Гидроциклонные установки

На водозаборных узлах систем водоснабжения и орошения, на скважинах верти­кального дренажа, в землесосных и пульпоподъемных установках серьезной проблемой является очистка природных вод от наносов, содержащих минеральную взвесь с плот­ностью больше плотности воды. Решение этой задачи может быть достигнуто с помо­щью специальных конструкций гидроциклонных установок (ГЦУ). Гидроциклонные и гидроциклонно-фильтрационные установки (ГЦФУ) являются высокоэффективными средствами для грубой очистки воды как на всасывающей, так и на нагнетательной ли­ниях насосов в условиях напорно-вакуумного потока. Разработанные в последние деся­тилетия ряд специальных конструкций таких установок позволяют объединить в одном гидравлическом блоке несколько основных технологических процессов: улавливание механических примесей (песок, илистые частицы и т.д.), сгущение пульпы, защита ра­бочих органов насосов от абразивного износа, отвод осадка и очищенной воды. Неболь­шие габариты, высокая удельная производительность таких аппаратов позволяют ком­пактно и рационально объединять и размещать их в надфильтровом и подфильтровом пространстве фильтров, в отстойниках, осветлителях разных конструкций, в приемных отделениях береговых водосборных колодцев.

ГЦФУ рекомендуется применять для предварительной очистки хозяйственно-пить­евой воды; технической воды, подаваемой на охлаждение опор (подшипников) крупных насосных агрегатов; для мойки мелиоративной, дорожной и сельскохозяйственной тех­ники; поливной воды систем капельного и мелкодисперсного дождевания при работе различного вида форсунок, требующих высокой степени очистки воды.

Выбор конструктивных параметров, определение месторасположения и методика ги­дравлического расчета гидроциклонных установок зависит от назначения, требований практики, технологии производства очистки, способа выноса и транспортировки осадка.

Гидроциклонный способ водоочистки позволяет все операции - стратификацию двухфазного потока, сгущение пульпы, вынос осадка и подачу осветленной воды - объ­единить в единый моногидроблок или в схему «замкнутая гидролиния».

Механизм удаления из воды с плотностью р_в шарообразных грубодисперсных час­тиц взвеси с плотностью р_m и диаметром d в гидроциклоне является результатом взаи­модействия центробежной силы F_ц.б :

F_ц.б=v_tg(p_m-p_в)πd³/6r , kg

силы тяжести G:

G=пd³g(p_m-p_в)/6

и гидравлического сопротивления Т

Т=ψp_вv²_Rпd²/4

v_R- радиальная скорость; ψ - коэфф.сопротивления.

Коэффициент сопротивления зависит от режима движения жидкости, определяемо­го числом Рейнольдса:

Re=v_Rdp_в/μ

При Re < 1 - ψ =f(ψ). При Re > 400 вязкость практически не влияет на коэффици­ент сопротивления. При F_ц.б >Т частицы взвеси смещаются к пристенной поверхности циклона и втягиваются в нисходящий шламовый поток. При F_ц.б < Т частицы под дей­ствием радиальной скорости попадают в восходящий поток, направленный к сливному патрубку. Очистки воды от ГДП в этом случае не происходит.

В общем случае момент количества движения единицы массы в любом месте по ра­диусу камеры ψ_ц в указанном сечении выражается

M_r=A_вхM_вх(r/r_ц)ⁿ

где A_вх , n - коэффициенты пропорциональности.

При тангенциальном вводе жидкости в кони­ческий корпус напорного гидроциклона, смонти­рованного на нагнетательной линии насоса, из-за наличия момента количества входящей массы жидкости относительно оси камеры поток приоб­ретает вращательное движение с образованием воздушного «шнура» вдоль своей оси . За счет образования последнего происходит умень­шение живого сечения потока с коэффициентом ε. В общем случае в напорных циклонах этот коэф­фициент ε зависит от значения напоров воды на входе Н_вх, в сливе Н_с и в песковом отверстии Н_n, а также геометрических размеров аппарата (диамет­ра циклона слива d_c, пескового отверстия d_n, высоты циклона Н_ц) и гидравлических параметров потока: (расхода через слив Q_CЛ,через песковое от­верстие Q_n,высоты песчаного завала Н_т) и физи­ко-механических свойств жидкости (плотности р, вязкости μ):

Внутри гидроциклонной камеры (по осевой со­ставляющей скорости v_z) образуется два сопряжен­ных между собой винтообразных потока, вращаю­щихся в одну и ту же сторону: периферийный по­ток, направленный в «устье» конуса, увлекающий более плотные и крупные твердые частицы, и внут­ренний (центральный) поток, по которому двигают­ся менее плотные и мелкие твердые частицы и ос­новная масса очищенной жидкости в сторону слива.

