Проектирование, расчет, особенности эксплуатации систем защиты среды обитания

* ГЦ - сокращенное название гидроциклона; цифры - внутренний диаметр цилиндрической  части, мм; буква К - внутренняя  поверхность стенок аппарата  футерована каменным литьем.

Гидроциклоны  малых диаметров объединяются в  батареи и блоки (мультициклоны), что позволяет при обеспечении  требуемого эффекта очистки и  производительности добиться максимальной компактности установки.

Батарейные  гидроциклоны имеют единую систему  питания, а также системы сбора  верхнего и нижнего продуктов  разделения. Батарейный гидроциклон, состоящий из 12 аппаратов D_hc = 75 мм, имеющий производительность 60-70 м³/ч, изготавливает опытно-экспериментальный завод Ленниихиммаш. Материал - нержавеющая сталь [6].

Аппарат рекомендуется к применению в  технологических процессах очистки  производственных сточных вод литейных, стекольных и керамических производств  и т.д. Опытно-экспериментальный  завод Дзержинского филиала Ленниихиммаш изготавливает батарейные гидроциклоны, включающие шесть единичных гидроциклонов D_hc = 125 мм (d_en = 25 мм; d_вх = 35 мм; d_шл = 12 мм; = 10°). С целью сокращения расхода шлама и повышении надежности работы батареи, единичные гидроциклоны снабжаются автопульсирующими шламовыми патрубками.

Производительность  батарейного гидроциклона при давлении питания 0,4 МПа-120 м³/ч. Материал - нержавеющая сталь.

Центральным научно-исследовательским институтом крахмало-паточной промышленности (ЦНИИКПП) разработаны конструкции мультигидроциклонов  марки ГБ-2, ГБ-3, ГБ-6, ГБ-7, ГП-8, (табл. 2).

Единичные аппараты изготовляют из пластмасс. Основные геометрические размеры и  технологические параметры мультигидроциклонов приведены в табл. 2. Назначение аппаратов; разделение суспензии картофеле- и кукурузокрахмального производства. В технологии очистки сточных вод мультигидроциклонов ЦНИИКПП рекомендуется применять для механической очистки промышленных стоков, содержащих минеральные частицы размером = 200 мкм и плотностью = 2,7 г/см³.

 

 

 

 

 

 

Таблица 3

Технические параметры  узлов и деталей  мультигидроциклонов

Наименование узлов и деталей.	Тип мультигидроциклонов
Технические параметры	ГБ-2*	ГБ-3*	ГБ-6**	ГБ-7**	ГБ-8**
1	2	3	4	5	6
Единичный гидроциклон:
диаметр цилиндрической части Dhc, мм	20	20	20	20	20
размер питающего патрубка dcn, мм	2х5	2х5	2х5	2х5	2х5
диаметр сливного патрубка dвх, мм	6	6	6	6	6
диаметр шламового патрубки dшл, мм	3	3	3	3	3
Угол конической части  , град	10	10	10	10	10
Число гидроциклонов в выпускаемых, шт	29	48	16	24	48
Давление питания мультигидроциклонов Реn. МПа	0,4-0,5	0,4-0,5	0,4-0,5	0,4-0,5	0,4-0,5
Объемная производительность блока Qвn, м3/ч	15,0	25,0	8,0	15,0	25,0
Габариты блока мультигидроциклонов, мм:
высота	1017	1147	1243	1336	1410
ширина	475	475	374	440	477
длина	475	475	400	400	400
Масса блока мультигидроциклонов. кг	250	290	60	96	133

 

Рис. 7. Кинетика отстаивания сточных вод фасонно-формовочного цеха    (С_о = 300 мг/л; h = 200 мм)

 Для проектирования гидроциклонных установок должны быть заданы те же данные о характеристике сточных вод и механических загрязнений, что и при проектировании других методов механической очистки [4].

 По  кривой кинетики отстаивания  (рис. 7) по заданному эффекту очистки определяется охватывающая гидравлическая крупность U_о, мм/с:

U₀ = h/t, (1)

затем из точки на оси ординат, соответствующей  требуемому эффекту очистки, проводится касательная к кривой Э = f(t), из точки касания опускается перпендикулярна ось абсцисс и по найденному времени t_гр определяется граничная гидравлическая крупность U_гр задерживаемых частиц, мм/с [5];

U_гр = h/t_rц, (2)

по которой  по формуле Стокса рассчитывается граничный  диаметр задерживаемых при заданном эффекте частиц

. (3)

После определения  граничной крупности частиц, которые  требуется выделить по табл.5-7, подбирается  диаметр гидроциклона, в котором  эти частицы могут быть выделены, назначаются размеры его основных узлов d_вn, d_вх, d_шл, Н_ц Н_к (см. рис. 10) и назначается давление Р_вп,, под которым исходная вода будет подаваться на гидроциклоны. Затем исходя из заданных размеров гидроциклона рассчитывается граничная крупность разделения, мкм [5];

.  (4)

В случае если рассчитанная крупность  _гр будет больше крупности, которая соответствует требуемому эффекту очистки, определенной по формуле, то подбор гидроциклона необходимо повторить, изменяя его конструктивные размеры и давление на входе. На основании формулы в ГИСИ им. В.В. Куйбышева составлена номограмма, упрощающая определение _гр.

