книги из ГПНТБ / Левин, А. М. Очистка сточных вод огнеупорных заводов

ми аппаратами, использующими действие центробежной силы, являются напорные гидроциклоны.

Гидроциклон представляет собой аппарат, состоящий из цилиндрической части с примыкающей к ней снизу широким основанием конической части. Исходная сус­ пензия поступает под давлением через входной (питаю­ щий) патрубок тангенциально в верхнюю часть цилинд­ ра и приобретает вращательное движение. Возникают значительные центробежные силы, под действием кото­ рых более тяжелая фаза движется от оси гидроциклона к его стенкам по спиральной траектории вниз и через песковую (шламовую) насадку отводится из гидроцик­ лона. Более легкая фаза движется во внутреннем спи­ ральном потоке, направленном вверх и отводится из гид­ роциклона через сливной патрубок. Вдоль оси гидроцик­ лона образуется воздушный столб, имеющий вйжное значение для разделяющего действия гидроциклона.

В- отличие от сгустителей и осветлителей, в которых сепарация происходит практически в спокойной среде, гидроциклон действует как пропорциональный раздели­ тель. Поэтому осветленная жидкая фаза содержит опре­ деленное количество твердого продукта и не может быть чистой. Задача получения возможно более чистого сли­ ва находится в противоречии с требованием получить возможно более сгущенный шлам.

При двухступенчатом (многоступенчатом) последо­ вательном соединении гидроциклонов можно удовлетво­ рить одновременно обоим требованиям. Полного разде­ ления в гидроциклонах достичь невозможно (рис. 18,а). Все сепараторы, работающие по поточному принципу, имеют S-образную характеристику, аналогичную харак­ теристике гидроциклона (рис. 18,6). Диаграмма на этом рисунке построена для гидроциклона диаметром 350 мм, давлением питания 1,5 кгс/см2 при отделении кварцевого песка частицами 112 мкм. Степень Отделения составля­ ет 95% [23, с. 54—68]. Целесообразно использовать гид­ роциклоны в сочетании с другими аппаратами: для ос­

могут быть применены для предварительного сгущения суспензии.

Характер движения жидкости в гидроциклоне опреде­ ляется скоростью жидкости в питающем патрубке. На взвешенные частицы действуют большие тангенциальные

71

силы, поддерживающие их в непрерывном относительном движении [24].

Окружная скорость щ жидкости меняется, увеличи­ ваясь с уменьшением радиуса г конической части гидро­ циклона. Скорости на поверхности внутренней стенки

Рис. 18. Зависимость степени разделения в гидроцнклоиах от размера частиц (по Травнискому)

гидроциклона будут меньше идеальной, однако они не будут равны нулю, что, естественно, противоречит обыч­ но применяемым положениям в теории течения вязких жидкостей. Радиальное ускорение а Т, имеющее важное значение для разделения, определяется по уравнению

где с — константа.

Из уравнения (43) видно, что ускорение сильно воз­ растает с уменьшением радиуса вращения. Поэтому кор­ пус гидроциклона имеет сужение от входа к выходу, чем достигается увеличение центробежного ускорения. По конструктивным особенностям все гидроциклоны можно разделить на пять групп.

1. Конические, отличающиеся числом выдаваемы продуктов; способом установки (вертикальные, горизон­ тальные и наклонные); конструкцией сливной части (от­ водной патрубок или промежуточная сливная камера); глубиной погружения отводного патрубка в цилиндриче­ скую часть гидроциклона, которую можно плавно регу­ лировать; способом установки и конструкцией питающе­ го патрубка (бывают также гидроциклоны с открытым верхом); конусностью (а=5-4-90°); относительной высо­

72

той цилиндрической части (от 0,2 до 4,0 диаметров гид­ роциклона); конструкцией песковых насадок; материа­ лами, из которых изготовляют гидроциклон, или футе­ ровкой внутренней поверхности; способом регулировки работы гидроциклона (ручной или автоматической); спо­ собом отвода слива и шлама (под уровень отводимых продуктов или свободный ).

2. Цилиндрические, которые состоят из двух гидро­ циклонов: основного — цилиндрического и перечистного — конического.

3.Винтовые, отличающиеся конструкцией направля­ ющего устройства.

4.Турбоциклоны (центриклоны), отличающиеся от обычных гидроциклонов наличием турбинки, установлен­ ной внутри аппарата, а также конструкцией турбинки и способом отвода продуктов.

5.Батарейные, отличающиеся числом циклонов в ба­ тарее, конструкцией, размером, компоновкой, способами питания и отвода продуктов.

