Центробежные методы очистки

Повысить очистку стоков от твердых частиц удается в циклонах, подобных тем, что используются для очистки газов от пыли, и центрифугах. За счет центробежных сил очистка значительно ускоряется, и размеры оборудования сокращаются. В первом случае вращательное движение суспензии происходит за счет подачи по касательной в аппарат цилиндрической формы (называемой гидроциклоном), а во втором — за счет вращения суспензии в роторе центрифуги.

Величина центробежной силы Fзависит от радиуса:

где т — масса; v — линейная скорость; со — угловая скорость; п — число оборотов; R — текущий радиус.

Поэтому аналитическое описание процессов расслоения осложняется. Центробежная сила в современных аппаратах может превышать силу тяжести в сотни и тысячи раз. Отношение центробежной силы к силе тяжести называется фактором разделения:

Следовательно, в аппаратах, в которых развивается центробежная сила, процессы разделения ускоряются и происходят более полно.

Скорость осаждающейся частицы под действием центробежной силы не достигает предельного значения, как это имеет место при осаждении в поле тяжести.

Расчет циклона аналогичен расчету подобных устройств для очистки газа от твердых частиц.

Скорость движения частицы в жидкости под действием центробежной силы (V_n) может быть определена по формуле где С — коэффициент пропорциональности; d — диаметр частицы; т — константа, определенная эмпирически; р_с — плотность сточной воды; Др — разность плотностей фаз (твердое — жидкое); I — ускорение центробежного ноля; р — динамический коэффициент вязкости жидкости (сточной воды).

Величины коэффициентов С и констант т не зависят от гидродинамического режима, определяемого значением критерия Рейнольдса:

Их числовые значения представлены в табл. 11.1.

Для очистки сточных вод от твердых частиц используют открытые и напорные гидроциклоны (рис. 11.9).

Таблица 11.1

Числовые значения коэффициентов С и констант т в формуле

Рис. 11.9. Гидроциклоны:

а — напорный; б — с внутренним цилиндром и конической диафрагмой; в — блок напорных гидроциклонов; г — многоярусный гидроциклон с наклонными патрубками для отвода очищенной воды Открытые гидродиклоны используют для выделения всплывающих и оседающих грубодисперсных примесей гидравлической крупностью более 0,2 мм/с и скоагулированных взвешенных веществ. Применяют следующие типы открытых гидроциклонов:

• • без внутренних устройств для выделения из сточных вод крупных и мелкодисперсных взвешенных веществ;
• • с конической диафрагмой и с внутренним цилиндром выделения оседающих и всплывающих мелкодисперсных взвешенных веществ;
• • многоярусный с наклонными выпусками очищенной воды из каждого яруса для выделения крупных и мелкодисперсных взвешенных веществ;
• • многоярусный с периферийным отбором очищенной воды для выделений оседающих крупноп мелкодисперсных взвешенных веществ.

Для повышения эффективности очистки в конструкции многоярусного гидроциклона совмещены принципы работы открытого гидроциклона и тонкослойного отстойника.

Диаметр (D) первого из вышеуказанных гидроциклопов лежит в пределах от 2 до 10 м. Для всех остальных типов D = = 2—6 м. Производительность открытого гидроциклона может быть рассчитана по следующей формуле:

где Q — производительность гидроциклона, м³/ч; q — удельная гидравлическая нагрузка, м³/(м² • ч); D — диаметр гидроциклона, м.

Напорные гидроциклоны используют для очистки сточных вод от грубодисперсных примесей (в основном минерального происхождения), таких как песок, уголь, окалина, компоненты керамики, стекла, строительных материалов, а также отходов литейного, горнорудного, асбестоцементного, химического и металлургического производств.

Указанные устройства могут быть единичными и батарейными (мультициклоны).

В напорном гидроциклоне формируются внешний и внутренний потоки воды, направление вращения которых совпадает. Внешний поток при вращении проходит цилиндрическую и коническую части циклона и направляется к шламовому отверстию, а внутренний поток удаляется через сливной патрубок.

Указанные гидроциклоны производятся с диаметрами цилиндрической части 100—500 мм. Разработаны также конструкции напорных гидроциклонов с монолитными элементами рабочей камеры (марки ГН) и диаметрами цилиндрической части 25—80 мм.