После уточнения  всех геометрических размеров гидроциклона определяется его производительность. Для гидроциклонов, работающих без  противодавления, расчет производительности следует производить по формуле  СНиП 2.04.03-85. Для получения более  точных расчетов рекомендуется следующая  формула л/с:

.  (5)

После определения  производительности одного аппарата, исходя из общего количества сточных  вод, определяют число рабочих гидроциклонов, назначают общее количество аппаратов  и приступают к проектированию гидроциклонной установки в соответствии со СНиП 2.04.03-85 [5].

Потери  воды с выделенным осадком, удаляемым  через шламовую насадку d_шл, л/с, определяются по уравнению

  (6)

Для примерного расчета потерь воды с выделяемым осадком следует принимать для  гидроциклонов диаметром меньше 100 мм - 0,07-0,08 Q_en, более 100 мм - 0,04-0,03 Q_en [6].

 

4.2. Материал изготовления

Важным аспектом в оценке потребительских  качеств гидроциклонов является материал, из которого они изготовлены. Это связано с абразивной устойчивостью  поверхностей таких аппаратов, контактирующих с водным потоком. Дело в том, что  в процессе работы гидроциклона за счет воздействия механических примесей и потока воды происходит износ поверхности [14].

Гидроциклоны изготавливают из металлов и пластических масс. Из пластиков  чаще всего используется литьевой полиэтилен низкого давления. В случае применения других полимерных материалов они также  должны обладать высокой прочностью и износостойкостью. Примером пластмассовых  гидроциклонов могут служить  аппараты марки ТВП. Эти гидроциклоны имеют внутренний диаметр от 25 до 100 мм, а их пропускная способность  составляет 1,3–18,2 м³/ч.  

Достаточно часто для изготовления гидроциклонов используют сплавы углеродистых и легированных сталей. В отличие  от пластиковых гидроциклонов, которые  обычно бывают цельнолитыми, металлические  аппараты имеют разборную конструкцию. Из металлических гидроциклонов, представленных на российском рынке, можно отметить аппараты марок ТВУ, ТВК, СВК и  ТВКК. В этот перечень попадают гидроциклоны с огромным разбросом по величине диаметра внутренней части аппарата (от 25 мм до1 м) и производительности (1–450 м ³/ч) [10].

Следует отметить, что в конструкции  гидроциклонов, предназначенных для  обработки водных сред, обладающих повышенным абразивным действием, предусмотрены  специальные вкладыши из резины. Кроме  того, их поверхность обрабатывается карбидом кремния. Внутренняя поверхность  этих гидроциклонов покрыта футеровкой из самосвязанного карбида кремния. Важно отметить, что срок службы гидроциклонов с футеровкой из карбида  кремния в 10–20 раз выше, чем у  аппаратов из хромоникелевых сплавов, каменного литья и резины [14].

 

5. Расчет многоярусного  гидроциклона с центральным выпуском

 

Требуется запроектировать установку с многоярусными гидроциклонами для очистки сточных вод цеха среднесортного проката. Расход сточных вод 1500 м³/ч. Расход воды практически постоянен в течение суток. Температура воды T_w в течение года изменяется в пределах 15-30 °С. Концентрация взвесей в исходной воде составляет 250 мг/л, масла 60 мг/л.

В очищенной воде содержание тяжелых примесей не должно превышать 60 мг/л, масел 25 мг/л. Поданным анализа кривых кинетик отстаивания сточных вод при температуре 20 °С в слое h = 200 мм, требуемая степень очистки обеспечивается при задержании частиц тяжелых примесей крупностью 0,3 мм/с и 0,5 мм/с - легче воды, поэтому за расчетную принимается 0,3 мм/с.

Принимаем многоярусный гидроциклон с центральными выпусками (см. приложение рис.8).

Расчет производится в следующем порядке[6]:

Задаем диаметром гидроциклона D_hc = 6 м.

По формулам (1),(2) рассчитываем удельную гидравлическую нагрузку, приходящуюся на один ярус гидроциклона:

,

(7)

где u₀ -  гидравлическая крупность частиц, которые необходимо выделить для обеспечения требуемого эффекта, мм/с;

K_hc – коэффициент пропорциональности, зависящий от типа гидроциклона и равный для гидроциклонов многоярусного с центральным выпуском:

,

(8)

 

 

Зная диаметр аппарата (D_hc = 6 м), определим расход воды, который может подаваться на один ярус:

 

q¢_hc = 0,785 ^. 6^{2 .} 0,75 = 21,2 м³/ч.

 

Определяем количество ярусов:

n_ti = 1500/21,2 = 70,8 71 шт.

 

Задав количеством ярусов в гидроциклоне n =15 шт., определяем количество рабочих аппаратов:

 

N = 71/15  5 шт.

