentálna hydrocyklónová stanica bližšie predstavená a bude tiež opísaná metodika merania konkrétnych procesných veličín na stanici. 2. Experimentálna hydrocyklónová stanica Cieľom našej výskumnej činnosti je na základe experimentálnych meraní a publikovaných poznatkov navrhnúť aproximatívny matematický model opisujúci frakčnú účinnosť hydrocyklónov. Aby boli výsledky experimentálnej činnosti pre jeho návrh relevantné, je nevyhnutné experimenty vykonať pri rôznych procesných podmienkach (prietoky, tlaky, tlakové straty a pod.) a tak isto pre rôznu geometriu hydrocyklóna. Z týchto dôvodov bola pre potreby skúmania procesných charakteristík hydrocyklónových separátorov na ÚCHHSZ SjF STU vybudovaná experimentálna hydrocyklónová stanica (obr. 1). Obr. 1. Schéma hydrocyklónovej experimentálnej stanice 1 - hydrocyklón, 2 nádrž so suspenziou, 3 - čerpadlo, 4 - elektromotor, 5 - frekvenčný menič, 6 - miešadlo s elektromotorom, 7 - tlakomer, 8 - teplomer, 9 - snímač sily, 10 - nádoba na meranie prietoku, 11 - meracia karta, 12 počítač, 13 guľový ventil, 14 trojcestný guľový ventil, 15 rohový guľový ventil, 16 výpustný ventil Stanica sa skladá z hydrocyklóna (1), ktorý je pevne uchytený k nosnej konštrukcii. Hydrocyklón je rozoberateľný a výmena jednotlivých komponentov umožňuje meniť jeho geometriu. Suspenzia je z nádrže objemu cca 50 litrov (2) čerpaná hydrodynamickým čerpadlom (3), ktoré je poháňané trojfázovým elektromotorom s príkonom 7,5 kw (4). Regulácia prietoku je zabezpečená zmenou frekvencie otáčania hriadeľa čerpadla pomocou frekvenčného meniča (5), cez ktorý je pripojený hnací elektromotor k elektrickej sieti. Homogenizácia suspenzie je zabezpečená miešadlom poháňaným 80 W elektromotorom. Tlaky na vstupe do hydrocyklóna a na výstupe z prepadovej rúry sa merajú analógovými tlakomermi (7). Pripojenie tlakomerov je konštrukčne vyriešené tak, aby sa analógové

3 tlakomery v prípade potreby dali jednoducho a rýchlo nahradiť tlakovými snímačmi s elektrickými prevodníkmi tlaku.. Keďže sa jedná o uzavretý cyklus, je zrejmé, že suspenzia sa vplyvom hydraulického trenia bude zohrievať. Toto zohrievanie bude relatívne pomalé a nakoľko bude suspenzia neustále premiešavaná, možno uvažovať rovnomerné rozloženie teploty v systéme. Z tohto dôvodu je postačujúce merať teplotu len v jednom bode, z technického hľadiska je najjednoduchšie umiestniť teplomer (8) do nádrže na suspenziu. Snímače sily (9) slúžia na meranie zmeny tiaže nádob na meranie prietoku (10) po uzavretí ventilov (14, resp. 15), čím vlastne vytvárajú hmotnostné prietokomery. Signál zo snímačov sily je cez meraciu kartu (11) prevedený do počítača (12). Guľový ventil (13) slúži k regulácii tlaku za prepadovou rúrou a výpustný ventil (16) k vypusteniu suspenzie zo systému. 3. Meranie hmotnostných prietokov Pri hydrocyklónoch sa jeden vstupný prúd heterogénnej kvapalnej zmesi rozdeľuje na dva výstupné prúdy; prepadový a výtokový. S pohľadu presnosti merania by bolo najvhodnejšie merať hmotnostné prietoky pri všetkých troch prúdoch a bilančné rovnice by slúžili k overeniu nameraných hodnôt a eliminovaniu chýb merania. Použitá metóda merania však nie je v našom prípade aplikovateľná na meranie hmotnostného prietoku vstupného prúdu a preto bilančné rovnice poslúžia iba k jeho výpočtu. Nádoby na meranie hmotnostných prietokov (obr. 2) sú zavesené na snímačoch so zreteľom na to, aby nádrž na snímači visela bez ďalšieho kontaktu s okolitými predmetmi. Z dôvodu, aby sa v priebehu merania prietoku nezvyšoval v meracej nádobe tlak a neovplyvňoval tak hmotnostný prietok suspenzie, sú nádoby z vrchu otvorené, čím je zabezpečený výstup suspenzie do atmosféry. Pri meraní hmotnostného prietoku sa uzavrie ventil na spodku nádoby, čím začne narastať jej tiaž, jedná sa teda o meranie hmotnostného prietoku nespojitou metódou. Snímače sily transformujú zmenu tiaže nádrže na zmenu elektrického napätia a zaznamenaný signál je cez meraciu kartu transportovaný do počítača, kde je spracovaný pomocou softwaru LabVIEW. V prípade prepadového prúdu je prietok cez meraciu nádobu nepretržitý a pri meraní prietoku sa uzavrie ventil na spodku nádoby, čím začne hladina v nádobe stúpať. Použitie trojcestného ventilu na spodku nádoby umožňuje odoberať vzorky na frakčnú analýzu častíc v prúde a na stanovenie koncentrácie. Pri výtokovom prúde by konfigurácia s nepretržitým prietokom cez meraciu nádobu vyžadovala vyššie umiestnenie hydrocyklóna, čo by k nemu skomplikovalo prístup. Použitý experimentálny hydrocyklón umožňuje meniť svoju geometriu a preto sa predpokladá častá manipulácia s ním. Z tohto dôvodu je za výtokovým otvorom hydrocyklónu umiestnený trojcestný ventil a za bežných podmienok suspenzia z výtokového otvoru prúdi priamo do nádrže na suspenziu. V prípade merania hmotnostného prietoku výtokového prúdu sa ventil prepne do druhej polohy a tým výtokový prúd tečie do meracej nádoby. Po natečení dostatočného množstva sa ventil vráti do pôvodnej polohy a suspenzia sa z meracej nádoby vypustí rohovým ventilom do nádoby, z ktorej sa preleje naspäť do nádrže na suspenziu. Pomocou rohového ventilu na spodku meracej nádoby sa odoberajú aj vzorky na frakčnú analýzu častíc a na stanovenie koncentrácie.

