Совершенствование конструкции гидроциклонов для очистки сточных вод

Совершенствование конструкции гидроциклонов для очистки сточных вод

В статье дан анализ существующим конструкциям гидроциклонных насосных установок, установлены их преимущество и недостатки. Разработаны новые конструкции гидроциклонов, которые повышают эффективность и интенсивность процессов очистки промышленных сточных вод от взвешенных веществ и жиропродуктов.

В практике очистки сточных вод с применением напорных гидроциклонов для отделения примесей, вынесенных в верхний слив аппарата с осветленной водой, применяются сетчатые установки (барабанные, центробежные, дуговые, комбинированные), успешно используемые при очистке различных суспензий, с различными методами регенерации фильтрующего полотна, работающие в напорном и безнапорном режимах. Однако анализ существующей литературы по данному вопросу показал, что включение в технологические линии с гидроциклонами дополнительных сооружений существенно усложняет их эксплуатацию, а в ряде случаев приводит к полной замене технологии очистки. Поэтому, для снижения отрицательного эффекта выноса загрязнений циклоном, актуальное значение имеет объединение двух процессов центробежного разделения и фильтрования в одном компактном узле [1].

В известных конструкциях гидроциклонов с интенсификацией процесса разделения работа фильтрующих элементов предусмотрена в напорном режиме, что при значительных скоростях выхода жидкости из сливного патрубка гидроциклона приводит к ряду существенных недостатков, в целях избежание которых работа фильтрующего элемента наиболее предпочтительна в безнапорном режиме. Кроме этого, учитывая эксплуатацию фильтрующего элемента в условиях нестационарного процесса со случайным характером загрязнения рабочей поверхности, зависящей от концентрации твердого вещества в сливе гидроциклона, необходимо повысить надежность работы аппарата путем предотвращения засорения фильтрующего элемента, обеспечив надежную регенерацию фильтрующей поверхности, беспрепятственный отвод уловленных загрязнений, а также простоту эксплуатации.

Реализация этих положительных предпосылок в конструктивное решение позволила разработать новые конструкции гидроциклонов для очистки сточных вод, снабженных камерой дополнительной очистки слива: (А.С. № 887 000; А.С. № 47 830 и А.С. № 1 018 718 [2]) на основе стандартных цилиндроконических гидроциклонов, применительно к механико-физическим особенностям скопа (совокупности частиц загрязнений, вынесенных в слив гидроциклона и задержанных фильтрующим элементом).

Безнапорный режим работы фильтрующего элемента в этих аппаратах достигается тем, что камера дополнительной очистки слива снабжается направляющим усеченным конусом, большее основание которого является крышкой этой камеры, а удлиненный сливной патрубок гидроциклона вставлен соосно-меньшему основанию во внутреннюю полость, где происходит гашение энергии потока и излив осветленной в гидроциклоне от оседающих примесей сточной воды через меньшее основание направляющего конуса на фильтрующий элемент.

Проблемами очистки сточных вод от нефтепродуктов в последние годы активно занимаются ученые России и Казахстана. Изобретение (RU № 2 205 260) [3] включает соединенный с нефтеприемной воронкой (3) цилиндрический вакуумный гидроциклон 1 (рис.1).

конструкция гидроциклонный насосный установка.

Рисунок 1 Устройство для сбора нефтепродуктов.

По центральной оси гидроциклона коаксиально установлены сливной патрубок 5 патрубок легкой фазы 4 и патрубок тяжелой фазы жидкости 6, Сливной патрубок и патрубок легкой фазы жидкости могут иметь насадки 7. При работе устройства нефтепродукты из воронки 3 засасываются в гидроциклон. Из-за тангенциального подвода жидкости 2, в гидроциклоне она принимает вращательное движение и под действием центробежных сил происходит сепарация жидкости по плотности. Более тяжелая фаза жидкости отжимается на периферию гидроциклона и выводится через патрубок 6, тяжелой фазы жидкости. По центральной оси гидроциклона будет вращаться более легкая фаза нефтепродуктов, и удаляться из гидроциклона через патрубок легкой фазы жидкости 4,5. Устройство обеспечивает интенсивный отбор нефтепродуктов с поверхности воды и эффективную сепарацию жидкости по плотности.

Изобретение А. И. Гайдукова, И. Ю. Довнар (RU № 2 233 706) [4] предназначено для очистки сточных вод от механических примесей и нефтепродуктов (рис.2).

