2.5 Відстоювання у полі відцентрових сил. Гідроциклони і центрифуги
Інтенсифікацію процесів осадження зважених часток із стічних вод здійснюють впливом на них відцентрових та доцентрових сил у центрифугах і гідроциклонах.
Швидкість поділу неоднорідних систем у полі відцентрових сил вище в порівнянні зі швидкістю поділу цих систем у полі сили тяжіння. Ставлення відцентрової сили до сили тяжіння можна зробити порівнянням прискорень, що діють на частинки домішок у відцентровому й гравітаційному полях, оскільки стосовно до частинки певної маси сили пропорційні до прискорень.
Ставлення відцентрового прискорення νО r2 до прискорення сили тяжіння g називають фактором поділу.
Фактор поділу є важливою характеристикою гідроциклонів і центрифуг, тому що, за інших рівних умов, роздільна дія при осадковому центрифугуванні зростає пропорційно величині kР.
Швидкість руху частки в рідині під дією відцентрової сили залежить від її діаметра dч, різниці щільності фаз Δρ, в'язкості μc і щільності ρc стічної води й від прискорення відцентрового поля J:
νц=к0,385*dчm*ρc(m-2)\3*Δp(m+1)\3*J(m+1)\3\µc(2m-1)\3.
Коефіцієнт пропорційності К і показник ступеня т залежать від гідродинамічного режиму .
Для ламінарного режиму при числі Рейнольдса Reч = wос .dч.ρч/μ0 = 1,6; т = 2, К = 1,7⋅10-4;.
Для перехідного режиму при Reч = 16 ... 420 т = 1,2, K = 2,49 ⋅ 10-3. Для турбулентного режиму Rч> 420; т = 5,36, К = 0,5.
Крім фізичних властивостей рідини, на ефективність роботи гідроциклонів впливають конструктивні параметри: діаметр апарату, співвідношення вхідного та зливних патрубків.
Гідроциклони. Для очищення стічних вод використовують напірні й відкриті (низьконапірні) гідроциклони. Напірні гідроциклони застосовують для осадження твердих домішок, а відкриті гідроциклони – для видалення осаджених і спливаючих домішок. Відкриті (безнапірні) гідроциклони застосовують для очищення стічних вод від великих домішок (гідравлічною крупністю 5 мм/с). Від напірних гідроциклонів вони відрізняються більшою продуктивністю і меншим гідравлічним опором. При обертанні рідини в гідроциклонах (рис. 6,3) на частинки діють відцентрові сили, що відкидають важкі частки до периферії потоку, сили опору рухомого потоку, гравітаційні сили та сили потоку. Сили інерції в потоці рідини незначні, й ними можна знехтувати. При високих швидкостях обертання відцентрові сили значно більше від сил ваги.
Зазвичай гідроциклони застосовують у комплексі з іншими очисними спорудами. Вирішальний вплив на робочий ефект відкритого гідроциклони надають фізичні властивості частинок (розмір, форма, щільність тощо), для затримання яких він призначений, а також геометричні розміри гідроциклони і гідравлічний режим його роботи.
У напірні гідроциклони вода подається через тангенціально спрямований патрубок у циліндричну частину. В гідроциклони вода, рухаючись по гвинтовій спіралі зовнішньої стінки апарату, прямує в конічну його частину. Тут основний потік змінює напрямок руху і переміщується до центральної частини апарату. Потік освітленої води в центральній частині апарата по трубі виводиться з гідроциклони, а важкі домішки вздовж конічної частини переміщаються вниз та виводяться через патрубок шламу. Промисловість випускає напірні гідроциклони декількох типорозмірів. Для грубого очищення застосовують гідроциклони великих діаметрів. При доцільності глибокого очищення стічної води використовують схему послідовного з'єднання різних типорозмірів гідроциклонів. За такою складною схемою з'єднання гідроциклонів подача води може здійснюватися від одного насоса або від кількох насосів, установлених перед подальшими гідроциклонами.
Застосування гідроциклонів звичайної конструкції не завжди приводить до необхідного ступеня очищення стічних вод. Тому було запропоновано низку нових конструкцій удосконалення напірного гідроциклони. Він відрізняється від звичайного напірного гідроциклона тим, що в ньому встановлені коаксіально три зливних патрубки, різних за діаметром і глибиною занурення. Таке розташування патрубків дозволяє працювати цим гідроциклоном як трьом суміщеним гідроциклонам, що мають різний діаметр, продуктивність і ступінь очищення. Тверда частинка, потрапляючи в циліндричну частину гідроциклона, під дією відцентрових сил переміщається вздовж стінки і опускається вниз. У центрі гідроциклона утворюються висхідні потоки легких фракцій, що видаляються через коаксіально розташовані патрубки. Чим менша глибина занурення патрубка, тим більше і більше завись іде по ньому в злив.Частинки, не винесені потоком через патрубки, осідають на дні конічної частини гідроциклони та видаляються через піскові штуцер.
