Труба; 3 – шламоотводящая труба; 4 – периферийный кольцевой водослив

Эффективность разделения суспензий в поле центробежных сил характеризуется фактором разделения, который определен как отношение центробежного ускорения к ускорению силы тяжести:

Ф_р=²_лR · g ,

где R – радиус вращения, принимают равным радиусу сооружения; _л – линейная скорость вращения массы воды.

Величина фактора разделения открытых гидроциклонов небольшая, поэтому необходимо учитывать действие сил гравитации. Производительность открытых гидроциклонов зависит от их геометрических размеров и может быть весьма значительной (сотни м³/ч).

В радиальном направлении выделяемая частица перемещается со скоростью V_r = _чd²²  ,

где  – угловая скорость потока.

Под действием потока и собственной массы эта частица движется вниз с постоянной скоростью

V_ = Qr²_к-r²_в)+(_ч-gd²8 .

На глубину h_в частица опускается за время t_в. За то же время она переместится с траектории радиуса r_в на траекторию радиуса r_к под действием центробежной силы:

Р_r = mr² .

При движении частица испытывает сопротивление (закон Стокса)

Р_r = d ·  · V_r .

Одним из основных технологических параметров гидроциклонов является гидравлическая нагрузка. Увеличение ее при неизменном сечении выпускного патрубка приводит к увеличению центробежных сил, что в определенных пределах способствует повышению эффекта очистки.

Удельная гидравлическая нагрузка м³м²ч) на гидроциклоны определяется уравнением

q = 3,6 k И₀ ,

где k – коэффициент, величина которого зависит от конструкции гидроциклона (0,5 - 1); И₀ – гидравлическая крупность частиц, для задержания которых предназначен гидроциклон.

Производительность одного аппарата Q (м³ч) зависит от его геометрических размеров:

Q = qd²  0,785 qD².

Удельную гидравлическую нагрузку на гидроциклоны простейшей конструкции можно найти по эмпирической формуле

q = 4,32 И₀ .

При проектировании таких аппаратов рекомендуется принимать геометрические размеры:

диаметр цилиндрической части D = 2-10 м;

высота цилиндрической части Н_ц= D;

диаметр впускного патрубка d_вх =0,1 D;

угол конической части _к=60⁰.

2.3.2. Напорные гидроциклоны

В напорном гидроциклоне (рис. 2.4) струя обрабатываемой жидкости поступает через тангенциально направленный патрубок в цилиндрическую часть и получает вращательное движение. Двигаясь далее по винтовой спирали вдоль наружной стенки аппарата, она направляется в его коническую часть. Здесь основной поток изменяет направление движения и перемещается к центральной части аппарата. Выделяющийся в пристенной зоне осадок и наиболее насыщенная взвешенными веществами часть воды удаляются из аппарата через насадку для шлама. Поток осветленной воды в центральной зоне движется по цилиндрической спирали вверх к сливному патрубку. Вращательное движение жидкости в гидроциклоне обусловлено энергией входящего потока и зависит от вязкости.

Рис. 2.4. Напорный гидроциклон

Следует отметить, что конструктивные несовершенства таких аппаратов приводят к большим потерям напора. Производительность напорных гидроциклонов определяют по формуле

Q = ₁Dd_п2gH,

где ₁ – безразмерный коэффициент (принимается равным 0,524); D – диаметр гидроциклона; d_п – диаметр питающего патрубка; Н – потери напора в питающем патрубке.

Достаточно точные для практики результаты дает расчет по приближенной формуле Честона (лмин)

Q=23,6F,

где F – площадь сечения питающего патрубка.

Гидравлическая крупность частиц, которые могут быть выделены в таком циклоне, определяется эмпирической зависимостью

И₀=15,33 k_t D³dQ

и соответствующими номограммами (рис. 2.5).

Наиболее точные результаты расчетов получаются при проектировании таких аппаратов для обработки сточных вод, содержащих грубодисперсные примеси.

Рис. 2.5. Сводный график расчета гидроциклонов при осветлении сточных вод:

1 – от мелко- и среднесортных прокатных станов;

2 – крупносортных прокатных ста­нов;

3 – листопрокатных станов

По этим номограммам определяются гидравлические и геометрические параметры гидроциклонов.