4 Nameraná hmotnosť (kg) Obr. 2. Meracia nádoba Spracovaný signál zo snímačov sily v podobe napätia bol osobitne pre obidva snímače nakalibrovaný v programe LabVIEW priamo na hmotnosť pomocou závaží hmotností 0,5, 1 a 2 kg, ktorými bola meracia nádoba postupne zaťažovaná od 0 po 5 kg s krokom 1 kg. Postupné zaťažovanie meracích nádob slúžilo k overeniu lineárneho priebehu charakteristiky snímača, čím je závislosť zaznamenaného elektrického napätia od zaťaženia. Na obr. 3 je uvedená korelačná závislosť kalibrácie snímača prepadového prietoku hmotnosť závažia (kg) Obr. 3. Korelačná závislosť kalibrácie snímača prepadového prietoku Pri meraní prietoku sa v programe LabVIEW zapne ukladanie nameraných hodnôt. Následne sa uzatvorí ventil na spodku meracej nádoby v prípade merania hmotnostného prietoku prepadového prúdu, v prípade merania hmotnostného prietoku výtokového otvoru sa prepne poloha ventilu za výtokovým otvorom. Po uplynutí dostatočného času sa ventil vráti do pôvodnej polohy. Čas dostupný pre meranie je obmedzený kapacitou meracích nádrži, z čoho vyplýva skracovanie sa maximálneho možného času merania hmotnostného prietoku s jeho zvyšovaním. Po prepnutí ventilov do pôvodnej polohy sa v programe LabVIEW vypne

5 ukladanie nameraných hodnôt. Na obr. 4 vidieť grafické zobrazenie časového priebehu hmotnosti meracej nádoby a pritekajúcej suspenzie v programe LabVIEW. Obr. 4. Časový priebeh hmotnosti meracej nádoby a suspenzie počas merania hmotnostného prietoku Z obr. 4 vidieť, že časový priebeh hmotnosti meracej nádoby a suspenzie možno rozdeliť na tri časti; nábeh, ktorý je spôsobený oneskorením prepnutia ventilu oproti zapnutiu zaznamenávania nameraných hodnôt, samotným meraním a dobehom spôsobeným oneskorením vypnutia zaznamenávania hodnôt oproti prepnutiu ventilu do pôvodnej polohy. Jednoduchým posunutím začiatku a konca merania v programe LabVIEW je možne odstrániť z nameraných hodnôt nábeh a dobeh merania (viď obr. 5). Obr. 5. Selekcia nameraných dát Takto vyselektované dáta sa exportujú do programu Microsoft Excel k ďalšiemu spracovaniu, v ktorom sa z časového priebehu hmotnosti meracej nádoby a suspenzie získa rovnica trendovej čiary. Pri ustálenom prietoku je trendová čiara priamka a jej smernica je potom už priamo meraný hmotnostný prietok. Na obr. 6 je vidieť príklad spracovania nameraných dát v programe Microsoft Excel pre prípad hmotnostného prietoku 0,214 kg.s -1.

