4. Відокремлення плаваючих частинок під дією відцентрових сил

Осадження плаваючих частинок під дією відцентрової сили про­водять у гідроциклонах і центрифугах.

Гідроциклони. Для очищення стічних вод використовують напірні і відкриті (низьконапірні) гідроциклони. Напірні гідроциклони засто­совують для осадження твердих домішок, а відкриті - для відділення осаджуючих і спливаючих домішок. Гідроциклони прості за конструк­цією, компактні, їх легко обслуговувати. Вони відзначаються високою продуктивністю і невеликою вартістю.

При обертанні рідини в гідроциклонах на частинки діють від­центрові сили, відкидаючи важкі частинки до периферії потоку, сил опору руху потоку, гравітаційні сили і сили інерції. Сили інерції незнач­ні, і ними можна знехтувати. При високих швидкостях обертання відцентрові сили значно більші за сили ваги.

Швидкість руху частинок у рідині під дією відцентрової сили зале­жить від її діаметра d, різниці щільності фаз ∆р, в’язкості µ_с і щільності р_с стічної води і від прискорення відцентрового поля І.

v ₌C^0.385d^m p^(m-2)/3∆p^{(µ+1)/3/(µ+1)/3}/µc^(2µ-1)/3 (6.25)

Коефіцієнт пропорційності С і показник ступеня те залежать від гідродинамічного режиму. Для ламінарного режиму при числі R_e= v₄dp/ µc = 16; те = 2; С = 1,7 -10^-4. Для перехідного режиму при Re =16 — 420; те = 1,2; С = 2,49 • 10³. Для турбулентного режиму Re > 420; те = 5,36; С = 0,5.

Крім фізичних властивостей рідини, на ефективність роботи гідро­циклонів впливають конструктивні параметри (діаметр апарата і при­стрій впускних і зливних патрубків). З напірних гідроциклонів най­більш поширений апарат конічної форми (рис. 7.9).

Стічну воду тангенціально подають всередину гідроциклону. При обертанні рідини під дією відцентрової сили всередині гідроциклону утвориться ряд потоків.

Рідина, ввійшовши в циліндричну частину, здобуває обертальний рух і рухається біля стінок по гвинтовій спіралі вниз до зливу. Частина її з великими частинками видаляється з гідро­циклону. Інша частина (прояснена) повертається і рухається вверх біля осі гідроциклону. Крім того, виникають радіальні і замкнуті цирку­ляційні струми. У центрі утвориться повітряний стовп, тиск якого менший атмосферний. Він впливає на ефективність гідроциклонів.

Гідроциклони виготовляються діаметром від 10 до 700 мм, висота циліндричної частини приблизно дорівнює діаметру апарата. Кут конусності дорівнює 10-20°.

Ефективність гідроциклонів знаходиться на рівні 70 %. При змен­шенні в’язкості стічної води швидкість осадження частинок у полі відцентрових сил збільшується. З ростом щільності рідини зменшується різниця щільності фаз і для частинок, важчих за воду. Це супро­воджується зниженням швидкості їх руху у відцентровому полі, а для частинок, які легші за воду, збільшенням швидкості руху.

Швидкість осадження пропорційна квадрату швидкості обертання частинок. Цю величину в першому наближенні можна вважати такою, що дорівнює швидкості води на вході в апарат. Швидкість води на вході можна збільшити зменшенням площі перетину вхідного патрубка або збільшенням витрати рідини. Однак це можна робити до визна-

Рис. 7.9. Гідроциклони:

а - напірний; б - з внутрішнім циліндром і конічною діафрагмою:

І - корпус; 2 - внутрішній циліндр; 3 - кільцевий лоток; 4 - діафрагма; в - блок напірних гідроциклонів; г - багатошаровий гідроциклон з нахиленими патрубками для відводу очищеної води: 1 - конічні діафрагми;

2 - лоток; 3 - водний злив; 4 - маслозбірна воронка; 5 - розподільні лотки; 6 - шлаковідвідна щілина

ченої межі, тому що при збільшенні витрат води знижується час пере­бування її в гідроциклоні, а при зменшенні перетину патрубка зростає турбулентне перемішування, яке негативно впливає на швидкість осад­ження часток. Турбулентне перемішування знижують зміною кон­струкції гідроциклону. З цією метою зменшують перетин робочого струменя, зменшивши діаметр вхідного патрубка, а для збереження продуктивності швидкості рідини на вході в гідроциклон збільшують число патрубків. Форма патрубка повинна мати плавне звуження. Для зменшення тертя потоку об внутрішні стінки і запобігання можливості росту турбулізації внаслідок цього зменшують діаметр апарата або передбачають вставки [25].

