3.4. Гидроциклоны

Для выделения взвешенных частиц в гидроциклонах используются центробежные силы, возникающие при вращательном движении воды. В практике водоочистки гидроциклоны применяются для осветления сточных вод и растворов реагентов, а также для сгущения осадков и отмывки песка от органических примесей. Центробежные силы в гидроциклонах возникают в результате ввода жидкости по касательной (тангенциально) в цилиндрическую часть аппарата с достаточно высокой скоростью. Сгущенная суспензия выводится из конической части аппарата, а осветленная вода – из верхней части цилиндрического корпуса циклона.

По конструктивному исполнению гидроциклоны подразделяются на открытые и напорные. В свою очередь, открытые гидроциклоны делятся на аппараты без внутренних устройств, аппараты с диафрагмой и цилиндрической перегородкой (рис. 3.21) и многоярусные гидроциклоны (рис. 3.22).

Открытые гидроциклоны применяют для выделения из сточных вод оседающих, преимущественно тяжелых, и грубодисперсных всплывающих примесей. Эти аппараты можно применять в комплексе с другими сооружениями для механической очистки производственных сточных вод в качестве первой ступени. Перед подачей в открытые гидроциклоны сточные воды при необходимости подвергаются обработке коагулянтами. Существенным преимуществом открытых гидроциклонов является большая удельная пропускная способность – 2÷20 м³/(м² · ч) при небольших потерях напора (обычно не более 0.5 м).

Открытые гидроциклоны относятся к сооружениям отстойного типа с вращательным движением потока в рабочей зоне, которое обеспечивается тангенциальным подводом осветляемой воды к цилиндрическому корпусу. Вращение потока способствует агломерации взвешенных частиц и увеличению их гидравлической крупности.

На эффективность работы гидроциклонов негативное влияние оказывает турбулентность потока в аппарате. Для более равномерного распределения потока и более полного использования объема гидроциклона число впускных патрубков должно быть не менее двух для открытых гидроциклонов и не менее трех для многоярусных. Скорость впуска воды в гидроциклон составляет 0.1÷0.5 м/с.

Осадок из конической части открытых гидроциклонов удаляют насосами, гидроэлеваторами или под гидростатическим давлением воды. Для задержания и удаления всплывающих примесей и нефтепродуктов гидроциклоны оборудуются полупогружным кольцевым щитом, устанавливаемым перед водосливом на расстоянии не более 50 мм, и погружной воронкой.

Эффект очистки в открытых гидроциклонах определяется в основном удельной гидравлической нагрузкой, которую устанавливают в зависимости от характеристики сточных вод, требуемой степени очистки и от геометрических размеров гидроциклона.

Для всех видов открытых гидроциклонов гидравлическую нагрузку, м³/(м² · ч), определяют по формуле:

,

(3.36)

где k – коэффициент, зависящий от типа гидроциклона и принимаемый равным 0.61 для аппаратов без внутренних устройств и 1.98 для аппаратов с конической диафрагмой и внутренним цилиндром;

u₀ – гидравлическая крупность задерживаемых в гидроциклоне частиц, мм/с.

При известной гидравлической нагрузке производительность открытого гидроциклона, м³/ч, вычисляется по выражению:

,

(3.37)

где D – диаметр гидроциклона, м.

Открытые гидроциклоны без внутренних устройств рекомендуется применять для задержания крупно- и мелкодисперсных примесей гидравлической крупностью 5 мм/с и более. Установка в открытом гидроциклоне конической диафрагмы препятствует выносу взвешенных частиц через водослив, а применение цилиндрической перегородки способствует более эффективному использованию объема цилиндрической части за счет разделения ее на зоны восходящего и нисходящего потока. По этой причине аппараты с внутренними устройствами работают более эффективно, позволяя задерживать примеси более 0.2 мм/с.

В многоярусных гидроциклонах (рис. 3.22) реализована та же идея, что и в тонкослойных отстойниках: более полное использование объема сооружения и уменьшение продолжительности пребывания сточных вод в нем при той же степени очистки.

Порядок работы циклона, изображенного на рис. 3.22 а, следующий.

Очищаемая вода через трубы 10 подается в три аванкамеры 14, оборудованные распределительными устройствами 9, с помощью которых поток поровну делится между ярусами гидроциклона. Это способствует более полному использованию объема сооружения и повышению эффективности очистки.