Безнапірний гідроциклон. У відкритих гідроциклонах використовуються переваги відстійних апаратів і напірних гідроциклонів. Відкриті гідроциклони доцільно застосовувати для освітлення порівняно невеликих кількостей стічних вод (100-200 м3/ч), що володіють значною концентрацією суспензії й високими флокуляційними властивостями. Відокремлення зависі від води здійснюється під дією як сил тяжіння, так і відцентрових сил.
У відкритих гідроциклонах можна очищати забруднені води від завислих речовин, нафтопродуктів, допускається також застосування коагуляції для інтенсифікації процесу очищення стічних вод.
Звичайний відкритий гідроциклон за конструкцією подібний до вертикального відстійника, у нього тільки відсутня центральна труба, а підведення води здійснюється тангенціально у нижній частині апарату. Відкритий гідроциклон (рис. 2.15) складається з трубопроводу подачі стічних вод, що очищаються, тангенціального до циліндричної частини аппарата та циліндричного корпусу з витягнутим униз конічним днищем. Вода рухається в апараті, обертаючись уверх, проходить через отвір у конічній діафрагмі, збирається в кільцевий водозбірний лоток та відводиться з апарату. Осад випадає в конічну частину апарата. Найбільшого поширення в чорній металургії дістали гідроциклони діаметром 6 м.
Завдяки тангенціальній подачі води в апараті створюється обертально-поступальний рух, який сприяє укрупненню, флокуляції завислих часток. Це укрупнення відбувається завдяки градієнтній коагуляції. Укрупненню часток сприяє також та обставина, що вода, яка очищується, і домішки, що осаджуються, перебувають у зустрічному русі. Така гідродинаміка аппарата дозволяє домогтися істотної інтенсифікації процесу очищення в порівнянні з вертикальними відстійниками й освітлювачами зі зваженим шаром осаду. Відвід проясненої води здійснюється через кільцевий лоток з водозливом.
а)
б)
в)
г)
Рис. 2.15 Гідроциклони: а – напірний; б – з внутрішнім циліндром і конічною діафрагмою: 1 – корпус; 2 – внутрішній циліндр; 3 – кільцевий лоток; 4 – діафрагма; в – блок напірних гідроциклонів; г – багатоярусний гідро циклон з нахильними патрубками для відведення очищеної води: 1 – конічні діафрагми; 2 – лоток; 3 – водозлив; 4 – маслозбиральна воронка; 5 – розподільні лотки; 6 – шлаковідвідна щілина
Для підвищення ефективності конструкція гідроциклона доповнюється циліндричною перегородкою. Впускання води здійснюється тангенціально в простір, обмежений внутрішнім циліндром. При цьому виникає замкнутий циркуляційний потік, який сприяє поліпшенню якості очщення.
Швидкості руху води у відкритих гідроциклонах значно менше, ніж у напірних гідроциклонах, тому вони забезпечують не відкидання часток до стінок апарата, а їхнє укрупнення в процесі повільного обертально- поступального руху. В нижній частині відкритого гідроциклона відбувається швидке укрупнення часток за рахунок кінетичної і градієнтної коагуляції.
Наявність діафрагми сприяє розширенню потоку води та відділенню завислих речовин, зменшенню обсягу застійних зон і як наслідок цього збільшенню коефіцієнта використання обсягу апарата. Цей коефіцієнт (a ) для відкритих гідроциклонів дорівнює 0,8. За відсутності конічної діафрагми a =0, 5-0,6.
Застосовують відкриті гідроциклони таких типів: без внутрішніх устроїв, з діафрагмою, з діафрагмою і циліндричною перегородкою та багатоярусні.
Ефект очищення у відкритих гідроциклонах визначається в основному гідравлічним навантаженням, що встановлюється залежно від характеристики стічних вод, від ступеня очищення й від геометричних розмірів гідроциклона.
Для всіх видів відкритих гідроциклонів питоме гідравлічне навантаження на гідроциклон визначають за формулою
q = 3,6 ×U0 × к , (2.13)
де U0 – гідравлічна крупність часток, мм/с;
к – коефіцієнт пропорційності, що залежить від конструкції гідроциклона (для простих гідроциклонів к=0,61).
Апарат працює як без коагуляції й флокуляції за допомогою реагентів, так і особливо ефективно за допомогою цих речовин. Ефект роботи гідроциклона значно збільшується при використанні коагулянтів. Так, стосовно до стічних вод газоочищення мартенівських печей та конверторів для досягання необхідної ефективності очищення (150 мг/л в освітленій воді) навантаження без коагуляції становить 5–6 м3 / м2 × год , а із застосуванням коагулянтів – 12 м3 / м2 × год .
Головним недоліком відкритих гідроциклонів є небезпека забивання шламових отворів, що істотно ускладнює експлуатацію. Як можливі шляхи усунення цього явища можна відзначити: 1) устрій скребкового пристрою, який приводиться в дію за допомогою електропривода; 2) видалення осаду з гідроциклона за допомогою шламових насосів. Ці якості дозволяють не тільки виключити забивання шламових отворів, але й зменшити кількість шламової пульпи, що видаляється з апарата і відповідно дозволяє збільшити концентрацію твердої речовини.