Для зниження швидкості руху рідини на вході в циклон у патрубку влаштовують спеціальні обертові розподільні пристрої, що нагадують ротори турбін. Такі апарати називають турбогідроциклонами.

Гідроциклони малого діаметра об’єднують у загальний агрегат, у якому вони працюють паралельно. Такі апарати називають мульти- гідроциклонами. Мультициклони найбільш ефективні при очищенні невеликих кількостей води від тонкодиспергованих домішок. Збіль­шення продуктивності цих апаратів досягається шляхом компонування їх у блоки зі значним числом робочих одиниць (рис. 7.9). Для глибокої очистки послідовно встановлюють гідроциклони різних типорозмірів.

Продуктивність напірних гідроциклонів визначають за формулою:

Q=K₁Dd_вх, (7.26)

де К, - безрозмірний коефіцієнт; D - діаметр гідроциклону, м; d_вх - діаметр вхідного патрубка, м; - перепад тиску між зливним і вхідним патрубками, Па.

Відкриті (безнапірні) гідроциклони. їх застосовують для очищення стічних вод від великих домішок (гідравлічної грубості 5 мм/с). Від напірних гідроциклонів вони відрізняються більшою продуктивністю

і меншим гідравлічним опором. Схема одного з гідроциклонів - із внутрішнім циліндром і конічною діафрагмою - показана на рис. 7.9, в.

Стічну воду тангенціально подають у простір, обмежений внут­рішнім циліндром. Потік по спіралі рухається вверх. Дійшовши до верху циліндра, він розділяється на два потоки. Один з них (освітлена вода) рухається до центрального отвору діафрагми і, пройшовши її, потрапляє в лоток. Інший потік із плаваючими частинками направ­ляється в простір між стінками циліндра і гідроциліндра і надходить у конічну його частину.

Багатоярусні гідроциклони. У багатоярусних гідроциклонах робочий об’єм поділений конічними діафрагмами на декілька ярусів, кожний з яких працює самостійно. У цій конструкції використаний принцип тонкошарового відстоювання (більш повне використання об’єму апа­рата, зменшення часу перебування при однаковому ступені очищення). Схема гідроциклону показана на рис. 7.9, г.

Стічна вода з аванкамер через щілини надходить у простір між ярусами, де рухається по спіралі до центра. При цьому надходить осадження із неї твердих частинок на нижні діафрагми ярусів. Осад сповзає і через щілини потрапляє в конічну частину. Освітлена вода потрапляє в кільцевий потік. Частинки оливи і нафти через щілину між діафрагмами і стінкою корпуса спливають під верхню діафрагму і по оливовідводних трубах виходять на поверхню, звідкіля через лійку їх видаляють з гідроциклону.

Продуктивність багатоярусного гідроциклону визначається за фор­мулою:

Q=3.6пn(R²-r²)ω_oc (7.27)

де R - радіус обертання; r - радіус шламоприймальника; п - кількість ярусів у гідроциклоні.

Конструктивні розміри багатоярусних гідроциклонів: діаметр 3-6 м; висота ярусу 130-200 мм; кількість ярусів 4-20; діаметр отвору діафрагми 0,6-1,4 м; ширина шламовідвідної щілини 100 мм; кількість впусків 3; швидкість води на вході в апарат приймається такою, що дорівнює 0,5 м/с.

Центрифуги. Для видалення осаду зі стічних вод можуть бути використані фільтруючі і відстійні центрифуги.

