Проектирование, расчет, особенности эксплуатации систем защиты среды обитания

Условные  буквенно-цифровые обозначения гидроциклонов. Рекомендуются пятизначные обозначения единичных гидроциклонов и семизначные батарейных гидроциклонов. Первые две буквы - тип гидроциклона, третья буква - конструкционный материал; цифры - основные геометрические характеристики аппаратов и номер модели, отражающий специфические конструктивные особенности гидроциклонов. Например, условное обозначение ТВК-40-5-01 означает: единичный аппарат с тангенциальным вводом суспензии (ТВ), выполненный из коррозионно-стойкой стали (К) с внутренним диаметром цилиндрической части, равным 40 мм, и углом конусности 5°, модель 01 [10]. В маркировке батареи гидроциклонов 30-02-ТВК-40-5-01 первая цифра - число элементов в батарее, вторая - модель установки, остальное - характеристика единичного элемент.

 

 

3. Устройство аппарата

 

На очистных сооружениях в напорных гидроциклонах производится сгущение сточных вод и осадков. Поскольку  объем сгущенного продукта в этих аппаратах может составлять всего 2,5 - 10% начального объема обрабатываемой суспензии, технологическая операция сгущения дает значительную экономию материальных затрат на строительство  очистных сооружений и участков обработки  осадков. Происходит эффективная отмывка  минеральных частиц от налипших на них органических загрязнений, например, на очистных сооружениях нефтеперерабатывающих  заводов при обработке песка  из песколовки или при отмывке  песчаной загрузки фильтров при её гидроперегрузке [11].

Напорные гидроциклоны представляют собой аппараты, состоящие из цилиндрической и конической частей (рис. 3). Сточная вода под давлением поступает по тангенциально расположенному вводу в верхнюю часть цилиндра и приобретает вращательное движение. Возникающие центробежные силы перемещают частицы примесей к стенкам аппарата по спиральной траектории вниз к выходному патрубку. Очищенная вода удаляется через верхний патрубок.

Фактор разделения напорных гидроциклонов достигает 2000, что обусловливает их высокую эффективность. Гидроциклоны могут иметь диаметры от 15 до 1000 мм. Для удлинения срока службы внутреннюю поверхность аппаратов футеруют каменным литьем или резиной. Промышленность выпускает различные типы гидроциклонов (УЗГО, НИИХИММАШ, НИЛ ОПСВ ГИСИ). Конструктивные размеры напорных гидроциклонов подбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации и свойств примесей [12].

 

 

 

 

 

 

Рис.3 Напорный гидроциклон:

1 – цилиндрическая часть; 2 –  патрубок для отвода вод; 3- патрубок  для впуска сточных вод; 4 –  коническая часть; 5 – патрубок  для отвода шлама

 

 

 

4. Проектирование аппаратного устройства

Для проектирования сооружений и аппаратов механической очистки должны быть заданы следующие  данные:

- общее количество сточных вод, м/ч;

- температура сточных вод, °С;

- периодичность образования сточных вод;

- тяжелые механические примеси, мг/л;

- нефтепродукты, масла, мг/л;

- плотность тяжелых и легких загрязнений, г/см; кинетика осаждения механических процессах тяжелее и легче поды, при их расчетной концентрации в исходной воде;

-  требуемая степень очистки (%) или допустимое содержание загрязнений легче и тяжелее воды, мг/л;

- гидравлическая крупность частиц, тяжелее и легче воды, которую необходимо выделить для обеспечения требуемой степени очистки, мм/с [5].

Основной  расчетной величиной напорных гидроциклонов (рис. 4-6) является удельная гидравлическая нагрузка, которая определяется по формуле СНиП 2.04.03-85 [5].

Величину  конструктивных параметров (D_hcb_cn и т.д.), входящих в расчетные зависимости, следует назначать по табл. 4. Производительность одного аппарата рассчитывается по формуле СНиП 2.0.1 03-85 [5].

  ………………………… (1)

Исходя  из общего количества сточных вод Qw определяется количество рабочих единиц гидроциклонов: N = Q_W/Q_hc. После назначения диаметра аппарата и определения их количества по табл. 4 определяются основные параметры гидроциклона.

Угол  наклона образующей конических диафрагм в открытых гидроциклонах в каждом конкретном случае должен задаваться в зависимости от свойств выделяемого  осадка, но не менее 45°. Диафрагмы в  открытых гидроциклонах могут быть выполнены как из стали, так и из неметаллических материалов: ткань, пластик и т. д. [6].

В распределительном  канале пропорционального водораспределительного устройства многоярусного гидроциклона скорость восходящего потока должна быть не менее 0,4 м/с.