Вода из аванкамер, расположенных по окружности под углом 120º, поступает в пространство между ярусами, двигаясь от периферии к центру. При этом тяжелые частицы выпадают на нижние диафрагмы ярусов и по ним сползают в шламоотводящую щель 16. Далее осадок направляется в коническую часть 1 гидроциклона и удаляется из него через шламовую трубу 12.

Выделяющиеся в аппарате легкие фракции всплывают к верхним диафрагмам ярусов, по образующей поднимаются под верхнюю диафрагму и по маслоотводящим трубам 18 направляются на поверхность. С поверхности всплывающие частицы удаляются по трубе 11.

Осветленная вода через три тангенциально расположенных выпуска 13 в ярусах поступает в центральную часть сооружения, откуда отводится через кольцевой водослив 6.

Гидравлическая нагрузка на многоярусные гидроциклоны вычисляется по формуле 3.36. Коэффициент пропорциональности определяется следующим образом:

– для аппаратов с центральными выпусками:

,

(3.38)

где D – диаметр гидроциклона, м;

d – диаметр окружности, на которой располагаются раструбы выпусков, м;

п – количество ярусов.

– для аппаратов с периферийным выпуском воды:

,

(3.39)

где d – диаметр отверстия средней диафрагмы пары ярусов, м.

Конструктивные размеры открытых гидроциклонов указаны в приложении 14.

Напорные гидроциклоны (рис. 3.23) являются закрытыми аппаратами. Давление подаваемой в них воды может в несколько раз превышать атмосферное, что обеспечивает высокие тангенциальные скорости воды на входе, достигающие 15 м/с. Благодаря высоким скоростям и небольшим диаметрам центробежные силы, возникающие в напорных гидроциклонах, существенно превышают аналогичные силы в открытых гидроциклонах. В результате напорные гидроциклоны способны извлекать из сточных вод частицы размером до 15 мкм [17].

Использование напорных гидроциклонов позволяет успешно решать следующие технологические задачи:

– удаление из производственных сточных вод взвешенных частиц минерального и органического характера;

– обогащение стоков, т. е. удаление из твердой фазы минеральных или органических частиц, снижающих ценность продукта;

– удаление абразивных частиц из осадков при последующем использовании шнековых центрифуг;

– извлечение инертных примесей из растворов реагентов.

Установке напорных гидроциклонов в несколько ступеней дает возможность осуществлять классификацию твердых частиц.

В зависимости от особенностей решаемых задач могут применяться двухпродуктовые и трехпродуктовые напорные гидроциклоны. В последнем случае аппараты имеют два сливных трубопровода, установленных соосно. По трубопроводу меньшего диаметра отводятся продукты, плотность которых меньше плотности воды. Вода отводится по трубопроводу большего диаметра.

Учитывая тот факт, что объем сгущенного продукта в напорных гидроциклонах составляет всего 2.5÷10 % от объема обрабатываемой суспензии, их применение может дать значительную экономию капитальных затрат на строительство очистных сооружений и участков обработки осадков.

Конструкция серийно выпускаемых напорных гидроциклонов показана на рис. 3.24, а их технические характеристики в приложении 15.

Эффективность разделения суспензий и производительность напорных гидроциклонов зависят от конструктивных и технологических параметров аппаратов: диаметра цилиндрической части D, диаметров питающего, сливного и шламового патрубков d_вх, d_вых и d_шл, высоты цилиндрической части Н_ц, угол конусности α, перепад давления в гидроциклоне ∆Р, размеры частиц d_ч и их плотность ρ_ч.

Основные размеры напорного гидроциклона подбираются по данным заводов-изготовителей, при этом необходимо учитывать [6]:

– диаметры питающего d_вх и сливного d_вых патрубков должны отвечать соотношениям: d_вх/ d_вых = 0.5÷1.0; d_вх/D = 0.12÷0.14;

– d_вх ≤ 0.5(D – d_вых) – ∆, где ∆ – толщина стенки сливного патрубка;

– d_шл/ d_вых = 0.2÷1.0;

– диаметр шламового патрубка должен быть в 6÷8 раз больше максимального размера частиц загрязнений;

– Н_ц = (2÷4)D для циклонов-осветлителей; Н_ц = (1÷2)D для циклонов-сгустителей;

– угол конусности α принимается равным 5÷15º для циклонов-осветлителей и 20÷45º для циклонов-сгустителей.