6 hmotnosť meracej nádrže a suspenzie (kg) y = 0.214x R² = čas (s) Obr. 6. Spracovanie nameraných dát v programe Microsoft Excel. Kvôli štatistickému spracovaniu nameraných dát (tabuľka 1) je meranie každého prietoku opakované sedem krát. Aritmetický priemer a smerodajná odchýlka je po vyradení dvoch hodnôt počítaná len z piatich hodnôt, väčšinou sú vyradené najmenšia a najväčšia nameraná hodnota, na uvedenom príklade v tabuľke 1 sú to zvýraznené hodnoty 0,217 kg.s -1 a 0,212 kg.s -1. Tabuľka 1. Štatistické spracovanie nameraných dát Meranie Hmotnostný prietok (kg.s -1 ) 1 0, , , , , , ,215 Aritmetický 0,2138 priemer Smerodajná 0,00084 odchýlka

7 4. Meranie koncentrácie Koncentrácia znamená vyjadrenie podielu látky v zmesi. Spôsobov, ako vyjadriť koncentráciu, existuje niekoľko. Podľa fyzikálnej veličiny, pomocou ktorej je koncentrácia vyjadrená, rozoznávame koncentrácie hmotnostné, molové a objemové. Podľa toho, či je množstvo danej látky vztiahnuté na množstvo ostatných látok v sústave, alebo na množstvo celej sústavy, teda vrátane množstva samotnej látky, rozoznávame koncentrácie relatívne a absolútne. Ďalej môže byť koncentrácia vyjadrená kombinovane, teda množstvo jednotlivých látok v systéme je vyjadrené pomocou rôznych fyzikálnych veličín. Medzi takéto vyjadrenie patrí napríklad látková koncentrácia, kde koncentrácia je vyjadrením látkového množstva zložky na jednotku objemu (mol.l -1 ). Pre látkovú koncentráciu zložky A platí: Iným kombinovaným vyjadrením koncentrácie je hmotnostná koncentrácia, ktorá je vyjadrená hmotnosťou zložky na jednotku objemu (g.l -1 ). Pre hmotnostnú koncentráciu zložky A platí: Pre naše účely je najvyhovujúcejšie vyjadriť koncentráciu pomocou hmotnostných zlomkov. Relatívny hmotnostný zlomok vyjadruje hmotnosť zložky A v sústave k hmotnosti ostatných zložiek, resp. pri dvojzložkových sústavách k hmotnosti zložky B (kg.kg -1, resp. bezrozmerná veličina): Absolútny hmotnostný zlomok vyjadruje hmotnosť zložky A k hmotnosti celej sústavy (kg.kg -1, resp. bezrozmerná veličina): (1) (2) (3) (4) Medzi absolútnym hmotnostným zlomkom a relatívnym hmotnostným zlomkom možno odvodiť závislosti: (5) Zložkou A sú pri našich experimentoch dispergované častice, zložku B tvorí disperzná látka, ktorou bude pri všetkých experimentoch voda. Ako dispergovaný materiál bude pri prvých experimentoch použitý jemne mletý vápenec, neskôr budú použité aj iné, zatiaľ nešpecifikované materiály. Koncentráciu v podobe hmotnostných zlomkov budeme určovať zo vzťahu na výpočet hustoty suspenzie ρ s : z ktorej vyjadríme absolútny hmotnostný zlomok: (6) (7)