Відцентрове фільтрування досягається обертанням суспензії в пер­форованому барабані, обтягнутому сіткою, або фільтрувальною тка­ниною. Осад залишається на стінках барабана. Його видаляють вручну або знімають з допомогою ножа. Таке фільтрування найбільш ефек­тивне, коли треба одержувати продукт із найменшою вологістю і необхідне промивання осаду.

Для відцентрового фільтрування рівняння фільтрування має вигляд:

Dv/dτ=p_вω²(R²r0³)пK_cL/µln(R/r_oc) (7.28)

Перепад тисків у центрифузі визначають за формулою:

∆Р = ω²р_в(R²-r0²)/2 , (7.29)

де р_в - щільність рідини: ω - кутова швидкість обертання ротора; R - радіус ротора; г₀, r_oc - внутрішній радіус рідини й осаду відповідно; К_с - коефіцієнт пропорційності шару; L- довжина ротора.

Фільтруючі центрифуги застосовують для поділу суспензій, коли потрібні високий ступінь зневоднення осаду й ефективне його проми­вання, а також у тих випадках, коли використовується зневоднений осад і досить чистий фільтрат.

Центрифуги можуть бути періодичної або безперервної дії; гори­зонтальними, вертикальними або похилими; розрізняються за розта­шуванням вала в просторі; за способом вивантаження осаду з ротора (з ручним, з ножовим, поршневим, шнековим або відцентровим виван­таженням). Вони можуть бути в герметизованому і негерметизованому виконанні.

Центрифуги періодичної дії застосовують при витратах суспензії менше 5 м³/год у широкому діапазоні концентрацій суспензій з частин­ками діаметром більше 10 мкм. Найбільше поширення одержали цент­рифуги з механізованим вивантаженням осаду. Цикл їхньої роботи складається з наступних операцій: наповнення, центрифугування, про­мивання осаду, центрифугування після промивання і вивантаження осаду.

З відстійних центрифуг безперервної дії найбільш поширені цент­рифуги з пульсуючим і шнековим вивантаженням осаду. Застосо­вуються для поділу концентрованих суспензій з розміром частинок більше 100 мкм.

З відстійних центрифуг безперервної дії в системах очищення стіч­них вод найбільше поширення отримали горизонтальні шнекові цент­рифуги типу ОГШ. їх використовують для виділення частинок гідрав­лічної грубості приблизно 0,2 мм/с (протитічні) і 0,05 мм/с (прямотічні). Продуктивність центрифуги дорівнює:

Q= Kv_в/τ_u (7.30)

де К - коефіцієнт використання об’єму ванни (К - 0,4-0,6); v - розра­хунковий об’єм ванни ротора; τ_u - тривалість перебування суспензії у роторі.

Схема очищення води на центрифугах представлена на рис. 7.10.

Із стічної води спочатку видаляється грубий осад на решітках, а потім пісок у гідроциклоні. Після ущільнення осаду його видаляють із центрифуги.

Промивання осаду в апараті. Схема такого апарата показана на рис. 7.11.

Рис. 7.10. Схема установки видалення осаду зі стічної води на центрифузі: 1 - решітка; 2 - гідроциклон; 3 - ущільнювач осаду; 4, 7 - ємності;

5 - насос; 6 - центрифуга

Стічна вода

Рис. 7.11. Черв’ячний віджимний апарат:

1 - лійка; 2 - віджимний черв’як; З - корпус; 4 - набір пластин;

5 - притискна головка

Суспензія через завантажувальну лійку надходить у фільтруючий корпус, нижня частина якого виконана у вигляді набору пластин з регульованими зазорами (за рахунок прокладок). Частки твердої фази осаджуються у фільтруючому корпусі черв’ячного витискаючого апа­рата, переміщуються до виходу. Оскільки вихідний перетин корпусу апарата зменшено за рахунок притискної головки, на виході з корпусу створюється тиск, під дією якого відбувається відтиск фільтрату. Осад має низьку кінцеву вологість. Шнек приводиться в обертання електро­двигуном. Частота обертання невелика. У таких апаратах особливо добре розділяються суспензії, що мають волокнисті частинки.