Гидроциклоны малого диаметра объединяют в общий агрегат, в котором они работают параллельно. Такие устройства называют мультигидроциклонами. Их наиболее эффективно использовать для очистки небольших количеств вод от тонкодисперсных примесей. Производительность напорного гидроциклона (Q,_1MT) может быть рассчитана по следующей формуле:

где Q_II1IT — производительность напорного гидроциклоиа, л/с; D — диаметр цилиндрической части гидроциклоиа, см; d««т — диаметр питающего патрубка, см; с1_сл — диаметр сливного патрубка, см; d_niJl — диаметр шламового патрубка, см; Н_п — высота цилиндрической части гидроциклоиа, см; а — угол конусности конической части, град; Р_пт — давление питания (па входе в гидроциклон), МПа.

Представленное уравнение справедливо для гидроциклонов марки и ГНС при условий, что эти устройства работают без противодавления со стороны сливного и шламового патрубков, т. е. давление на выходе из сливного и шламового патрубков соответствует атмосферному.

Требуемое число напорных гидроциклонов Доопределяется по следующей формуле:

где Q — расчетная производительность установки, л/с.

Эффективность очистки в гидроциклонах достигает 70—80%. Значительно больший эффект очистки достигается в центрифугах, где внутри корпуса с большой скоростью (сотни и тысячи оборотов в минуту) вращается барабан, увлекая за собой жидкость. Легкая фракция поднимается вверх, а тяжелая собирается внизу. Схема центрифуги приведена на рис. 11.10. Корпус центрифуги вращается с большой скоростью вокруг полой оси, через которую поступает загрязненная вода. Благодаря трению о стенки жидкость приобретает большую скорость вращения. За счет центробежных сил твердые частицы направляются к внешней стенке центрифуги и через отдельный патрубок выводятся наружу в виде концентрированного шлама. Более легкая фракция.

(вода) выводится через верхний патрубок. Из расчета циклона известно, что время, необходимое для перемещения твердой частицы от внутренней трубы до наружной стенки центрифуги, обратно пропорционально квадрату угловой скорости вращения. Быстрое вращение (сотни и тысячи оборотов в минуту) обеспечивает высокую эффективность разделения в центрифуге. Расчет центрифуг аналогичен расчету циклона. Находится время движения твердой частицы от внутренней стенки к наружной, и по заданной производительности определяется необходимый объем центрифуги.

Рис. 11.10. Схема центрифуги для очистки воды от мелких твердых частиц.

Дифференциальное уравнение движения частицы относительно жидкости, находящейся в поле центробежных сил, имеет вид:

где т — масса частицы, кг; v — относительная скорость радиального движения частицы, м/с; d — диаметр частицы, см; V = р_тв — р_ж, кг/м³; г — радиус вращения частицы; w — угловая скорость, рад/с; X — коэффициент сопротивления; р — вязкость кг/(м с).

При Re < 0,2, когда имеем ламинарный закон движения частицы и сила сопротивления (второй член уравнения (11.15)) определяется законом Ньютона: F = 6яр? т решение уравнения приобретает вид:

Данное выражение аналогично закону Стокса, в котором g заменено на шгг.

где V — объем суспензии в роторе центрифуги; г — радиус трубчатого ротора центрифуги; h — толщина осадка.

Задавшись Q_TB из этого уравнения, можно оценить граничный диаметр частиц, уходящих в слив.

Уравнение для расхода часто записывают в виде (м³/с).

где U_g — предельная скорость осаждения в поле силы тяжести, м/с; I — индекс производительности центрифуги.

Он показывает, во сколько раз нужна большая площадь в м² ротора в отсутствии центробежного ускорения, обеспечивающего такое же осаждение частиц, как и в центрифуге.

Индекс производительности I можно определить через фактор разделения К_р, как:

где F— площадь цилиндрической поверхности осаждения.

При увеличении значения Re происходит замедление роста эффективности действия центрифуг.

Для цилиндрической центрифуги значения К_р и F можно рассчитать по формулам.

Производительность (м³/^с) ^по твердому можно приблизительно оценить по формуле.

где п — число оборотов ротора; D — его диаметр; / — длина цилиндрической части ротора.

На практике жидкость находится па расстоянии, равном не диаметру центрифуги, a (D — /?), где h — толщина слоя осадка. Поэтому величину фактора разделения относят к среднему диаметру (D — h) и выражения для К_р и F примут вид:

где го — радиус свободной поверхности жидкости; / - длина ротора.

Подставив значение для Fw K_]V получим:

Для трубчатых Е = 120—2520; для тарельчатых Е = 6300— 12 400; со шнековой выгрузкой Е = 560—600.