Аппарат может быть использован на углеобогатительных предприятиях и других отраслях промышленности. Он содержит цилиндроконический гидроциклон 1 для разделения исходного материала с расположенной в его нижней части шламовой емкостью 8 и осевым калибровочным стержнем 9 и сообщенный с ней через переходный патрубок 3 своей цилиндрической частью 12 цилиндроконического гидроциклона 14.

Гидроциклон для разделения исходного материала снабжен кольцевыми выступами 10,11 установленными на внутренней поверхности его нижней конической части.

Рисунок 2 Устройство для очистки сточных вод от механических примесей.

Учеными Таразского государственного университета им. М. Х. Дулати (А.А.Абдураманов, А. А. Джумабеков, Е. М. Жангужинов и др.) за последние годы получено более 20 предпатентов и инновационных патентов РК на гидроциклонные нефтеловушки. Так, гидроциклонная нефтеловушка предварительный патент № 18 257 КZ [5] может быть использована для очистки промышленных сточных вод от взвешенных веществ и нефтепродуктов (рис.3).

Гидроциклонная нефтеловушка включает в себя гидроциклон с входным, шламовым и сливным патрубками и минигидроциклон. Входной патрубок минигидроциклона выполнен в виде приосевой перфорированной трубы гидроциклона, расположенной внутри сливного патрубка коаксиально. Гидроциклонная нефтеловушка проста по конструкции и позволяет повысить разделяющую способность аппарата на четыре продукции, что дает возможность ее широкого применения.

Обзор и анализ результатов современных исследований промышленного применения напорных гидроциклонов показал следующее: проведенные отдельными авторами исследования способствовали широкому внедрению напорных гидроциклонов в технологические процессы отдельных отраслей промышленности, в практику подготовки технической и питьевой воды, а также очистки сточных вод; практические успехи в использовании гидроциклонов опережают теоретические представления об их гидродинамике. Дальнейшее развитие теории разделительных процессов, повышение точности расчета этих аппаратов связано с получением более точной гидродинамической картины в области очистки сточных вод гидроциклоны наиболее эффективны при отделении структурных, агрегатоустойчивых оседающих примесей. Обработка сточных вод, загрязненных примесями различной плотности (и оседающими и плавающими), приводит к выносу загрязнений с осветленной водой (до 50 и более процентов, главным образом плавающих), что обусловлено несовершенством применяемых для этих целей стандартных цилиндроконических гидроциклонов, следовательно, применяемые для снижения выноса они не всегда эффективны. Для отделения плавающих примесей необходимы дополнительные сооружения, что существенно усложняет эксплуатацию технологических линий, а в ряде случаев приводит к полной замене технологии очистки сточных вод. Вопросы очистки в напорных гидроциклонах сточных вод, загрязненных структурными агрегатоустойчивыми примесями различной плотности (оседающими с плавающими с т 1), остаются не решенными.

Отдельные технические решения, основанные на использовании напорных гидроциконов, с целью предотвращения выноса различных фильтрующих элементов, имеют существенные недостатки: фильтрующий элемент работает в режиме напорного фильтрования, что при значительных скоростях в выходном канале гидроциклона приводит к интенсивному забиванию ячеек, а в отдельных случаях и к изменению живого сечения сливного патрубка, что отрицательно влияет на гидродинамический режим работы аппарата; затруднен значительное изменение доступ к фильтрующему элементу, осуществлению его регенерации и отвода уловленных загрязнений; трудоемка сборка и разборка аппаратов в случае засорения фильтрующих элементов.

Казахстан приступил к выполнению стратегии вхождения в число 50 наиболее конкурентоспособных стран мира. Приоритетные направления развития экономики для реализации стратегии изложены и Посланиях Президента РК народу Казахстана. Для их решения необходимо использовать весь накопленный мировым сообществом опыт, который показывает, что одним из главных рычагов повышения конкурентоспобности можно считать внедрение в различные отрасли народного хозяйства инновационных технологий. Среди таких технологий и технических средств следует особо выделить наиболее универсальные способы и установки, применяемые во многих приоритетных областях развивающейся индустрии в горно-обогатительной, энергетической, нефтедобывающей, атомной промышленности, в гидротехнике и сельском хозяйстве. К таким техническим средствам, объединяющим множество технологических процессов (подъем гидросмеси, классификация твердых частиц, сгущение осадка, транспорт пульпы в одном компактном узле) относятся гидроциклонные насосные установки, оснащенные струйными аппаратами.

