5.5. Гидроциклоны

В настоящее время существует целый ряд аппаратов для интенсификации процессов механической очистки, в частности, использующие действие центробежной силы. Наиболее распространены напорные гидроциклоны.

Напорный гидроциклон представляет собой аппарат, состоящий из цилиндрической части с примыкающей к ней снизу широким основанием конической части (рис. 5.6).

Очищаемая вода поступает под давлением через входной патрубок в верхнюю часть цилиндра и приобретает вращательное движение. При этом возникают значительные центробежные силы, под действием которых более тяжелые взвешенные частицы, содержащиеся в сточной воде, перемещаются от оси гидроциклона к его стенкам по спирали вниз и через шламовую насадку отводятся из аппарата. Более легкая взвесь движется во внутреннем спиральном потоке, направленном вверх, и отводится из гидроциклона через сливной патрубок.

Рис. 5.6. Напорный гидроциклон

Основными критериями, позволяющими судить о работе гидроциклонов, являются: производительность, крупность граничного зерна, степень очистки и потери воды через шламовое отверстие.

Под крупностью граничного зерна понимают размер частиц, которые, находясь в равновесии под действием центробежной силы и силы сопротивления жидкости, вращаются на определенном радиусе гидроциклона, а затем распределяются поровну между продуктами разделения. Все частицы большей крупности поступают в шламовый насадок, а меньшей – в верхний слив.

Эффективность работы гидроциклонов зависит от расхода и свойств осветляемой воды, концентрации взвешенных веществ в воде и их гранулометрического состава, плотности и вязкости воды, геометрических размеров аппарата и их соотношений: диаметра цилиндрической части D и её высоты h_ц; площади входного отверстия F_вх и диаметра сливной d_сл и шлаковой насадок d_п; угла конусности конической части  и её высоты h_к.

Исходными данными для расчетных параметров гидроциклона являются: общий расход сточных вод Q₀; фракционный состав загрязнений в исходной воде, концентрация взвешенных веществ в исходной k₀ и осветленной воде k_t.

Расчет гидроциклонов производят в указанной ниже последовательности.

1. Определяется требуемый эффект очистки в %

.

2. По фракционному составу загрязнений в исходной воде и требуемому эффекту очистки определяют требуемый диаметр граничного зерна _тр.

3. Задается диаметр гидроциклона D. Предварительно диаметр гидроциклона можно выбрать, исходя из заданной крупности разделения _тр и расхода сточных вод.

4. Производительность одного гидроциклона при оптимальных значениях диаметра питающего патрубка и давления на входеопределяют по формуле в м³/ч

,

где k=1,52,5;

d_вч - диаметр входного патрубка, см.

5. Число гидроциклонов в блоке находят по формуле

.

Полученное число n округляют до ближайшего целого n₀, а затем уточняют производительность одного гидроциклона и давление на входе

,

.

6. Выбирают оптимальные геометрические размеры

• диаметра сливного патрубка ;

• диаметра шламовой насадки ;

• угла конусности ;

• высоты цилиндрической части ;

• глубины погружения сливного патрубка .

7. Определяют расход, проходящий через сливной и шламовый патрубки в м³/ч

,

.

8. Находят скорость на входе и тангенциальную скорость у стенки гидроциклона в м/с

,

,

где F_вх и F_сл - площади выходного и сливного отверстий.

9. Рассчитывают тангенциальную скорость на радиусе сливного отверстия в м/с

,

где ;

- относительный радиус сливного отверстия.

10. Радиальную скорость на радиусе сливного отверстия гидроциклона при радиальной скорости у стенки находят по формуле в м/с

,

где - относительный радиус стенки конической части гидроциклона

.

11. Диаметр граничного зерна определяют по формуле в м

,

где - критерий Рейнольдса по частице

,

где  - коэффициент кинематической вязкости;

_тв и _ж – плотность твердой и жидкой фаз;

С и n – постоянные величины, зависящие от области сопротивления:

если , то	C=24;	n=1
,	C=23,4;	n=0,723
,	C=7,8;	n=0,425
700Re106,	C=0,48;	n=0
,	C=0,18;	n=0

Диаметр граничного числа вычисляют методом последовательных приближений. В качестве первого приближения задаётся требуемый диаметр граничного зерна _тр.

12. При несоответствии полученного диаметра граничного зерна заданному изменяется диаметр гидроциклона D согласно равенству

,

и расчет повторяется.

В открытых гидроциклонах (рис. 5.7) тангенциальный впуск жидкости вызывает вращательное движение всего потока. При этом взвешенные частицы концентрируются в пристенной зоне и по образующей конического днища перемещаются к шламовому патрубку, а осветленная вода движется вверх к водосливу.

Открытые гидроциклоны отличаются большой производительностью, простотой конструкции, занимают малую площадь и не требуют затрат электроэнергии. Такие аппараты находят применение на станциях очистки бытовых сточных вод в качестве песколовок, для очистки производственных сточных вод в качестве сооружений грубой очистки.

Рис. 5.7. Открытый гидроциклон с периферийным водосливом