2.9. Гидроциклоны

Интенсификацию процессов осаждения взвешенных частиц из сточных вод осуществляют воздействием на них центробежных и центростремительных сил в низконапорных (открытых) и напорных гидроциклонах. Вращательное движение жидкости в гидроциклоне, приводящее к сепарации частиц, обеспечивается тангенциальным подводом воды к цилиндрическому корпусу. Вращение потока способствует агломерации частиц и увеличению их гидравлической крупности.

Открытые гидроциклоны применяют для выделения из сточных вод тяжелых примесей, характеризуемых гидравлической крупностью 20 мм/с и более. Часто их используют в качестве первой ступени в комплексе с другими аппаратами для механической очистки сточных вод. Значительным преимуществом открытых гидроциклонов является большая удельная производительность при небольших потерях напора (не более 0,5 м) – от 2 до 20 м³/(м² · ч). Число впускных патрубков в гидроциклоне для более равномерного распределения потока должно быть не менее двух. Скорость впуска воды равна 0,1-0,5 м/с.

Разработаны следующие конструкции открытых гидроциклонов: без внутренних устройств, с диафрагмой, с диафрагмой и цилиндрической перегородкой (рис. 2.17) и многоярусные.

Рис. 2.17. Открытые гидроциклоны:

а – без внутренних устройств; б – с конической диафрагмой; в – с конической диафрагмой и цилиндрической перегородкой; 1 – отвод воды; 2 – полупогружная кольцевая стенка; 3 – лоток; 4 – кольцевой водослив; 5 – подача воды; 6 – отвод шлама; 7 – коническая диафрагма; 8 – цилиндрическая перегородка

Для всех конструкций открытых гидроциклонов удельную гидравлическую нагрузку определяют по формуле

q = 3,6ku_о , (2.61)

где k – коэффициент; для гидроциклона без внутренних устройств k = 0,61, для гидроциклона с диафрагмой k = 1,98, для гидроциклона с диафрагмой и цилиндрической перегородкой k = 1,98.

Производительность одного аппарата Q = 0,785qD², где D – диаметр цилиндрической части.

Осадок из гидроциклонов всех типов удаляют через коническую часть, используя для этого насосы, гидроэлеваторы или гидростатическое давление. Проектировочные размеры открытых гидроциклонов даны в табл. 2.14.

Таблица 2.14

Проектировочные данные для открытых гидроциклонов

Показатель	Гидроциклон
	без внутренних устройств	с диафрагмой	с диафрагмой и цилиндри-ческой пере-городкой
Диаметр цилиндрической части D, м	2-10	2-6	2-6
Высота цилиндрической части Нц , м	D	D	D
Угол наклона конической части, град	60	60	60
Диаметр водосливного лотка D1 , м	D + 1	D + 1	D + 1
Высота водослива h, м	0,5	0,5	0,5
Диаметр впускного патрубка dпит , м	0,07D	0,05D	0,05D
Число впусков	2	2	2
Диаметр водослива D2 , м	D + 0,2	D + 0,2	D + 0,2
Высота лотка h1 , м	–	0,7	–
Угол конуса диафрагмы, град	–	45	–
Диаметр отверстия в диафрагме D3 , м	–	0,5D	–
Диаметр цилиндра D4 , м	–	–	0,85D
Высота цилиндра Нцв , м	–	–	0,8D
Высота конуса Н, м	–	–	0,1D

Напорные гидроциклоны представляют собой аппараты, состоящие из цилиндрической и конической частей (рис. 2.18).

Сточная вода под давлением поступает по тангенциально расположенному вводу в верхнюю часть цилиндра и приобретает вращательное движение. Возникающие центробежные силы перемещают частицы примесей к стенкам аппарата по спиральной траектории вниз к выходному патрубку. Очищенная вода удаляется через верхний патрубок.

Фактор разделения напорных гидроциклонов достигает 2000, что обусловливает их высокую эффективность.

Рис. 2.18. Напорный гидроциклон:

1 – цилиндрическая часть; 2 – патрубок для отвода воды; 3 – патрубок для впуска сточной воды; 4 – коническая часть; 5 – патрубок для отвода шлама

Гидроциклоны могут иметь диаметры от 15 до 1000 мм.Для удлинения срока службы внутреннюю поверхность аппаратов футеруют каменным литьем или резиной. Промышленность выпускает различные типы гидроциклонов (УЗГО, НИИхиммаш, НИЛ ОПСВ ГИСИ). Конструктивные размеры напорных гидроциклонов подбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации и свойств примесей. Для сточных вод, содержащих 0,2-4,0 г/л взвешенных веществ, конструктивные и технологические параметры гидроциклонов ориентировочно принимают по данным табл. 2.15.

Эффективность гидроциклонов рассчитывают исходя из заданной гидравлической крупности частиц и граничной крупности разделения δ, мкм, под которой понимают максимальный размер частиц, попадающих в слив гидроциклона. Эти параметры должны обеспечить заданный эффект очистки.

Гидравлическую крупность находят по упрощенной формуле ВНИИ ВОДГЕО:

, (2.62)

где Q_пит – производительность гидроциклона, м³/с; k_т – коэффициент, учитывающий влияние концентрации примесей и турбулентность потока (для агрегативно-устойчивых суспензий с небольшой концентрацией k_т = 0,04); a – коэффициент, учитывающий затухание тангенциальной скорости, равен 0,45.

Максимальный размер частиц определяют по формуле НИЛ ОПСВ ГИСИ:

, (2.63)

где d_пит , d_сл , d_шл – диаметры патрубков для подачи воды, слива очищенной воды и удаления шлама, мм; μ – динамическая вязкость воды, Па · с; Н_ц и Н_к – высота цилиндрической и конической частей гидроциклона, м; ρ_т и ρ_с.в – плотность твердой и жидкой фаз, кг/м³.

Таблица 2.15

Параметры напорных циклонов

Гидравлическая крупность, мм/с, при объемной массе, г/см3, и концентрации, г/л		Диаметр цилиндрической части, мм	Размеры элементов, доли диаметра циклона				Потеря напора, м	Производительность, м3/ч	Потери воды с пульпой, % от производительности
2-3,5 и 2-4	5 и 0,2-0,8		диаметр впуска	диаметр верхнего слива	диаметр нижнего слива	высота цилиндрической части
1,0-1,7 1,3-2,1 2,7-3,7 3,6-4,6 4,3-4,8	0,20-0,25 0,3-0,4 0,4-0,5 0,8-1,1 1,8-2,0	50 75 250 350 500	0,28 0,24 0,20 0,18 0,13	0,40 0,27 0,23 0,22 0,22	0,12 0,12 0,10 0,07 0,05	1,0 1,0 0,7 0,88 0,8	10-15 15-20 15-25 20-30 25-35	3-4 5-6 46-53 75-85 85-90	2-3 3-5 5-7 2-3 1,5-2

Производительность гидроциклона, л/мин, рассчитывается по формуле

Q = kd_пит d_сл , (2.64)

где k – коэффициент, равный 5; g – ускорение свободного падения, м/с²; ΔР – перепад давления в гидроциклоне, Па.

При окончательно выбранных геометрических размерах гидроциклона его производительность Q_пит , м³/ч, рассчитывается по формуле НИЛ ОПСВ ГИСИ:

, (2.65)

где Р_пит – давление на входе в гидроциклон, Па.

Расход шлама Q_шл определяют по формуле, м³/ч:

, (2.66)

где α – угол конической части гидроциклона, град.

Число гидроциклонов n = Q/Q_пит.

Количество воды, проходящей через сливной и шламовый патрубки:

, (2.67)

. (2.68)