Наиболее широкое практическое применение нашли конические двухпродуктовые гидроциклоны.

Корпус гидроциклона изготавливают литым, сварным или вытачивают из металла, а также его можно выпол­ нить пластмассовым. Для уменьшения износа внутрен­ нюю поверхность корпуса гидроциклона иногда футеру­ ют резиной или каменным литьем. Питающий патрубок делают сужающимся для увеличения начальной скорости струи. Уфимский завод горного оборудования выпуска­ ет гидроциклоны, в которых можно изменять сечение от­ верстия, устанавливая сменные вставки. Песковые (шла­ мовые) насадки служат для отвода более тяжелой фазы (шлама). Их изготавливают в виде сменных конических насадок с различными выходными отверстиями или в ви­ де резиновых затворов.

Для лучшей очистки производственных сточных вод огнеупорных заводов рационально применять гидроцик­

лоны маленьких диаметров (10—50 мм), но для обеспече­ ния расхода следует устанавливать несколько гидроцик­ лонов, образующих батарею (батарейный гидроциклон). Батарея гидроциклонов, соединенных в одном корпусе, называется мультициклоном. Отдельные гидроциклоны, составляющие мультициклон, называются микроцикло­ нами.

На рис. Г9 представлен мультициклон, внутри корпуса

73

Рис. 19. Мультициклон:

Рис. 20. Влияние формы входного отверстия на работу гидроцикло­ на (по Беднарскому)

74

которого размещено восемь мйкроцйклонов диаметром 20 мм. Мультициклоны могут быть изготовлены в виде нескольких ярусов батарей, смонтированных в один об­ щий блок.

Основными геометрическими параметрами, влияющи­ ми на производительность, являются диаметр гидроцик­ лона, размеры питающего и сливного патрубков. Также оказывает влияние угол конусности; размер песковой на­ садки практически не оказывает влияния на производи­ тельность гидроциклона. При изменении его происходит только перераспределение сточной воды между сливом и шламом. А. И. Поваров [25] рекомендует принимать отношение диаметра питающего патрубка (при прямо­ угольном сечении патрубка диаметр окружности равно­ великой площади) к диаметру гидроциклона в пределах 0,08—0,25, или диаметр питающего патрубка равным 0,5—1,0 диаметра сливного патрубка.

Беднарский [26] изучал влияние формы питающего отверстия на производительность гидроциклона; он счи­ тает прямоугольную форму питающего отверстия выгод­ нее круглой, причем рекомендует большую сторону рас­ полагать параллельно оси гидроциклона; наивыгодней­ шим соотношением сторон он считает 3:1. Беднарский рекомендует также и эллиптическую форму отверстия с большой осью, параллельной оси гидроциклона (рис. 20).

Исследованиями [26, 27] установлено, что эффект разделения зависит от размещения питающего отверстия на цилиндрической части корпуса. Сточная вода должна вводиться в самую верхнюю точку цилиндри­ ческой части корпуса гидроциклона. На эффект разделения оказывает влияние угол сужения питающего патрубка и отношение сужения питающего патрубка к сечению подводящего трубопровода. Это отношение в за­ висимости от давления рекомендуется принимать З-г-10: : 1; угол сужения должен быть не менее 10° и не более 18°.

Площадь питающего отверстия влияет на производи­ тельность гидроциклона. Диаметр сливного патрубка влияет на показатели работы гидроциклона. Увеличение диаметра при постоянном давлении питания вызывает увеличение производительности гидроциклона. По мне­ нию Келсалла [28, 29], увеличение диаметра сливного патрубка ухудшает разделение частиц в гидроциклоне. Ван-дер-Вальт [30], Белюгу и Шавловский [31] счита­ ют, что эффективность обогащения угля повышается с

75

увеличением диаметра сливного отверстия (при обога­ щении мелкого угля — снижается). Глубину погружения сливного патрубка в гидроциклон рекомендуется огра­ ничить нижним краем цилиндрической его части [25].

Угол конусности Пантофличек [32] рекомендует при­ нимать в пределах 10—15° и указывает, что с уменьше­ нием угла конусности увеличивается производительность гидроциклона. И. И. Модер и Д. А. Дальстром [27] счи­ тают .оптимальным угол конусности 15°. Р. Н. Шестов [24] рекомендует для обогащения легкой фазы принимать угол конуса 10°. А. И. Поваров [25] считает, что для раз­ жиженных пульп при обработке легких по удельному ве­ су материалов и для получения тонких сливов следует применять гидроциклоны с малым углом конусности —-

до 5°.