Гідроциклони виготовляються діаметром від 10 до 700 мм, висота циліндричної частини дорівнює діаметру апарату. Кут конусності дорівнює 10 ... 20 °. Ефективність гідроциклонів знаходиться на рівні 70%. При зміні в'язкості стічної води швидкість осадження частинок збільшується. Зі зростанням щільності рідини зменшується різниця щільності фаз Δρ = (ρч-200ρ0). Це супроводжується зниженням швидкості осадження частинок, важчих від води, а для частинок легших від води – збільшенням швидкості спливання. Швидкість осадження пропорційна квадрату швидкості обертання частинок, яку можна вважати рівною швидкості води на вході в апарат. Гідроциклони малого діаметра об'єднують у єдиний агрегат, у якому вони працюють паралельно. Такі апарати називають мультигідроциклонами. Мультигідроциклони найбільш ефективні при очищенні невеликих кількостей води від тонкодисперсированих домішок.
Центрифуги. Для видалення осадів зі стічних вод використовуються відстійні й фільтруючі центрифуги. У відстійних центрифугах (рис. 2.16) із суцільними стінками ротора відбувається поділ суспензій і емульсій за принципом відстоювання. Для видалення зі стічних вод твердих механічних домішок доцільно використовувати осаджувальні центрифуги безперервної та періодичної дії. Процес очищення в центрифугах, як і в напірних гідроциклонах, відбувається під дією відцентрових сил. Поле відцентрових сил забезпечується обертанням корпусу (ротора) центрифуги. Процес розподілу фаз у полі відцентрових сил умовно можна вважати, що проходить за принципом відстоювання, причому дія сили вільного падіння заміняється дією відцентрових сил. Застосування центрифуг найдоцільніше та економічно виправдане в таких випадках:
для локальної очищення стічних вод, коли видалений осад становить цінність і може бути утилізований;
при складі забруднень у воді, коли для її очищення не можна використовувати реагенти;
для скорочення площі, на якій розміщують установку.
Рис. 2.16 Схема дії відстійної центрифуги
Вітчизняна промисловість не виготовляє центрифуг, спеціально призначених для очищення води. З центрифуг, що серійно випускаються, для цієї мети найбільш підходять осаджувальні горизонтальні шнекові центрифуги безперервної дії ОГШ і центрифуги періодичної дії маятникового типу ОМ.
Центрифуги типу ОГШ можна застосовувати для видалення завислих речовин гідравлічною крупністю близько 0,2 мм/с (протитечійні) й 0,05 мм/с (прямотечійні). Концентрація механічних забруднень не повинна перевищувати 2–3 г/л.
Маятникові центрифуги з ручним вивантаженням осаду прості за конструкцією, компактні, надійні в експлуатації й не потребують значних експлуатаційних затрат. Застосовуються для обробки дрібно- та середньодисперсних суспензій і емульсій. Осад накопичується у робочому об’ємі ротора центрифуги, при цьому паралельно відбувається його ущільнення та зневоднення. Як тільки рівень осаду досягає певної межі, ефект освітлення різко падає внаслідок зменшення об’єму робочої зони, подача стічних вод припиняється, центрифуга зупиняється і осад вивантажується. До недоліків цих центрифуг відносять необхідність застосування ручної праці для вивантаження зневодненого осаду, поганий розподіл суспензії, що оброблюється у робочому об’ємі ротора і недостатньо повне його використання, відсутність автоматики. Ефект освітлення можна збільшити зниженням гідравлічного навантаження.
Шнекові центрифуги з безперервним вивантаженням осаду значно продуктивніші, ніж маятникові, й за суспензією і за осадом. Однак ефект прояснення стічних вод нижче, оскільки у роторі центрифуги освітлення стічних вод, формування та ущільнення осаду відбувається при одночасному його транспортуванні й зневодненні. Ефект освітлення залежить від властивостей осаду, що утворюється. Поділ суспензій у відстійних центрифугах складається зі стадій осадження твердих частинок на стінках ротора та ущільнення осаду, що утворився. Перша з цих стадій проходить за законами гідродинаміки, друга ущільнення за закономірностям механіки грунтів (пористих середовищ). При малій концентрації твердих частинок у стічній воді (не більше ніж 4% об.) Спостерігається вільне осадження їх у роторі без утворення чіткої поверхні розподілу між чистою рідиною і ще не розшарованою суспензією. При підвищеній концентрації утворюється чітка межа розподілу внаслідок сили осадження твердих частинок. Унаслідок неоднорідності по радіусу інтенсивності поля відцентрових сил і площі осадження закономірності процесів осадження у відстійних центрифугах відрізняються від осадження у відстійниках.
Розподільна здатність відстійних центрифуг характеризується індексом продуктивності Σ, який залежить від площі циліндричної поверхні осадження F в роторі та фактору розподілу К р:
Σ = F ⋅ К р, (2.14)
звідки Σ / F = Kр.
Величину Σ слід уважати рівною площі відстійника, еквівалентного за продуктивністю (для цієї суспензії) центрифузі, що розглядається. Продуктивність відстійних центрифуг знижується в порівнянні з теоретичною внаслідок відставання швидкості обертання рідини від швидкості обертання ротора, нерівномірності течії рідини вздовж ротора.