Осаждение взвешенных частиц под действием центробежной силы проводят в гидроциклонах и центрифугах.
Гидроциклоны. Для очистки сточных вод используют напорные и открытые (низконапорные) гидроциклоны. Напорные гидроциклоны применяют для осаждения твердых примесей, а открытые - для удаления осаждающих и всплывающих примесей.
Отделение твердых примесей в гидроциклонах осуществляется за счет действия центробежных сил в открытых или напорных гидроциклонах. Открытые гидроциклоны применяются для выделения из сточных вод крупных твердых частиц со скоростью осаждения более 0,002 м/с. Преимуществом открытого гидроциклона перед напорными является б о льшая производительность и малые потери напора, не превышающие 0,5 кПа. Эффективность очистки сточных вод зависит от характеристик и параметров примесей твердых частиц, их размеров, формы, плотности и др., а также от конструкции и геометрических характеристик самого циклона.
При вращении жидкости в гидроциклонах на частицы действуют центробежные силы, отбрасывающие тяжелые частицы к периферии потока, силы сопротивления движущегося потока, гравитационные силы и силы инерции. Силы инерции незначительны и ими можно пренебречь. При высоких скоростях вращения центробежные силы значительно больше сил тяжести.
Рис.8. Гидроциклоны:
а – напорные;
б – с внутренним цилиндром и конической диафрагмой: 1 – корпус; 2 – внутренний цилиндр; 3 – кольцевой лоток; 4 – диафрагма;
в – блок напорных гидроциклонов;
г – многоярусный гидроциклон с наклонным патрубком для отвода сточной воды: 1 - конические диафрагмы; 2 – лоток; 3 – водослив; 4 – маслосборная воронка; 5 – распределительные лотки; 6 – шламоотводящяя щель
Напорные гидроциклоны В них возможна очистка сточных вод от маслопродуктов. Из напорных гидроциклонов наибольшее распространение получил аппарат конической формы (рис.8, а).
Сточную воду тангенциально подают внутрь гидроциклона. При вращении жидкости под действием центробежной силы внутри гидроциклона образуется ряд потоков. Жидкость, войдя в цилиндрическую, часть, приобретает вращательное движение и движется около стенок по винтовой спирали вниз к сливу. Часть ее с крупными частицами удаляется из гидроциклона. Другая часть, (осветленная) поворачивает и движется вверх около оси гидроциклона. Кроме того, возникают радиальные и замкнутые циркуляционные токи. В центре образуется воздушный столб, давление которого меньше атмосферного. Он оказывает влияние на эффективность гидроциклонов.
Открытые (безнапорные) гидроциклоны. Их применяют для очистки сточных вод от крупных примесей (гидравлической крупностью 5 мм/с). От напорных гидроциклонов они отличаются большей производительностью и меньшим гидравлическим сопротивлением. Схема одного из гидроциклонов — с внутренним цилиндром и конической диафрагмой показана на рис. 8, б.
Сточную воду тангенциально подают в пространство, ограниченное внутренним цилиндром. Поток по спирали движется вверх. Дойдя до верха цилиндра, он разделяется на два потока. Один из них (осветленная вода) движется к центральному отверстию диафрагмы и пройдя ее, попадает в лоток. Другой поток со взвешенными частицами направляется в пространство между стенками цилиндра и гидроцилиндра и поступает в коническую его часть.
Многоярусные гидроциклоны. В многоярусных гидроциклонах рабочий объем разделен коническими диафрагмами на несколько ярусов, каждый из которых работает самостоятельно. В этой конструкции использован принцип тонкослойного отстаивания (более полное использование объема аппарата, уменьшение времени пребывания при одинаковой степени очистки). Схема гидроциклона показана на рис. 8, г.
Сточная вода из аванкамер через щели поступает в пространство между ярусами, где движется по спирали к центру. При этом происходит осаждение из нее твердых частиц на нижние диафрагмы ярусов. Осадок сползает и через щели попадает в коническую часть. Осветленная вода попадает вкольцевой поток. Частицы масел и нефти через зазор между диафрагмами к стенкой корпуса всплывают под верхнюю диафрагму и по маслоотводяшим трубам выходят на поверхность, откуда через воронку их удаляют из гидроциклона.
Для гидроциклона критерием является гидравлическая нагрузка:
q=3.6k∙ω0,
где
ω0 – скорость осаждения
k – коэффициент, характеризующий форму и состояние поверхности твердых частиц, для железной окалины k=1,2
Определение диаметра гидроциклона:
S – площадь поперечного сечения циклона
Q – расход воды, м3/с
q – допустимая удельная гидравлическая нагрузка.
Для выбора и расчета открытых гидроциклонов рекомендуется следующий диапазон выбора диаметра: D=2-10м; диаметр входного патрубка dвх = 0,1D или dвх=0,07D. Первое значение берут, когда в аппарате предусматривается один входной патрубок; второй – когда два патрубка.
Угол раскрытия шламосборника α=60°. Концентрация твердых частиц в сточной воде на выходе из открытого гидроциклона:
H – высота цилиндрической части гидроциклона
А – коэффициент, характеризующий способность твердых частиц к коагуляции. А=0,033 – при наличии эффекта коагуляции частиц в сточной воде, А=0,75 – без коагуляции.
Количество шлама, оседающего в гидроциклоне (за смену):
Р=(Свх-Свых)∙Q∙τ, где
Свх и Свых – концентрация загрязнителей на входе и выходе
Q – расход, м3/с
τ – время работы, за которое производят расчет.
Пример расчета:
Дано: Рассчитать геометрические размеры открытого гидроциклона для очистки сточных вод прокатного цеха, если известно, что Q=0,483 м3/с – расход сточных вод; Свх=1,2 кг/м3 (окалина); основной загрязнитель – металлическая окалина: ρч=750 кг/м3 (это мы приняли); ρж=1000 кг/м3; µж=0,00102 Па∙с/м2; dч=0,0001 м.
Решение:
[окалина = Fe3O4+Fe2O3]
1. Скорость осаждения:
2. Удельная гидравлическая нагрузка:
q=3.6∙1.2∙0.0356=0.154 м3/м2∙с.
3. Площадь поперечного сечения и диаметра аппарата:
4. Если при расчете оказалось, что D>10 м, то необходимо использовать несколько параллельно расположенных гидроциклонов:
Если диаметр меньше 2 м, то выбирается другой вид гидроциклона – напорный.
5. Определяем высоту, которая в гидроциклонах ≈ диаметру:
Н= D= 2 м, следовательно, диаметр одного входного патрубка: dвх=0,1D=0.2 м
α=60°
6. Определяем концентрацию твердых частиц в сточной воде на выходе из гидроциклона:
7. Кличество шлама, образовавшегося за 1 час работы гидроциклона:
Р=1,2∙0,483∙3600=1044 кг