Исходными данными при расчете являются требуемый эффект осветления и диаметр аппарата или напор воды в входном патрубке. Расчет ведется в последовательности (см. рис. 2.5):

• по кривым сектора I (характеристики седиментальных свойств взвешенных веществ) определяется гидравлическая крупность взвешенных частиц, которые необходимо удалить в соответствии с требуемым эффектом осветления;

• кривым сектора II (характеристики сепарирующей способности гидроциклонов) – необходимый напор перед гидроциклоном выбранного типа;

• кривым сектора III (расходные характеристики аппаратов) – производительность одного выбранного аппарата;

• кривым сектора IV (потери воды с пульпой в процентах от общего количества поступающей в аппарат воды) – потери воды с удаляемым шламом.

Оптимальные соотношения элементов напорного гидроциклона и параметры его работы приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Оптимальные соотношения элементов напорного гидроциклона

и параметры его работы при осветлении воды и уплотнении шлама

Диаметр цилиндрической части циклона D, мм	Соотношение элементов					Напор перед циклоном, м	Производите-льность 1-го аппарата, м^3/ч	Минимальная гидравлическая крупность частиц, задерживаемых в циклоне, мм			Концентрация взвешенных веществ, г/л
	dв /D	d0/D		dп /D	dц /D			γ = 2,5÷3,5 г/см^3 ^яС0=2000 ÷40000 мг/л		γ =1,8 г/см^3^C0 =300 мг/л	до уплотнения	после уплотнения
При осветлении воды
50	0,28		0,4	0,12	1	10-15	3-4	1-1,7		0,2-0,25	-	-
75	0,24		0,27	0,12	1	15-20	5-7	1,3-2,1		0,3-0,4	-	-
250	0,2		0,23	0,1	0,7	15-25	16-53	2,7-3,7		0,2-0,5	-	-
350	0,16		0,22	0,07	0,68	20-30	75-85	3,6-4,6		0,8-1,1	-	-
500	0,13		0,22	0,05	0,5	30	85-90	1,8		1,8	-	-
При уплотнении шлама с γ = 2,5 ÷3,5 г/см^3
50	0,28		0,4	0,12	1	20	5	-	-		48	2,7
150	0,21		0,28	0,07	0,8	15	20	-	-		565	38,7
250	0,21		0,21	0,07	0,6	15	47	-	-		735	48
500	0,1		0,19	0,04	0,5	17	78	-	-		2225	470

2.4. Центрифугирование

Для разделения неоднородных систем, состоящих из двух или более фаз (суспензий, эмульсий, аэрозолей), применяют метод центрифугирования, при котором разделение системы происходит под действием центробежных сил.

В практике центрифугирования применяют два принципиально различных способа разделения неоднородных систем – фильтрование и центробежное осаждение.

Для выделения из сточных вод тонко- и среднедисперсных примесей применяют центрифуги с фактором разделения более 2500 при отношении длины ротора к его диаметру LD2,2.

Фильтрующие центрифуги служат в основном для разделения грубодисперсных систем с кристаллической или аморфной твердой фазой. Центрифуги отстойные и осветляющие используют для разделения трудно фильтрующихся тонко-, средне- и грубодисперсных суспензий, а также классификации суспензий по крупности и плотности твердых частиц. Для разделения эмульсий применяют сепарирующие аппараты, а также комбинированные центрифуги, сочетающие два принципа разделения: осаждение с последующей фильтрацией или наоборот. Наиболее перспективными с точки зрения применимости являются центрифуги с фильтрацией и последующим осаждением в поле центробежных сил. Конструкции некоторых видов центрифуг представлены на рис. 2.6.

а б

Рис. 2.6. Подвесная центрифуга: а – с вертикально расположенным ротором;

б – горизонтально расположенным ротором

Мощность силового поля в центрифугах превышает силу тяжести в сотни, даже сотни тысяч раз, что позволяет получить любую степень полноты разделения. Напряженность развиваемого силового поля (или фактор разделения) зависит от скорости вращения ротора и расстояния от оси его вращения до уровня обрабатываемой неоднородной системы.

Фактор разделения Ф_р является одной из важнейших технических характеристик центрифуги, по которой судят о ее пригодности для разделения той или иной дисперсной системы:

Ф_р=а_mg=²rg,

где а_m – центробежное ускорение;  – угловая скорость вращения ротора;

r – радиус вращения.

Для практического пользования фактор разделения удобнее выразить через частоту вращения ротора n (об.мин):

Ф_р = (n²rg   · ^-5nr.