Известно, что в конце шестидесятых годов прошлого века в Республике Казахстан впервые был разработан гидроциклонный способ улавливания наносов на всасывающей линии насоса, который оказался весьма перспективным направлением в гидротехнике и мелиорации, водоснабжении и канализации, коммунальном хозяйстве и насосостроении. Позднее аналогичные разработки выполнялись в Японии, Болгарии, США, и Азербайджане. В настоящее время это направление развивается в России [6].

Основой всех этих разработок послужила идея придания всасываемому насосом потоку закрученный характер. Использование центробежного эффекта вытеснения твердых частиц (взвесей) от жидкости во вращающемся потоке, созданном в цилиндрических (конических) либо цилиндроконических всасывающих трубах (гидроциклонной камере) насосов, позволяет успешно осуществить разделение двухкомпонентной среды по составляющим.

Долгое время эффективность такого разделения двухкомпонентных гидросмесей на составляющие компоненты оставалась сомнительной, ибо любое местное сопротивление, расположенное на всасывающей линии насоса увеличивает потери удельной энергии, тем самым уменьшает кавитационный запас насоса. Считалось, что надежность работы гидроциклонных насосных установок невысокая. Однако, как показала практика, кавитационные явления возникают, когда глубина вакуума на всасывающей линии центробежного насоса превышает 7−8 метров водяного столба. Следовательно, ниже этого предела насосная установка может работать нормально. Потери удельной энергии (напора) в гидроциклонах с диаметром цилиндрической части менее 0,5 м обычно составляют 2−3 м. вод. ст. Это означает, что гидроциклонная насосная установка вполне удовлетворительно может работать при заборе воды из источника, находящегося на глубине 4- 5 метров. Этой глубины достаточно для успешного решения многих производственных задач.

Надежность работы гидроциклонных насосных установок автоматически обеспечивается в тех случаях, когда гидроциклонная камера, расположенная непосредственно в источнике затоплена.

В перечисленных выше случаях режим работы гидроциклона протекает — в напорном (рис. 4, а, б), вакуумном (рис. 4, в) и напорно-вакуумном условиях (рис. 4,г).

Рисунок 4 Различные схемы компоновки гидроциклона: 1- источник, 2- насос, 3- гидроциклон, 4-гидроэлеватор.

До сих пор, в опубликованных трудах, движение потоков в гидроциклоне считалось установившимся, если пренебречь кратковременными периодами пуска и остановки насосной установки. А вот работа гидроциклона в качестве оголовка гидравлического тарана пролила свет на необходимость исследований неустановившегося движения двухкомпонентной закрученной жидкости.

Естественно, теоретическое и экспериментальное изучение неустановившегося движения трехмерных (закрученных) потоков в гидроциклоне и других гидротехнических устройствах, представляет новое перспективное направление в науке и технике. Весьма важным и перспективным направлением может служить разделение на всасывающей линии насоса гидросмеси «жидкость + жидкость» и трехкомпонентной среды «твердая фаза + тяжелая жидкая компонента + легкая жидкая компонента» (песок + вода + нефть) на составляющие элементы.

Гидроциклонная камера, снабженная вдоль продольной оси цилиндрической трубкой с перфорацией или винтообразной щелью, позволяет успешно осуществить процессы классификации на отдельные продукты, причем их можно реализовать, как в напорном, так и в напорно-вакуумном и в вакуумном условиях.

Гидроциклонные насосные установки, работающие в пределах допустимой вакуумметрической высоты всасывания высокоэффективны в производстве и находят широкое применение.

В связи с необходимостью повышения эффективности и интенсификации процессов очистки воды, сгущения и транспортировки пульпы (наносов) представляют особый интерес установки (агрегаты) в которых гидроциклоны, гидроструйные аппараты используются совместно с лопастными насосами.

Подобные установки позволяют существенно расширить функциональные возможности серийно выпускаемого насосного оборудования. На основе совместного применения гидроциклонов, лопастных и гидроструйных насосов можно существенно увеличить напор или подачу, а также допустимую вакуумметрическую высоту всасывания лопастных насосов, перекачивать гидросмеси и газы, создавать вакуум, смешение жидких, твердых и газообразных сред, улавливать наносы, сгущать пульпу, очищать (осветлить) жидкую фазу от твердых взвесей в движении и многие другие операции по транспортировке гидросмеси.