Принципиальная схема движения потоков жидкости в гидроциклоне

1 - питающий патрубок; 2 - цилиндри­ческая часть; 3 - коническая часть; 4- шламовое отверстие; 5 - сливной патрубок; 6 - нисходящий поток; 7 - восходящий поток

Особенностью циклонного потока является также образование внутри него поверх­ности с нулевыми осевыми скоростями (НОС). По данным экспериментальных иссле­дований для гидроциклона (без заглубленного сливного патрубка) радиусы нулевых осевых скоростей (r_w) и воздушного шнура (r_в) в сечении, взятом по оси входного пат­рубка, приближенно могут быть определены по следующим эмпирическим формулам:

r_w=rц-2,4r_cл=0,4r_ц

r_в=0,6r_сл

Расход слива через осевую скорость может быть определен по формуле

Q_сл=μ_слпr²_сл√2gΔН_вх

Для предотвращения абразивного износа колес насосов первого подъема гидро­циклонные установки монтируют на их всасывающей линии.

К другим условиям, влияющим на эффективность очистки воды в гидроциклоне, относятся гидравлическая крупность ГДП, их концентрация, плотность и вязкость воды.

При очистке высокодисперсной взвеси необходимо увеличивать тангенциальную скорость потока. При увеличении концентрации и плотности ГДП в очищаемых водах качество очистки воды снижается из-за стесненных условий движения воды и повыше­ния турбулентности.

Схема гидроциклонной установки на всасывающей линии насоса

1 - гидроциклонная приемная камера на всасы­вающей линии насоса; 2 - входной патрубок циклонной камеры; 3 - сливной патрубок цик­лонной камеры; 4 - песковое отверстие циклон­ной камеры; 5 - всасывающий патрубок насоса; 6 - нагнетательный патрубок насоса; 7 - гидро­элеватор; 8 - обратный клапан; 9- камера сгуще­ния; 10 - насос центробежный

Закономерности изменения основных характеристик потока в гидроциклоне. Изменение пескового и сливного расходов

При подготовке поверхностных вод для технических целей и предподготовки перед глубокой очисткой используются:

• блочные конструкции гидроциклонов диаметром 40, 50, 75, 80 мм, разработанные Дзержинским филиалом НИИхиммаш, включающие от 4 до 12 аппаратов производи­тельностью от 20 до 150 м³/ч, изготовленные из нержавеющей стали или пластмасс с давлением питания до 0,6 МПа;
• мультигидроциклоны, разработанные Центральным котлотурбинным институ­том, включающие 52 единичных аппарата диаметром 30 мм с производительностью 50 м³/ч при давлении питания 3,0 кгс/см², изготовленные из стали 3;
• напорные конструкции гидроциклонов диаметром 75 и 150 мм из полиуретана, разработанные институтом «Механобр»;
• гидроциклоны проблемной лаборатории НГСУ, разработанные совместно с Дзер­жинским филиалом НИИхиммаш, диаметром 25, 40, 60, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500 мм, изготовляемые из нержавеющей стали или пластмасс (диаметр аппаратов до 100 мм), и сборные конструкции диаметром более 100 мм - корпус аппарата из не­ржавеющей стали, рабочая камера монтируется из съемных стальных и пластмассовых элементов.

В настоящее время чаще всего для отделения твердых частиц используются гидро­циклоны высокого и низкого давления, устанавливаемые на нагнетательной линии на­соса. Первые из них способны отделять частицы минерального происхождения весьма малых размеров, вторые, работающие под давлением 0,4-2,0 м вод. ст. на входе, улавли­вают частицы диаметром 0,05 мм и более.

Исследованиями, проведенными на различных водоемах стран СНГ с использова­нием напорных гидроциклонов диаметром от 15 до 250 мм, установлено, что эффект ос­ветления речной воды при концентрации взвешенных плотных веществ в исходной во­де порядка 0,5-7,0 г/л колеблется в пределах от 35 до 95%.

