Очистка сточных вод в гидроциклонах

Для того чтобы дисперсные примеси интенсивно выделялись из сточных вод, содержащих нефтепродукты применяют технологию гидроциклонов. Ее принцип – разделение в центробежном поле эмульсий и суспензий. Процедура выполняется в гидроциклонах, где формируются потоки жидкости посредством входного патрубка тангенциально расположенного, где движение создается вращающийся потоки.

Гидроциклоны эффективны при сгущении высококонцентрированных суспензий. В технологическом процессе очистки сточных вод их преимущественно используют для выделения осадка. Гидроциклоны выпускаются двух видов: напорные, у которых на сливе формируется давление, выше атмосферного, и безнапорные, функционирующие в условиях обычного давления атмосферы. На схеме ниже представлен принцип работы гидроциклона.

Схема работы гидроциклона

А-движение потоков; б-схема скоростей частиц.

1-Шламовое отверстие; 2-коническая часть; 3-цилиндрическая часть; 4–сливное отверстие; 5-выходное отверстие; 6-исходящий вращающейся поток; 7-восходящий внутренний поток; 8- воздушный столб; 9-конус поворота; 10-дополнительный сливной патрубок.

Из тангенциально расположенного патрубка вода поступает в цилиндрическую емкость гидроциклона, образуя вихревой поток. Он перемещается в коническую часть оборудования. Незначительный объем жидкости уходит из гидроциклона со шламом через отверстие вверху конуса. Большая часть воды критично разворачивается вверх и создает восходящий поток. Он удаляется из аппарата через сливной патрубок. Если скорости вращения велики, из среды выделяется воздух, формирует внутри потока столб. Размеры воздушного формирования зависят от диаметров сливного и шламового отверстия, скорость движения.

Кроме восходящего и нисходящего потока в оборудовании происходит турбулентное перемешивание и локальные циркуляции. Все процессы вкупе оказывают влияние на разделение дисперсных систем в гидродинамическом процессе. Но принципиально процедура осуществляется по простому принципу. Отдельные частицы примеси в аппарате находятся под воздействием трех сил: тяжести, центробежной, гидродинамического взаимодействия.

Центробежная сила определяется по формуле:

P = v² (m_ч – m_ж) / r, где

• P – величина центробежной силы;
• v – скорость вращения частиц в потоке;
• r – радиус движения вращения;
• m_ч – масса частиц;
• m_ж– масса воды в частице.

Если плотность частицы выше плотности воды, центробежная сила будет двигать ее от центра вращения, если – меньше – к центру. Это положение доказывается по четырем положениям:

m_ч = (πd³/6)p_ч;

m_ж = (πd³/6)p_ж;

v = 2πrn;

P = (2/3)π³d³n²r (p_ч – p_ж), где

• d – диаметр частиц;
• n – частота вращения частиц;
• p_ч – плотность частицы;
• p_ж – плотность жидкости.

Сила сопротивление жидкости оказывает препятствие радиальному движению частиц. Для разных режимов она рассчитывается отдельными уравнениями:

Для турбулентного – по закону Ньютона:

R = 55 х 10-3πd²u²p_ж;

Для ламинарного – по закону Стокса:

R = 3 πμdu

В переходной зоне – с учетом уравнения Аллена:

R = 2,3 π d^1,4u^1,4μ^0,6 p_ж^0,4, где

• u – скорость движения частицы относительно жидкости;
• μ – динамический коэффициент вязкости;

Для областей R = 0,4 ÷ 2 и R = 5 х 10² ÷ 10³ рекомендаций по коэффициенту сопротивления нет.

В гидроциклонах напорного типа сила тяжести критично меньше центробежной, поэтому ее не учитывают в расчетах. В открытых аппаратах на медленных скоростях она оказывает существенное воздействие, ее необходимо принимать во внимание. Если сила сопротивления и центробежная равны, то скорость относительного движения частиц устанавливается по таким формулам. Они отличаются для разных режимов.

Для ламинарного режима:

u = 1/3 х π2d2n2r (p_ч – p_ж) / μ.

Для турбулентного режима:

u = 3,5 √πdnr (p_ч – p_ж) / p_ч.

Соотношение скоростей выражает поведение частиц примесей в жидкости. Они могут быть отброшены к стенкам аппарата или вдавлены во внутренний поток, который вытолкнет их к сливному патрубку. Те частицы, которые находятся у основания конуса, силы будут минимальные, у тех, которые находятся на вершине – будут благоприятные условия. Ближе к патрубку центробежные силы снижаются, что увеличивает маршрут примесей к воздушному столбу. Во внутреннем вихре примеси концентрируются в центре, откуда удаляются через дополнительное сливное отверстие внутри водяного патрубка. Такую конструкцию имеют 3-продуктовые гидроциклоны. Размеры улавливаемых нефтечастиц можно установить через геометрические и гидродинамические параметры аппарата.

Практического опыта использования гидроциклонов пока мало, но из вышесказанного следует, что они смогут заменять не только песколовки, но и нефтеловушки. Это доказывает применение аппаратов в металлургии, где их используют для очистки воды от масел и окалины. ООО «Эководстройтех» представил данные по 3-продуктовым гидроциклонам. Аппарат с диаметром 75 мм удерживает до 70% окалины, до 50% - масел. Соответственно: до 160 мг/ литр, до 15 мг/литр. По информации, представленной Уральским политехом, на в гидроциклонах того же типа с диаметром 250 мм и 350 мм было снижено содержание масла до 90 мг/литр.

Безнапорные гидроциклоны открытого типа имеют преимущества перед напорными аппаратами. Они разрешают очищать воды от нефтепродуктов с большей эффективностью. На рисунке ниже представлен открытый или безнапорный гидроциклон.

Устройство открытых гидроциклонов

А- простой конструкции; б-с диафрагмой и цилиндрической перегородкой.

1-шламовый патрубок; 2-конческая часть; 3-цилиндрическая часть; 4-входное отверстие; 5-полупогружная кольцевая перегородка; 6-отводящий лоток; 7-коническая диафрагма; 8 цилиндрическая перегородка.

В открытых аппаратах создается большая угловая скорость к центру, что обуславливает концентрирование частиц в центре гидроциклона. Очищенная жидкость выводится вне тонким потоком, от всплывших нефтепродуктов она отделена погружной перегородкой. Его недостатком является наличие периферийной зоны. Устранить этот минус можно с помощью использования диафрагмы конического типа и перевод в режим гидроциклона-флотатора. Тогда воды до 30% насыщаются воздухом при избыточном давлении. Увеличиваются параметры очистки: по нефтепродуктам до 95%, по взвесям – до 60%.

Размеры открытых аппаратов устанавливаются гидродинамической нагрузкой. Рекомендуется использовать гидроциклоны с производительностью до 200м³/час, если нужны более высокие показатели специалисты компании ООО «Эководстройтех» предлагают устанавливать многоярусные конструкции.