С другой стороны, создание указанных установок позволяет достичь больших значений КПД по сравнению с КПД отдельно расположенного гидроциклона или струйного насоса. Повышение КПД достигается за счет того, что большую часть полезной работы в комплексной установке совершает лопастной насос, а гидроциклон и струйный аппарат выполняют лишь те технологические функции, которые не может выполнять лопастной насос (разделение гидросмеси по фазам, отвод пульпы в сторону, перекачка газа, подавление кавитациа и.т.п.).

Многие недостатки, присущие отдельно установленным гидроциклонам, лопастным насосам или струйным аппаратам могут быть устранены при создании и использовании установок, в которых гидроциклонный центробежный насос и струйный аппарат взаимно дополняют друг друга.

Гидроциклонно-струйные насосные установки (ГЦСНУ) обладают комплексом показателей, которыми не обладает в отдельности ни насос, ни гидроциклон или струйный аппарат. В частности, на основе совместного применения гидроциклона, центробежного насоса и гидроструйного аппарата могут быть созданы установки, позволяющие добиться следующих преимуществ: произвести борьбу с наносами в напорных и вакуумных трубопроводах; осуществить сгущение осадка (пульпы) в напорных, вакуумных и напорно-вакуумных условиях; поднимать двухфазную жидкость из глубоких скважин с одновременным улавливанием, сгущением и отводом осадка на линии всасывания; улавливать наносы в стационарных, передвижных, плавучих и работающих в движении, установках; увеличить срок службы погружных, насосов путем предотвращения попадания твердых частиц в их приемную камеру; очистить шахтные колодцы с одновременным осуществлением подъема и сгущения пульпы; осуществить комплексность и многофункциональность установок (возможность использования в качестве водозабора, форсунки, сгустителя, осветлителя и.т. д.); увеличивать глубину, с которой можно поднимать двухфазную жидкость центробежными насосами, расположенными выше источника; изменять в широком диапазоне рабочие характеристики центробежных насосов, гидроциклонов и гидроструйных аппаратов; реализовать компактность, возможность использования ГЦСНУ, расположенной в ограниченном пространстве произвольным образом; использовать сочетания ГЦСНУ с фильтроотстойниками и флотаторами; разделять двухкомпонентные и трехкомпонентные гидросмеси (твердые примеси+жир или нефть+вода) по составляющим.

Выводы

• 1. Напорные гидроциклоны впервые были использованы при очистке сточных вод прокатных и доменных производств, водной суспензии минеральной пыли, транспортно-моечных вод сахарных заводов, а также на вспомогательных процессах очистки сточных вод. Однако они требовали совершенствования конструкции гидроциклонов.
• 2. Наиболее совершенными конструкциями являются гидроциклоны, работающие в напорно-вакуумном и вакуумном режимах, которые повышают эффективность и интенсивность процессов очистки воды, сгущения и транспортировка пульпы (насосов). Здесь гидроциклоны и гидроструйные аппараты используются совместно с лопастным насосами, что позволяет существенно расширить функциональные возможности серийно выпускаемого насосного оборудования.

• 1. Куликов В. Е. Разработка, обоснование и исследование систем очистки дизельного топлива в сельском хозяйстве с применением гидроциклонов.: Автореф. Дис.канд.техн.наук. Челябинск, 1999, 24 с.
• 2. А.С. 1 018 718 (СССР), Гидроциклон для очистки сточных вод Е. М. Жангужинов, Б.Н.№ 19, 1983.
• 3. Довнар И. Ю. Патент РФ № 2 205 260 от 15.08. 2006.
• 4. Гайдуков В. И., Довнар И. Ю. Патент РФ№ 2 233 706 от 08.2004.
• 5. Инновационный патент № 20 782 КZ по заявке 2007/1391.1 от 11.2007. Гидроциклонная нефтеловушка //Абдуова А., Джумабеков А., Абдураманов А. и др. Бюл. № 2, от 16.02.2009.
• 6. Скирдов И. В., Пономарев В. Г. Очистка сточка вод в гидроциклонах. М., 1975, 176 с.