Гидроциклонные установки. 
Коагуляция примесей воды

В водоснабжении серьезной проблемой является очистка природных вод от наносов, содержащих минеральную взвесь с плотностью больше плотности воды. Решение этой задачи может быть достигнуто с помощью специальных конструкций гидроциклонных установок, в которых за счет центробежного движения поступающей жидкости и высокой скорости движения воды внутри аппарата, более тяжелые частицы перемещаются на дно устройства, а отфильтрованная вода выходит через верхнюю крышку (рисунок).

Гидроциклоны просты по конструкции и в эксплуатации, дешевы в изготовлении, компактны, эффективны, обладают большой производительностью, надежны. Их действие основано на использовании поля центробежных сил, где выделение механических примесей из воды происходит под действием этих сил, превосходящих в сотни и тысячи раз силы тяжести, за счет чего увеличивается скорость отделения частиц. При этом значительно сокращается продолжительность процесса осветления воды и уменьшается объем центробежного аппарата по сравнению с объемом отстойника. Режим движения жидкости в поле центробежных сил — турбулентный. Передача вращения от периферии внутрь происходит диффузией и конвекцией под действием вращательного момента сил вязкости и перемещения самой завихренной жидкости.

В поле центробежных сил возникают два основных круговых потока: внешний, направленный к вершине образующегося конуса, и внутренний, направленный в противоположную сторону. При вращении внешнего потока часть жидкости удаляется через нижнее отверстие, а другая часть отделяется и, двигаясь радиально, вливается во внутренний поток, к нему добавляется основное количество жидкости у вершины конуса, которое, изменяя направление, отводится через верхнее отводное отверстие в диафрагме аппарата.

В гидроциклоне, кроме внешнего и внутреннего вращающихся потоков жидкости, образуется третий — воздушный поток (воздушный столб) по оси аппарата. Потоки жидкости направлены по логарифмической спирали. Внешний поток ограничен стенкой аппарата н поверхностью внутреннего потока, который, в свою очередь, ограничен с внутренней стороны воздушным столбом.

Осветление воды в поле центробежных сил основано на переносе взвешенных частиц к периферии центробежной силой, равной разности значений центробежной силы для твердой и жидкой фаз. Эта сила Р, возникающая при тангенциальном впуске воды в аппарат под некоторым давлением, равна.

где d — эквивалентный диаметр взвешенных частиц, см;

ст и сж — плотность твердой и жидкой фазы в осветляемой воде, г/см3;

v — скорость движения воды на входе в аппарат, см/с;

r — расстояние от центра аппарата до оси тангенциального питающего патрубка, см.

При больших значениях V и малых радиусах ® сила, действующая на взвешенную частицу во вращающемся потоке жидкости, будет во много раз больше силы тяжести и скорость движения взвешенных частиц будет значительно больше скорости свободного их осаждения. В результате в поле центробежных сил выделение взвешенных частиц из воды происходит значительно быстрее, чем в отстойниках.

Гидроциклон представляет собой цилиндрический корпус с вытянутым коническим днищем (рисунок): вода подается в корпус 1 через тангенциально расположенный патрубок 3. При вращении воды частицы взвеси отгоняются к цилиндрической стенке корпуса 1 и сползают по ней в конусное днище, из которого удаляются через выпуск 4. Осветленная вода отводится из центра корпуса 1 через патрубок 5.

Производительность гидроциклона может быть определена по формуле:

где Q — количество осветляемой воды, м3/ч;

— коэффициент, учитывающий потери воды в осадке и равный 0,85…0,90;

— коэффициент расхода гидроциклона;

— площадь сечения подающего патрубка, м2;

— потери напора в гидроциклоне, м.

Рисунок 21 Гидроциклон.

1 — корпус; 2 — коническое днище; 3-тангенциально расположенный подающий патрубок; 4 — выпускной патрубок; 5 — отводящий патрубок.

Эффективность работы гидроциклона возрастает с увеличением скорости вращения воды (и, следовательно, расхода воды). Причем эта скорость (при заданной производительности) будет тем больше, чем меньше диаметр гидроциклона. При этом одновременно будут возрастать ДН и расход энергии на подачу воды.

Рисунок 22 Принцип работы гидроциклона.

Для удаления тонкодисперсной взвеси оказывается рациональным применение гидроциклонов весьма малых диаметров (порядка 10 — 20 мм). Для возможности осветления заданных количеств воды при этом приходится использовать значительное число параллельно включенных гидроциклонов.

Рисунок 23 Мультициклон (б) I — сменная насадка-сгуститель; 3, 6 — входной и выходной патрубки; 4 — камера сбора осветленной воды; 7 — шламовая камера; 8 — гидроциклоны диаметром 15 мм; 9, 11 — нижняя и верхняя разделительные плиты; 10 — распределительная камера; 12 — цилиндрический корпус аппарата.

Применение гидроциклонов позволяет сократить затраты на строительство вследствие их неизбежной стоимости и эксплуатацию сооружений для осветления воды. Недостатками гидроциклонов являются: быстрый износ, особенно при обработке вод, содержащих крупные минеральные примеси; колебания эффекта осветления в зависимости от состава и содержания взвешенных веществ в исходной воде; не всегда наиболее полное выделение частиц заданного размера, поскольку гидроциклон действует как пропорциональный разделитель.

Рисунок 24 Гидроциклон.

I — сменная насадка-сгуститель; 2 — разъемная конусная часть; 3, 6 — входной и выходной патрубки; 4 — камера сбора осветленной воды; 5 — сливной патрубок с диафрагмой.