Таблица 4

Назначаем основные размеры аппарата:

Диаметр аппарата	м	6
Количество впусков nl	шт.	3
Угол конической части	град	60
Угол конуса диафрагм	град	90
Диаметр центрального отверстия в  диафрагме  d1	м	0,6
Высота водосливной стенки над  диафрагмой Н2	м	0,5
Диаметр водосливной стенки, D2	м	6,2
Диаметр полупогруженной кольцевой  перегородки D3	м	6
Высота ярусов hti	м	0,1
Число ярусов nti	шт.	15
Зазор между корпусом и диафрагмой	м	0,07
Ширина шламоотводящей щели b	м	0,1

 

 

5.1  Устройство многоярусного  открытого гидроциклона

В многоярусном гидроциклоне (прил. 3.), состоящем из конической 1 и цилиндрической 9 частей, рабочий объем разделен коническими диафрагмами 10 на отдельные ярусы (зоны), работающие независимо одна от другой. В основе работы такого аппарата лежит принцип тонкослойного отстаивания. Исходная смесь поступает в аванкамеры 3 с распределительными лопатками 16 и равномерно распределяется между ярусами 12. Вода из аванкамер 3 выводится через три щели 11, расположенные по окружности циклона через 120° и равномерно по его высоте. Поступающая сточная вода движется по нисходящей спирали к центру. Частицы тяжелее воды оседают на нижних диафрагмах ярусов, сползают к центру и, попав под шламозадерживающие козырьки 13, через кольцевую щель 2 опускаются в коническую часть. Масло с примесями, выделившееся в ярусах, всплывает к верхним коническим диафрагмам 10, задерживается перегородкой 6 и попадает в водосборник, откуда маслосборными воронками 7 через трубы 4 удаляется из гидроциклона. Осветленная вода выводится через три тангенциальных выпуска 14. В центральной части циклона жидкость поднимается вверх, через водослив 5 переливается в лоток 8 и удаляется из циклона. Осадок из конической части 1 удаляется через разгрузочное отверстие 15 под действием гидростатического напора [7]. Многоярусный гидроциклон ( приложение 2) имеет следующи основны конструкционные узлы: 1 и 9 - коническая и цилиндрическая части; 2 - кольцевая щель; 3 - аванкамеры; 4 - труба; 5 - водослив; 6 - перегородки; 7 - маслосборные воронки; 8 - лоток; 10 - конические диафрагмы; 11 - щели; 12 - ярусы; 13 - шламозадерживающие козырьки; 14 - выпуски; 15 - разгрузочное отверстие; 16 - распределительная лопатка.

 

6. Условия эксплуатации, регенерации

Преимущества  гидроциклонов – высокая производительность, небольшие размеры, а также простота в эксплуатации, благодаря несложной  конструкции. К тому же, они энергонезависимы и имеют относительно небольшую  стоимость. Большинство гидроциклонов  не нуждается в расходных материалах. В процессе их работы не производится замена или регенерация фильтрационной среды, как в некоторых фильтрах. Техническое обслуживание гидроциклонов  не требует сложного оборудования. По свои техническим возможностям гидроциклоны могут конкурировать с другими  методами водоочистки и водоподготовки, имея перед некоторыми из них выгодные преимущества [3].

 

6.1. Проблема износоустойчивости

Одним из главных сдерживающих факторов внедрения схем гидроциклонирования является интенсивный абразивный износ аппарата. Материал для изготовления гидроциклона должен обеспечивать минимальный коэффициент трения между внутренними поверхностями и обрабатываемой суспензией при обеспечении высокой износоустойчивости, так как постепенное изменение геометрических размеров гидроциклона, вследствие износа, влечет изменение параметров классификации [15]. Для предотвращения износа применяются высокопрочные материалы, футеровка резиной, каменным литьем, что увеличивает стоимость изготовления. Наиболее эффективным методом защиты традиционно считалось каменное литье на основе базальта. Нужно отметить, что применение каменного литья осуществляется, как правило, только для гидроциклонов больших диаметров (от 360 мм и выше) [16]. Гидроциклоны меньших диаметров, ввиду дороговизны футеровки, а так же особенностей последующей обработки, изготавливают из отбеленного чугуна. Срок службы корпусов таких аппаратов в среднем составляет от полугода до трех лет, песковые насадки изнашиваются в течение трех–пятнадцати суток.

В 70-х  годах было освоено производство гидроциклонов из полиуретана. Полиуретаны представляют собой продукты, получаемые совместной ступенчатой полимеризацией полиизоцианатов (например, диизоцианатов) и полиэфиров. Характер этой полимеризации состоит в том, что каждый из компонентов в отдельности не способен полимеризоваться. Вместе же они полимеризуются с образованием высокомолекулярного продукта, состав которого равен составу обоих исходных компонентов. Использование в качестве исходных продуктов различных соединений позволяет получать полиуретаны, обладающие различными свойствами: от мягких эластичных до жестких хрупких [15].

Основное  достоинство полиуретанов –это высокая  стойкость к абразивному износу, а также высокая масло-бензостойкость, сопротивление ударным нагрузкам, воздействию агрессивных сред (растворителей, кислот, щелочей) [2]. Нужно отметить, что полиуретановые гидроциклоны достаточно широко используются в промышленном производстве [3].