Схема движения жидкости в гидроциклоне показана на рис. 21. Внешний поток направлен к вершине конуса, а внутренний — в противоположную сторону. Небольшая часть жидкости при движении внешнего потока выходит через шламовое отверстие, а часть жидкости отделяется и, двигаясь в радиальном направлении, вливается во внутренний поток. У вершины конуса основное количест­ во жидкости изменяет направление и, образуя внутрен­ ний восходящий поток, удаляется через сливной патру­ бок. Режим движения жидкости в гидроциклоне — турбу­ лентный. Считают, что передача вращения от периферии внутрь происходит диффузией и конвекцией под действи­ ем вращающего момента сил, вязкости и перемещения завихренной жидкости [33].

В гидроциклоне, кроме двух основных вращающихся потоков жидкости, образуется третий воздушный по­ ток— воздушный столб. Потоки жидкости направлены по логарифмической спирали. Внешний поток ограничи­ вается стенкой гидроциклона и поверхностью внутренне­ го потока. Внутренний поток ограничивается с внутрен­ ней стороны воздушным столбом. Описанная схема дви­ жения потоков дает весьма упрощенное представление о реальном движении жидкости в гидроциклоне. В действи­ тельности гидродинамические условия в гидроциклоне значительно сложнее, так как наряду с круговыми потока­ ми возникают радиальные и циркуляционные токи (рис. 21, б). Многие исследователи изучали распределение скоростей в гидроциклоне. Скорость движения жидкости в любой точке гидроциклона можно разложить на следую-

76

щпе три составляющие: v t — тангенциальную скорость, направленную перпендикулярно радиусу вращения в дан­ ной точке на горизонтальной плоскости; v r — радиальную скорость, направленную по радиусу гидроциклона внутрь

Верхний продукт

Шиннии продукт

Рис. 21. Схема потоков жидкости в гидроциклоне (fl) и характер осевого и радиального течений в гидроциклоне (б):

его; v v — осевую или вертикальную скорость, направлен­ ную под прямым углом к vt и v r, вдоль оси гидроциклона.

В каждой точке гидроциклона в плоскости, перпенди­ кулярной его оси, жидкость будет иметь скорость движе­ ния с, состоящую из тангенциальной и радиальной ско­ ростей; Дриссен [34] считает, что отношение тангенци­ альной и радиальной скоростей жидкости в любой точке гидроциклона является величиной постоянной, т. е. tga=const. Это означает, что Лоток жидкости движется в гидроциклоне по логарифмической спирали, полюс ко-

77

,Торой расположен на оси гидроциклона. Согласно закону сохранения углового момента тангенциальная скорость

увеличивается с уменьшением радиуса вращения. Произ­ ведение тангенциальной скорости на радиус вращения имеет тенденцию сохранять постоянное значение v tr =

— const. Вследствие трения потока о стенку аппарата и внутреннего трения, обусловленного вязкостью и турбу­ лентностью, получаются некоторые отклонения от ука­ занной выше зависимости.

Для лучшей очистки сточной воды необходимо обес­ печить высокие тангенциальные скорости. Для этого внутренняя поверхность гидроциклона должна быть воз­ можно более гладкой, чтобы уменьшить трение и тур­ булентность потоков.

При возрастании значений критерия Рейнольдса в хорошо сконструированных гидроциклонах профиль тан­ генциальной скорости соответствует постоянству величи­ ны и</г. Радиальная скорость практически отсутствует в центральной части столба жидкости, вращающейся под сливным патрубком, и поэтому здесь нет радиального пе­ реноса углового момента. В этой части гидроциклона оп­ ределяющими являются потери на трение, что и обуслов­ ливает соответствие профиля тангенциальной скорости постоянству величины Vtlr. Гидродинамика вихрей вооб­ ще, а в гидроциклоне в особенности является сложной и недостаточно изученной. В гидроциклоне происходит не­ прерывное движение жидкости, следовательно, должно быть справедливо уравнение неразрывности жидкой среды.

Для регулирования процесса разделения в гидроцик­ лоне необходимо знать соотношения тангенциальной и радиальной скоростей движения, так как процесс проис­ ходит в основном под действием центробежной силы и си­ лы взаимодействия частицы с радиальным потоком жид­ кости, величины которых определяются этими составляю­ щими скоростями. Наиболее полное экспериментальное исследование по измерению скоростей движения жидко­ сти в гидроциклоне было проведено Келсаллом [28], изу­ чавшим движение тонких алюминиевых стружек в вод­ ной среде при незначительной концентрации их на про­ зрачной модели гидроциклона диаметром 76 мм. Для наблюдения за движением частиц он использовал опти­ ческий метод (при помощи стробоскопа). Опыты показа­ ли, что скорость движения частиц близка к скорости дви­

. 78

жения жидкости (расхождение между ними не превыша­ ет 5%).