8 (8) Hustotu vápenca ρ t uvádza výrobca 2700 ± 100 kg.m -3. Presnejšiu hodnotu sme sa snažili získať pomocou pyknometrickej metódy stanovenia hustoty partikulárnych látok. Na základe experimentov sme prišli k záveru, že táto hustota nie je konštanta v celom objeme materiálu. Nami získané hodnoty takisto variovali okolo hodnoty 2700 kg.m -3, ale s prijateľnejšou odchýlkou ± 50 kg.m -3. Do vzťahu (8) na výpočet absolútneho hmotnostného zlomku budeme preto za hustotu vápenca ρ t dosádzať hodnotu 2700 kg.m -3. Z technických a ekonomických dôvodov ako disperznú látku nebudeme používať destilovanú, resp. demineralizovanú vodu, ale vodu z vodovodnej siete. Za hustotu vody ρ l do vzťahu (8) budeme dosádzať tabelizovanú hustotu vody pri aktuálnej teplote. Hustota vody z vodovodnej siete bola stanovená pomocou hustomeru a získaná hodnota korešpondovala s tabelizovanou hustotou vody pri aktuálnej teplote. Taktiež vzhľadom k variovaniu hustoty vápenca sa presnejšie stanovovanie hustoty vody javí ako zbytočné. Hustotu suspenzie budeme stanovovať na základe definičného vzťahu hustoty: Pri stanovovaní hustoty suspenzie výtokového prúdu budeme určovať hmotnosť a objem vzorky v meracej nádobe. Hmotnosť vzorky získame pomocou snímača sily odčítaním hmotnosti meracej nádoby od nameranej hodnoty hmotnosti. Presnosť nameranej hodnoty hmotnosti meracej nádrže so suspenziou je značne ovplyvnená šumom snímača. Chybu merania budeme eliminovať dlhšou dobou merania a opakovaním merania. Objem vzorky stanovíme vizuálne zo stupnice na meracej nádobe, ktorú sme predtým naciachovali. Keďže cez meraciu nádobu pre prepadový prúd je tok suspenzie nepretržitý, nie je možné použiť na stanovenie hustoty suspenzie tú istú metódu, ako pre výtokový prúd. Na určenie hustoty suspenzie prepadového prúdu použijeme pyknometrickú metódu. Pyknometer je sklenená nádoba s presne definovaným objemom uzatvorená sklenenou zábrusnou zátkou, v ktorej je kapilára. Pyknometer sa naplní vzorkou a uzavrie zátkou. Prebytočná suspenzia vytečie z pyknometra cez kapiláru a pyknometer sa zvonku osuší. V pyknometri nesmú zostať žiadne vzduchové bubliny. Hmotnosť vzorky v pyknometri sa stanoví vážením, objem vzorky je daný objemom pyknometra. Pyknometre, ktoré máme k dispozícii na ÚCHHSZ, majú objem od 25 ml po 100 ml. Kvôli vysokým rýchlostiam prúdenia suspenzie nie je možné odoberať vzorku priamo do pyknometra, ale je potrebné odobrať ju najprv do väčšej nádoby, z ktorej sa do pyknometra následne preleje. Nakoľko vápenec vo vode pomerne rýchlo sedimentuje, je nutné počas prelievania vzorku premiešavať. Napriek premiešavaniu je aj pri pyknometri objemu 100 ml pomerne ťažké naplniť ho reprezentatívnou vzorkou. Z tohto dôvodu sme ako pyknometer použili 2000 ml sklenenú banku so zábrusom (obr. 7), ktorej presný objem sme získali ciachovaním destilovanou vodou. Na uzatvorenie banky sme použili gumovú zátku, do ktorej sme navŕtali kapiláru. Na dne nádoby, do ktorej sa odoberá vzorka, je umiestnený ventil, cez ktorý sa vzorka dávkuje pri neustálom miešaní do pyknometra, resp. sklenenej banky. Na základe experimentov slúžiacich k overeniu metodiky môžeme konštatovať, že navrhnutým postupom vieme zabezpečiť naplnenie sklenenej banky reprezentatívnou vzorkou suspenzie. Použitím väčšieho pyknometra navyše dosiahneme menšiu relatívnu chybu. Nakoľko z prúdu suspenzie vstupujúceho do hydrocyklónu nie je možné odobrať reprezentatívnu vzorku, bude koncentrácia vstupného prúdu počítaná z bilančných rovníc. Za vstupnú koncentráciu nie je možné považovať vopred pripravenú koncentráciu v nádrži so (9)