Гидроциклоны для очистки поверхностных вод в системах водоснабжения

—► - движение осветляемой воды; — —► - движение шлама; а) фирмы Laval со струенаправля­ющими лопатками; б) фирмы Laval со струенаправляющими отверстиями; в) низкого давления; г) с эжектором для принудительного отвода шлама; д) двухкамерный; 1 - патрубок подачи воды на очистку; 2- корпус гидроциклона; 3 - циклонная камера; 4 - струенаправляющие лопатки; 5- струенаправляющие отверстия; 6- разделительная пластина; 7- шламовая камера; 8— эжек­тор; 9 - патрубок отвода шлама; 10 - патрубок отвода осветленной воды

На рисунке показаны схемы гидроциклонов различных зарубежных конструкций. Гидроциклоны фирмы Laval выполнены в виде металлического цельносварного корпу­са с внутренним антикоррозионным покрытием. Фирмой выпускается несколько разно­видностей гидроциклонов, различающихся по конструкции входной камеры (струена­правляющие отверстия или лопатки); габаритным размерам; положением установки (вертикальное или наклонное); способу сбора шлама (непрерывный, периодический с ручным открытием сбросного клапана, периодический с автоматическим открытием сбросного клапана). При производительности одного гидроциклона от 0,68 до 17 м³/ч диаметр циклонной камеры составляет от 60 до 127 мм, высота циклонной камеры - от 299 до 660 мм, общая высота гидроциклона - от 508 до 914 мм. Фирма выпускает по­добные гидроциклоны и большей производительности. При необходимости получения более высокой степени очистки применяют так называемые супергидроциклоны Лава­ля, которые представляют собой несколько последовательно соединенных гидроцикло­нов. Гидроциклоны оборудуются системой автоматического сброса шлама, которая че­рез определенные промежутки опорожняет шламовую камеру.

В технических условиях на зарубежные циклоны указано, что они эффективны для удаления частиц минерального происхождения с размером крупнее 75 мкм, но неэффек­тивны для удаления большинства органических примесей.

Гидроциклоны низкого давления представляют собой напорную или открытую ме­таллическую или железобетонную цилиндро-коническую емкость с тангенциально рас­положенным патрубком для подачи исходной воды. Вследствие того, что используемые при работе таких гидроциклонов напоры значительно ниже, чем у гидроциклонов высо­кого давления, их удельная материалоемкость значительно ниже.

Разновидностью гидроциклонов высокого давления являются двухкамерные гидро­циклоны. Следует отметить, что параллельное подключение гидроциклонов, так же как и других технических средств очистки воды, широко применяется в практике водоочи­стки, так как позволяет уменьшить количество запорно-регулирующей арматуры и уп­ростить эксплуатацию.

В напорно-вакуумных гидроциклонных установках, состоящих из единого гидрав­лического комплекса, включающего в себя моногидроблок и замкнутую систему трубо­проводов с насадками в вакуумной части, осуществляется забор осветленной части жидкости и осаждение наносов, а в напорной - сгущение осадка. Эжектирование осад­ка из вакуумной секции и подача его в напорную часть производится вихревым гидро­элеватором, размещенным тангенциально между ними. Расход воды через водослив та­кой установки определяется по формуле

где h_v>h_vвак- вакуумметрическая высота всасывания, = 26.

Как и для вакуумгидроцикла, в моноблочном гидроциклоне-сгустителе основным показателем, характеризующим эффективность его работы, является критерий

G_a=H_н/H_v=1,2-2,0

(12.47)

Гидроциклонно-фильтрационные установки (ГЦФУ) - конгломерация на базе цен­тробежного насоса гидроциклонной камеры (напорной, напорно-вакуумной или ваку­умной в зависимости от назначения), камеры сгущения, гидроэлеватора и фильтра тон­кой очистки. Размеры входящих в состав и ГЦФУ устройств взаимосвязаны и взаимо­обусловлены. Поэтому установление оптимальных соотношений их параметров имеет большое практическое значение.

Для установления соотношений основных параметров циклонной камеры и струйного аппарата в первом приближении принимается, что выходной диаметр сливного патрубка циклонной камеры d_сл равняется диаметру всасывающего патрубка насоса d_вc, т.е. d_сл=d_вc. Тогда соотношения других параметров могут быть приняты в следующих пределах:

• диаметр входного патрубка циклона -d_вx= (1-2)d_сл
• диаметр циклона d_ц= (3,5-4,5)d_сл;
• общая высота циклона h= (2-2,5)d_ц;
• цилиндрическая часть циклона h_ц = (1-2)d_вх;
• диаметр пескового отверстия d_n= (0,1-0,25)d_вх;
• угол конусности циклона β = 20-30°;
• диаметр рабочего сопла струйного аппарата d_c= (0,4-0,5)d_n;
• диаметр камеры смешения аппарата d_к.с.= d_n;
• длина камеры смешения l_к.с. = (6-9)d_к.с. .