Прямыми замерами Келсаллу удалось построить поле тангенциальных и вертикальных скоростей жидкости в середине конической части гидроциклона. Радиальные составляющие скорости он вычислял по уравнению не­ разрывности с использованием величины тангенциальных и вертикальных скоростей, полученных эксперименталь­ ным путем.

На основании проведенных экспериментальных иссле­ дований Келсалл пришел к следующим выводам.

1. В сечениях ниже кромки диафрагмы между танген­ циальной скоростью и радиусом вращения существует за­ висимость щгп = const, причем показатель степени а является величиной переменной, зависящей от радиуса вращения. Наибольшее значение /г= 0,52 получено у стенки гидроциклона, на радиусе воздушного столба п = = 0,3; в области выше диафрагмы эта зависимость не сохраняется, хотя характер изменения тангенциальной скорости почти не отличается от характера изменения в нижележащей зоне. Тангенциальная скорость в гидро­ циклоне увеличивается при уменьшении радиуса враще­ ния жидкости, достигая максимального значения вблизи внутреннего восходящего потока между диафрагмой и воздушным столбом. Затем она резко уменьшается и ста­ новится равной нулю по оси гидроциклона.

2. Значения радиальной скорости изменяются по вы­ соте гидроциклона. В сечениях выше кромки диафрагмы радиальная скорость, направленная внутрь, имеет наи­ большую величину вблизи стенки корпуса гидроциклона, уменьшается по мере перемещения жидкости в направ­ лении к оси гидроциклона и становится равной нулю вблизи диафрагмы. На горизонтальных уровнях ниже кромки диафрагмы радиальгая скорость падает с умень­ шением радиуса и становится равной нулю на границе воздушного столба.

3. Вертикальная составляющая скорости жидкости v v изменяется по величине и направлению в зависимости от радиуса вращения. Вблизи стенки гидроциклона вер­ тикальная скорость направлена вниз и имеет наибольшее значение. По мере уменьшения радиуса вращения она уменьшается, становится равной нулю, а затем, изменив направление на восходящее, достигает " максимального значения на границе с воздушным столбом. Нулевая по­

79

верхность, проходящая через точки с нулевой вертикаль­ ной скоростью жидкости, отделяет часть потока, движу­ щегося вниз, от части потока, движущегося вверх.

Келсалл экспериментально определил в указанном выше гидроциклоне для частиц кварцевой муки различ­ ных размеров поверхности, которые соответствуют равно­ весию частиц данного размера.

Дриссен [34 ] сделал попытку применить общие урав­ нения гидромеханики для случая движения жидкости в гидроциклоне. В действительности условия движения жид­ кости в гидроциклоне сложнее, чем принятые Дриссеном. Существование аксиального потока, а также изменение скоростей движения в зависимости от концентрации в них твердой фазы в отдельных участках гидроциклона могут сильно изменить вид уравнений.

Представляет интерес применение уравнений движе­ ния неныотоновских жидкостей для случая движения жидкости в гидроциклоне. Эти уравнения выведены Н. В. Розе [35, с. 46—54]. Большая сложность уравнений Н. В. Розе не позволяет использовать их на практике.

Гидроциклонные установки по сравнению с отстойни­ ками имеют ряд преимуществ: малые габариты, простую конструкцию, высокую производительность, небольшие затраты на изготовление и монтаж, простота обслужива­ ния. Однако для осветления сточных вод заводов огне­ упорной промышленности гидроциклоны еще не применя­ ют. Объясняется это в значительной мере недостаточ­ ностью теоретических и экспериментальных данных по использованию гидроциклонов.

В литературе имеется большое количество статей, посвященных работе гидроциклонов [23—25, 27, 33, 36— 46 и др.]. Авторы их предлагают различные формулы для расчета производительности гидроциклона и граничной крупности частиц. Проверка применимости некоторых формул для расчета производительности дала различные результаты. Данные расчета для гидроциклона диамет­ ром 25 мм со сливным патрубком диаметром 9 мм и пи­

можно отметить и в отношении определения граничной крупности улавливаемых частиц. Поэтому для техноло­ гического расчета очистки производственных сточных вод

80