Рис. 4. Схемы открытых гидроциклонов

а - без внутренних вставок; б - с конической диафрагмой; в - с конической диафрагмой и внутренним цилиндром

 

Рис. 5. Схема многоярусного гидроциклона с центральными выпусками

(с периферийным отбором очищенной воды)

 

Таблица 1

Типы гидроциклонов и  основные параметры узлов

На именование	Единица	Тип гидроциклона по рис.
конструктивного элемента	измерения	7, а	7, б	7, в	8	9
1	2	3	4	5	6	7
Диаметр аппарата	м	2-10	2-6	2-6	2-6	2-6
Высота цилиндрической части H	доля от Dhc	Dhc c	Dhc	Dhc +0,5	-	-
Размер впускного патрубка	»	0,07	0,05	0,05	Определяется по скорости входа
Количество впусков nl	шт.	2	2	2	3	3
Угол конической части	град	60	60	60	60	60
Угол конуса диафрагм	»	-	90	90	90-60	90-60
Диаметр центрального отверстия в  диафрагме  d1	доля от Dhс	-	0,5	0,5	0,6-1,4 м
Диаметр внутреннего цилиндра D1	то же	-	-	0,88	-	-
Высота внутреннего цилиндра H1	»	-	-	1,0	-	-
Высота водосливной стенки над  диафрагмой Н2	м	-	0,5	0,5	-	-
Диаметр водосливной стен, D2	в долях от Dhc	Dhc	Dhc +0,2	Dhc +0,2	Dhc +0,2	Dhc +0,2
Диаметр полупогруженной кольцевой  перегородки D3	То же	Dhc -0,2	Dhc	Dhc	Dhc	Dhc
Высота ярусов hti	м	-	-	-	0,1-0,25	0,1-0,2
Число ярусов nti	шт.	-	-	-	4-20	4-20
Зазор между корпусом и диафрагмой	м	-	0	0	0,05-0,07	0,1-0,15
Продолжение таблицы 1
Ширина шламоотводящей щели b	г	-	-	-	0,1-0,15	-
Скорость потока на входе в аппарат ubn ,	м/с	0,3-0,5	0,3-0,5	0,3-0,5	0,3-0,4	0,3-0,4
Скорость потока на входе в раструб  выпуска u вых	»	-	-	-	0,1	-
Количество выпусков из яруса n3	шт.	-	-	-	3	-

* Над чертой показан  размер нижней диафрагмы пары  ярусов, под чертой - верхней.

При расположении гидроциклонов над  поверхностью земли и удалении осадка под гидравлическим напором, отвод  осадка производится с разрывом струн  через коническую насадку, присоединенную к шламовому патрубку через задвижку. Диаметр шламовой насадки подбирается  при наладке сооружения. Для предупреждения засорения насадки крупными загрязнениями  перед ней, но после задвижки, устанавливается  камера, в которой располагается  решетка, набранная из металлической полоски с прозорами 6-8 мм [6].

Для равномерного распределения воды между гидроциклонами их водосливные кромки должны располагаться  на одной отметке, а на подводящих трубопроводах должны быть установлены водоизмерительные устройства [5].

 

4.1. Проектирование напорных  гидроциклонов

Посредством напорных гидроциклонов успешно  решаются следующие технологические  задачи, осветление сточных вод, например стекольных заводов, автохозяйств (удаление песка, глины и других минеральных  компонентов), литейных производств (удаление компонентов формовочной земли), нефтепромыслов (удаление нефтепродуктов и шлама), мясокомбинатов (удаление частиц минерального происхождения) и т. д.[13].

Обогащение  твердой фазы стоков (удаление из твердой  фазы частиц минерального или органическою происхождения, снижающих ценность основного продукта). Например, обогащение твердой фазы сточных вод галтовочных  барабанов, в которых содержится ценный карборундовый порошок и  отходы процесса шлифовки керамики, с  обеспечением повторного использования  порошка карборунда в процессе шлифовки.

Для обезвоживания  сырых осадков при использовании  тисковых центрифуг напорные гидроциклоны надлежит применять для предварительного удаления абразивных частиц твердой  фазы осадка, обеспечивающего защиту центрифуг от абразивного износа.

Удаление  из известкового молока инертных примесей (частиц песка, необожженного известняка) позволяет повысить надежность работы дозаторов, реакторов, контрольно-измерительной  аппаратуры.

Классификация частиц твердой фазы сточных вод: разделение частиц на фракции с различной  крупностью. Например, классификация  частиц твердой фазы сточных фаз  литейных производств с повторным  использованием отдельных фракций  в технологическом процессе [14].

Процесс классификации реализуется с  использованием нескольких ступеней разделения в напорных гидроциклонах с получением на каждой ступени фракций с определенными  размерами частиц.

На очистных сооружениях в напорных гидроциклонах  производится сгущение сточных вод  и осадков. Учитывая то, что объем  сгущенного продукта в напорных гидроциклонах  может составлять всего 2,5-10 % начального объема обрабатываемой суспензии, технологическая  операция сгущения может обеспечить значительную экономию материальных затрат на строительство очистных сооружений и участков обработки осадков. При  этом происходит эффективная отмывка  минеральных частиц от налипших на них органических загрязнений, например, на очистных сооружениях НПЗ при  обработке песка, выгружаемого из песколовки гидроэлеваторами, или при отмывке песчаной загрузки фильтров при ее гидроперегрузке [4].