а) б) Рис. 3.24. Напорные гидроциклоны а) Уфимского завода горного оборудования (УЗГО): 1 – питающий патрубок; 2 – съемный резиновый вкладыш; 3 – шламовый патрубок; 4 – элементы конической части; 5 – сливной патрубок; 6 – цементная стяжка; 7 – мембранный разделитель; 8 – манометр; 9 – крышка; 10 – заглушка линии автоматического регулирования гидроциклона; 11 – внешний сливной патрубок; 12 – цилиндрическая часть; 13 – коническая часть; б) Дзержинского филиала НИИХИММАШ: 1 – питающий патрубок; 2 — цилиндрическая часть; 3 – коническая часть; 4 – шламовый патрубок; 5 – сливные патрубки; 6 – ось подающей трубы; 7 – пробка для импульсной трубки

Существует большое количество формул для определения производительности гидроциклонов и граничной крупности выделяемых частиц [11]. На предварительной стадии проектирования гидравлическую крупность частиц (мм/с), задерживаемых в гидроциклоне, можно вычислить по упрощенной формуле И.В. Скирдова и В.Г. Пономарева [7]:

,

(3.40)

где D – диаметр гидроциклона, м;

К_Т – коэффициент, учитывающий влияние концентрации частиц и турбулентности потока; для агрегатно-устойчивых суспензий небольших концентраций К_Т = 0.04;

а – коэффициент, учитывающий затухание тангенциальной скорости в гидроциклоне, равный 0.45;

Q – производительность гидроциклона, м³/с.

Диаметр гидроциклона может быть ориентировочно выбран по таблице 3.7 в зависимости от размера выделяемых частиц [1]:

Таблица 3.7

D, мм	25	40	60	80	100	125	160	200	250	320	400	500
δ, мкм	8÷25	10÷30	15÷35	18÷40	20÷50	25÷60	30÷70	35÷85	40÷110	45÷150	50÷170	55÷200

Производительность аппаратов, л/мин, ориентировочно определяется по формуле А.И. Поварова²:

,

(3.41)

где d_вх и d_вых – диаметры подводящего и отводящего патрубков, см;

∆Н – потери давления в циклоне, атм.

При окончательно выбранных геометрических и рабочих параметрах гидроциклонов граничная крупность задерживаемых частиц (мкм) и производительность (л/с) уточняются по формулам [6]:

.

(3.42)

.

(3.43)

Потери воды с выделенным осадком в первом приближении можно принимать (0.07÷0.08)Q для циклонов диаметром до 100 мм и (0.03÷0.04)Q для циклонов диаметром свыше 100 мм. Уточненный расход шлама вычисляется по выражениям:

.

(3.44)

В формулах (3.42÷3.44) размеры элементов циклонов подставляются в см, давление на входе в аппарат Р_вх – в МПа, плотности твердых частиц ρ_тв и жидкости ρ_ж – в г/см³, динамическая вязкость воды μ – в сантипуазах (спз) (1 пз = 0.1 н · с/м²).

Давление на входе в напорный гидроциклон принимают:

– 0.15÷0.4 МПа – при одноступенчатых схемах осветления и сгущения осадков и многоступенчатых установках, работающих с разрывом струи;

– 0.35÷0.6 МПа – при многоступенчатых схемах, работающих без разрыва струи.

Число резервных аппаратов должно составлять:

– при очистке сточных вод и уплотнении осадков, твердая фаза которых не обладает абразивными свойствами, – один при числе рабочих аппаратов до 10, два – при числе до 15 и по одному на каждые десять при числе рабочих аппаратов свыше 15;

– при очистке сточных вод и осадков с абразивной твердой фазой – 25 % числа рабочих аппаратов.

При сохранении скорости входящей в гидроциклон воды с уменьшением диаметра аппарата уменьшается и гидравлическая крупность извлекаемых частиц, т. е. повышается эффект очистки. Однако уменьшение диаметра ведет к снижению производительности аппарата.

Для сохранения требуемой производительности установки при одновременном повышении степени очистки используют мультициклоны. Мультициклоны представляют собой аппараты, в которых установлено большое количество параллельно работающих гидроциклонов малого диаметра (10÷20 мм). Конструкция мультициклона показана на рис. 3.25.

Преимуществами гидроциклонов по сравнению с другими аппаратами и сооружениями механической очистки сточных вод являются простота конструкции, малая масса и габариты при достаточно высокой производительности. К недостаткам гидроциклонов следует отнести быстрый износ внутренней поверхности вследствие абразивного воздействия взвешенных частиц, а также значительные колебания эффекта очистки при изменении расхода.

Материалы для изготовления гидроциклонов – отбеленный чугун, легированная сталь, сталь, футерованная резиной или базальтом.