9 Objem pyknometra (ml) suspenziou, pretože podľa skúsenosti majú dispergované častice väčšiu tendenciu dostávať sa do čerpadla ako disperzná tekutina a preto spravidla býva vstupná koncentrácia do hydrocyklóna vyššia ako koncentrácia v nádrži na suspenziu. 4.1.Ciachovanie pyknometra Obr. 7. Sklenená banka aplikovaná ako pyknometer Na ciachovanie pyknometra sme použili destilovanú vodu. Teplota vody bola 20 C, podľa [2] je pri tejto teplote hustota destilovanej vody ρ l = 998,2 kg.m -3. Pyknometer sme vážili na analytických váhach s rozsahom 0 až 5 kg s presnosťou ± 0,05 g. Objem pyknometra bol počítaný z definičného vzťahu pre hustotu (rovnica 9). Meranie sme opakovali 15 krát, na obr. 8 sú znázornené vypočítane hodnoty objemu pyknometra Číslo merania Obr. 8. Vypočítané hodnoty objemu pyknometra

10 Za objem pyknometra sme stanovili priemernú hodnotu zo všetkých meraní, teda k výpočtu hustoty suspenzie budeme používať hodnotu objemu pyknometra 2190,5 ml. 5. Frakčná analýza častíc Distribúciu veľkosti častíc v suspenzii budeme získavať zo vzoriek odobraných z výtokového a prepadového prúdu hydrocyklóna do cca 1 litrových nádob. Analýzu uskutočníme na laserovom difrakčnom analyzátore veľkostí častíc SCHIMADZU SALD Tento prístroj využíva na meranie distribúcie rozmerov častíc rozptyl elektromagnetického vlnenia na časticiach v konvergentnom lúči. Tento jav sa nazýva laserová difrakcia (presnejšie rozptyl laserového svetla s malým uhlom). Uhol rozptylu svetla je nepriamoúmerný veľkosti častice, na ktorej sa rozptyľuje dopadajúci laserový lúč. Keď lúč monochromatického svetla dopadne na medzifázové rozhranie dvoch médií (v tomto prípade kvapalina - častica) s rozdielnym indexom lomu svetla, dôjde k rozptylu a pritom sa vytvoria na obrazovke umiestnenej v ohnisku interferenčné prúžky, z ktorých analyzátor vyhodnotí veľkosť častíc. Niekoľkonásobným prechodom častíc sa môže dosiahnuť štatisticky vysoká presnosť merania. Takmer všetky častice sú premerané za veľmi krátky čas, vzhľadom na rýchlu odozvu je výsledok možné získať behom jednej minúty. Priamym výsledkom merania je distribúcia rozmerov častíc podľa objemu, ktorá pri rovnakej hustote materiálu častíc je priamo úmerná aj distribúcii rozmerov častíc podľa hmotnosti. Merací rozsah je 0,015 až 500 μm. Je veľmi dôležité, aby meraná vzorka bola reprezentatívna. Analyzátor pracuje s relatívne malým množstvom častíc, preto pri dávkovaní vzorky môže dochádzať k pomerne veľkým chybám. Tieto chyby eliminujeme premeraním viacerých vzoriek a porovnaním výsledkov. Každá vzorka je premeraná niekoľko krát. Výsledky meraní sú reprodukovateľné, ale aj pri konkrétnych vzorkách dochádza k určitým odchýlkam v nameraných hodnotách. Jednak to je spôsobené samotným prístrojom, keďže je samozrejme, že počas jednotlivých meraní neprejde cez meraciu bunku vždy presne totožný materiál a zároveň môže dochádzať k vznikaniu a rozbíjania aglomerátov v meracom systéme. K zabráneniu vzniku aglomerátov slúži ultrazvuk. Ten však vznik a zánik aglomerátov môže ovplyvňovať rôzne vzhľadom na použitý materiál a okrem rozbíjania aglomerátov môže takisto spôsobovať aj ich vznik. Výsledky frakčnej analýzy rozmerov častíc pri zapnutom ultrazvuku vykazujú určité odlišnosti oproti výsledkom pri jeho vypnutí (obr. 9) Pred vyhodnotením rozsiahlejšej série experimentov sa nedá jasne určiť, ktoré výsledky sú pre vyhodnotenie frakčnej účinnosti odlučovania vhodnejšie. Pokiaľ nejaké častice prejdú hydrocyklónom ako aglomerát, je nutné ako aglomerát ich uvažovať aj pri vyhodnotení frakčnej analýzy. Pri prvých sériách experimentov budeme preto frakčnú analýzu veľkosti častíc vykonávať aj pri zapnutom ultrazvuku, aj pri jeho vypnutí a na základe vyhodnotenia výsledkov sa rozhodneme, ako budeme vykonávať frakčnú analýzu ďalej. Možno očakávať výskyt určitých paradoxov, napríklad objavenie sa fish-hook efektu [4] len pri jednej metóde.