В зависимости  от расположения напорных гидроциклонов  в технологическом процессе и  схемы их обвязки могут иметь место четыре гидродинамических режима работы [14]:

- при  свободном истечении верхнего  и нижнего продуктов в атмосферу:

Р_вх = Р_а; Р_шл = Р_а;……………………………...(2)

 

- при  наличии противодавления со стороны  сливного трубопровода и свободном  истечении шлама: Р_вх>Р_а; Р_шл = Р_а;……………………………..(3)

 

- при противодавлении со стороны спинного и шламового трубопроводов:

Р_вх>Р_а; Р_шл>Р_а;………………………………(4)

 

Режимы  работы гидроциклонов учитываются  при расчете конструктивных и  технологических параметров.

Одной из важных особенностей напорных гидроциклонов  является сильная корреляция производительности и эффективности разделения суспензий  с основными конструктивными  и технологическими параметрами аппаратов (рис. 7).

Наибольшие  значения коэффициентов корреляции имеют следующие параметры: диаметр  цилиндрической части гидроциклона D_hс площадь питающего патрубка F_en, диаметры сливного и шламового патрубков d_вx, d_шл; высота цилиндрической части Н_ц, угол конусности конической части , перепад давления в гидроциклоне Р = Р_cn-Р_сx, концентрации суспензии на входе в гидроциклон С_сn, размеры и плотность частиц твердой фазы суспензии d_{cp T} [6].

Основные  размеры напорного гидроциклона подбираются по данным заводов изготовителей  при этом должны учитываться: диаметр питающего d_еn и сливного d_ех патрубков должны отвечать соотношениям d_еn/d_ex = 0,5-1;d_en/D_hc = 0,12-0,4;

,

где - толщина стенки сливного патрубка; d_шл - диаметр шламового патрубка назначается из соотношения d_шл/d_eх = 0,2-1,0 (для предупреждения засорения шламового патрубка его минимальный диаметр должен в 6-8 раз превышать максимальный размер частиц загрязнений); Н_ц - высота цилиндрической части для гидроциклонов осветлителей должна приниматься: Н_ц = (2-4)D_hс, для гидроциклонов сгустителей: Н_ц = (1-2)D_hс.

 

Угол  конусности конической части следует принимать для гидроциклонов осветлителей 5-15°, для гидроциклонов сгустителей - 20-45°.

В зависимости  от особенностей решаемых технологических  задач могут применяться двух продуктовые (см. рис. 7) и многопродуктовые (рис. 11 приложение 6) напорные гидроциклоны. В последнем случае аппараты имеют несколько сливных трубопроводов, отводящих целевые продукты из различных зон восходящего вихревого потока гидроциклонов. Такие конструкции аппаратов как правило, применяются при разделении многофазных сред [5].

За последние  годы в ряде отраслей промышленности широко внедряются мультигидроциклоны - монолитные или сборные блочные конструкции, включающие десятки или сотни единичных напорных гидроциклонов, имеющих единые питающие, сливные и шламовые камеры. Путем создания мультигидроциклонов успешно реализуется возможность промышленного применения высокоэффективных двухпродуктовых и многопродуктовых напорных гидроциклонов с малым диаметром цилиндрической части от 8 до 75 мм.

Для выделения  из сточных вод частиц механических загрязнении крупностью = 50-100 мкм (табл. 5) рекомендуются конструкции напорных гидроциклонов малых диаметров, выпускаемых Усолье-Сибирским заводом горного оборудования.

Длина выделения  из сточных вод мелкодисперсных  механических примесей и сгущения осадка - гидроциклоны опытно-экспериментального завода (табл. 2).

Таблица 2

Технические параметры  узлов и деталей

Наименование узлов и деталей,	Размеры основных узлов и деталей
технологические параметры	ГЦ-150К*	ГЦ-250К*	ГЦ-360К*	ГЦ-500К*
Внутренний диаметр цилиндрической части Dhc, мм	150	250	350	500
Сечение вкладыша питающего патрубка на входе в гидроциклон bxh мм	15х45	30х65	40х40	55х140
Диаметр патрубка питающего den, мм	50	80	100	150
Насадок сливной dвx, мм	40	65	90	130
Патрубок сливной dсx, мм	65	100	100	150
Патрубок шламовый dшл, мм	12; 17; 24	17; 24; 34	24; 44; 48	31; 48; 75
Угол конусности конической части  град	20	20	20	20
Масса гидроциклона, кг	94	209	344	605
Объемная производительность Qеn, м3/ч, при Pen = 0,03-0,25, МПа	12-35	30-85	55-160	98-281
Граничная крупность разделения , мкм	28-95	37-135	44-160	52-240