При назначении диаметров пескового отверстия, камеры сгущения и камеры сме­шения надо учитывать то обстоятельство, что они должны обеспечить выход одновре­менно нескольких фракций наносов наибольшей крупности. Поэтому должно соблю­даться также условие

d_n= (4-8) δ,

где δ - наибольший диаметр фракции.

Эффективность очистки воды на гидроциклонах определяется многими факторами, в частности дисперсностью удаляемой из воды взвеси, ее плотностью, конструктивны­ми размерами элементов гидроциклона, величиной создаваемого на нем перепада дав­ления и др.

Улучшение эффекта очистки в гидроциклонах достигается при уменьшении диаме­тра циклонной камеры, увеличении перепада давления на входе и выходе, повышении содержания, плотности и крупности взвешенных частиц в очищаемой воде. Примене­ние гидроциклонов для очистки воды в системах водоснабжения целесообразно для уда­ления из воды взвесей минерального происхождения с плотностью частиц, превышаю­щей плотность воды, и диаметром частиц взвеси более 75-50 мкм. Причем наибольший эффект очистки достигается на гидроциклонах малого диаметра - микроциклонах.

В вакуумгидроциклонных установках изменение эпюр давления отли­чается от таковых в напорных гидроциклонах. Разрежение, создаваемое за счет вакуум- метрической высоты всасывания, создаваемой насосом, сопряженным со сливным пат­рубком гидроциклона, возрастает от периферии к центру. Вакуумметрическая высота всасывания в этом случае должна быть, согласно уравнению Бернулли, не менее

где P_a и P_H , v_H и v_вг - соответственно давления и скорости движения воды на входе и на выходе из гидроциклона.

Технологические показатели работы напорных гидроциклонов различных конструкций на природных водах

Тип гидроци­клонов и место проведения исследований	Диа­ метр, мм	Произво­ дитель­ ность, м3/ч	Давление на входе, МПа	Крупность улавливае­мой взвеси средняя, мкм	Содержание взвеси, мг/л		Эффект осветления, %
					в исход­ной воде	в освет­ленной воде
Конический напорный ци­клон, р. Кура	75	2,3	0,1	10-20	864	562	25
		4,25	0,15		1060	540	49
			0,20		1096	496	55
			0 25		1221	488	60
Напорные кон­струкции, р. Кура	50	5,83	0,05-0,20	12,3	1000	350	65
	100	12,0		21,0	1000	480	52
	150	35,7		21,4	4000	1600	51
	150	35,7		22,6	1000	520	48
	200	52,3		32,2	4000	2120	47
	300	129		29,1	1000	620	38
				29,9	4000	2480	38
				41,1	1000	720	28
				42,1	4000	2920	27
Напорные кон­струкции, р. Иня г. Новосибирск	50	3,5	0,20	10,5	1750	525	69
				10,8	1170	440	62
				10,5	575	220	60
				10,0	260	102	57
Двухкамерный напорный Каз- НИИВХ, оро­сительная вода Джамбульская обл.	200	98,0	0,20	100-50	7000	220	97
		120,0	0,30	Песок	7000	310	96

Эффективность режима работы вакуумгидроциклона, под которой подразумевает­ся извлечение из воды плотных частиц взвеси, степень сгущения осадка и условие от­вода его через песковое отверстие, зависит от отношения напора аппарата Н_н к вакууму в «устье» вакуумгидроциклона, создаваемого базовым насосом:

ξ=Н_н/H_v=1,2-2,0

Расход воды через слив вакуумгидроциклона определяется из уравнения Бернулли, составленного для сечения, взятого перед входом в насос, и сечения на уровне горизон­та воды в водоисточнике. При определенных эмпирических значениях коэффициента расхода ε = 0,6, площади сливного патрубка, равного площади входного патрубка насо­са w_см= w_щв.ю коэффициента местных потерь напора на линии всасывания = 80-90, расход через слив может быть определен по формуле

где ±z_H- положительная или отрицательная высота размещения насоса; ∑ζ(v²_в/2g) - сум­ма потерь напора на линии всасывания; H_v- высота всасывания.

Более высокую эффективность очистки воды достигают при использовании микро­циклонов - диаметром до 30-50 мм. При содержании взвешенных веществ в исходной воде до 5000 мг/л эффект очистки при гидравлической нагрузке на них до 0,3-0,4 л/с до­стигает 80%.

Графики зависимости эффекта очистки воды в напорном микроциклоне от гидравлической нагрузки и содержания взвешенных веществ в исходной воде

1 - С₀> 5,0; 2 - С₀ = 2,5; 3 - С₀< 0,6-1,0