11 Obr. 9. Porovnanie výsledkov frakčnej analýzy pri zapnutí a vypnutí ultrazvuku v programe Wing-2 A2, A3, A4 merania pri vypnutom ultrazvuku, A5-S, A6-S, A7-S merania s ultrazvukom Software k analyzátoru častíc SHIMADZU SALD-7001 je rozdelený na tri časti; WING-1, WING-2 a WING-3. WING-1 je operačný program k samotnému meraniu a umožňuje základné spracovanie dát. WING-2 umožňuje zobrazenie dát z viacerých meraní v jednom grafe (obr. 9) a WING-3 slúži k výpočtu štatistických parametrov (aritmetického priemeru, smerodajnej odchýlky a pod.) z aktuálne zobrazených dát (obr. 10) a na ich exportovanie do iného programu (napríklad Microsoft Office) k ďalšiemu spracovaniu. Obr. 10. Štatistické spracovanie dát v programe WING-3 6. Očakávané výsledky experimentálnej činnosti Cieľom experimentálnej činnosti je získať čo najpresnejšie hodnoty veličín, ktoré sú potrebné pre komplexné vyhodnotenie separačných charakteristík hydrocyklóna. V predchádzajúcej časti je podrobne opísaná metodika merania jednotlivých veličín, pričom pozornosť je sústredená na odlučovanie častíc rôznej veľkosti nachádzajúcich sa v polydisperznej suspenzii. Je zrejmé, že väčšie častice sa v hydrocyklónoch odlučujú s vyššou účinnosťou ako menšie častice. Preto sa pre každú veľkosť častíc dá vyjadriť účinnosť odlučovania osobitne, tzv. frakčná účinnosť. Grafickým znázornením závislosti frakčnej účinnosti odlučovania od

12 veľkosti častíc je krivka frakčnej odlučivosti (obr.11), nazývaná tiež Trompfová S-krivka. Z dát získaných z meraní na experimentálnej hydrocyklónovej stanici a na laserovom difrakčnom analyzátore veľkosti častíc SCHIMADZU SALD-7001 získame krivky frakčnej účinnosti pre konkrétne podmienky merania, ktoré nám poslúžia k získaniu aproximatívneho matematického modelu vyjadrujúceho frakčnú účinnosť odlučovania v hydrocyklónoch. Obr.11. Krivka frakčnej účinnostihydrocyklóna 7. Záver Na ÚCHHSZ SjF STU bola za účelom skúmania procesných charakteristík hydrocyklónových separátorov vybudovaná experimentálna hydrocyklónová stanica. Stanica umožní merať procesné charakteristiky ako sú hmotnostné prietoky, koncentrácie v jednotlivých prúdoch, tlaky pred vstupom do hydrocyklóna a za prepadovou rúrou a teplotu suspenzie. Na vzorkách suspenzie odobratých z jednotlivých prúdov sa vykonajú frakčné analýzy veľkosti častíc na laserovom analyzátore častíc SCHIMADZU SALD Výsledky experimentov poslúžia k návrhu matematického modelu vyjadrujúceho frakčnú účinnosť hydrocyklónov. V budúcnosti sa plánuje vylepšenie experimentálnej hydrocyklónovej stanice meraním hmotnostných prietokov a koncentrácii suspenzie v jednotlivých prúdoch pomocou Coriolisových hmotnostných prietokomerov. Zvýši sa tým presnosť merania a výrazne skráti čas merania Poďakovanie Autori by chceli poďakovať Vedeckej grantovej agentúre Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky a Slovenskej akadémie vied za finančnú podporu tohto výskumu grantom VEGA 1/0652/13 a takisto Slovenskej technickej univerzite za poskytnutie finančných prostriedkov v rámci programu Mladý výskumník.

13 Zoznam použitej literatúry [1] Vavro, K. Hodur, P Cyklonové aparáty pre výrobné technológie a ochranu životného prostredia. Bratislava: Vydavateľstvo STU, 1996, 263 s. ISBN [2] Madlo, V Teoretické základy odboru. Príklady k cvičeniam. Bratislava: Vydavateľstvo STU, 1998, 280 s. ISBN [3] Čerňanský, A. Peciar, M Separačné procesy I. Hydromechanické procesy. Bratislava: STU, 2008, 277 s. ISBN [4] Roldán-Villasana, E.J. - Williams, R.A. Dyakowski, T The origin of the fish-hook effect in hydrocyclone separators. In Powder Technology. 1993, vol. 77, p