Второй важной характеристикой центрифуг является продолжительность пребывания выделяемых примесей в роторе, от которой зависит эффективность работы проточных центрифуг.

Фактическая продолжительность центрифугирования Т_ф зависит от рабочего объема ротора, конструкции шнека и относительной скорости его вращения, а также от фактора разделения и т.п.

Эффект осветления сточной воды можно регулировать изменением гидравлической нагрузки, частоты вращения ротора и диаметра сливного отверстия. При увеличении продолжительности процесса, что связано с уменьшением гидравлической нагрузки, качество фугата улучшается; то же самое достигается при увеличении частоты вращения ротора (т.е. повышение Ф_р).

Таким образом достигается снижение влажности кека (концентрированный продукт обезвоживание осадков сточных вод) при обезвоживании осадков сточных вод.

В зависимости от концентрации и свойств нерастворенных примесей сточных вод в осадительных центрифугах задерживается 70-90 примесей. При обработке воды высокомолекулярными полиэлектролитами рабочий эффект достигает 85 - 99.

Наряду с приведенными выше конструкциями широко используются горизонтальные шнековые и маятниковые центрифуги (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Технические характеристики центрифуг

Показатели	Т и п ц е н т р и ф у г и
	ОМБ-601У-1 ОМБ-601К-3	ОМД-801 У-1 ОМД-802К-4 ОМД-802Г-4	ОМД-1202Г-2 ОМД-1202К-2	ОГШ- 1120	ОГШ- 1350
Ротор: внутренний диаметр, мм рабочая вместимость, л предельная загрузка, кг наибольшая частота вра-щения, об./мин фактор разделения	600 45 90 1520 800	800 80 180 1250 700	1200 250 375 950 605	1100 - - 1000 620	1320 - - 800 475
Производительность центрифуги, м^3/ч	-	-	-	120	300
Электропривод: тип мощность, кВт	КОМ- 22-4 2,8	ВАО- 41-4 4	КОМ- 32-4 4	АО-1016М 100	АО-1014М 160

Примечание. ОМБ – маятниковая центрифуга с верхней выгрузкой осадка;

ОМД – маятниковая центрифуга с нижней выгрузкой осадка;

ОГШ – осадительная шнековая центрифуга.

Основной расчетной величиной в этом методе является гидравлическая крупность выделяемых частиц в поле центробежных сил И_ц. Эту величину устанавливают исходя из гидравлической крупности частиц, которые необходимо выделить для достижения требуемого эффекта очистки (Э) в поле гравитационных сил, и определяют по графикам кинетики центробежного разделения Э=(Т_ф) при различных значениях фактора разделения Ф_р и разной высоте h осветляемого слоя. Графики строят по результатам экспериментальных данных, полученных на лабораторной непроточной стаканчиковой центрифуге.

Производительность аппарата по суспензии (м³ч) определяют по формуле

Q= W_вТ_ф,

где W_в – расчетный объем ванны ротора при h= D-D_с (D – наибольший внутренний диаметр ротора); D_с – диаметр порогов сливных окон; Т_ф – продолжительность пребывания суспензии в роторе центрифуги, необходимая для достижения требуемого эффекта осветления.

2.5. Фильтрование

Фильтрованием называют процесс разделения суспензии на твердую фазу (осадок) и жидкую фазу (фильтрат) с использованием пористых перегородок. Жидкость движется через перегородку под действием разности давлений с одной и другой ее сторон.

Скорость фильтрования принято выражать в дифференциальной форме:

,

где w – скорость фильтрования, м³/(м²·с); V – объем фильтрата, м³; S – поверхность фильтрования, м²; t – продолжительность фильтрования, с; Δp – перепад давлений, Па; μ – вязкость жидкой фазы, Па·с; R_ос и R_фп – сопротивление слоя осадка и фильтровальной перегородки соответственно, м^–1.

Для несжимаемых осадков объем осадка V_ос пропорционален объему фильтрата и равен произведению толщины слоя осадка h_ос на поверхность фильтрования:

V_ос = x₀V = h_осS,

где x₀ – объемная доля твердой фазы в суспензии (отношение объема осадка к объему фильтрата).

Сопротивление слоя осадка в этом случае можно выразить уравнением

,

где r₀ – удельное сопротивление осадка, м^–2.

После подстановки полученного выражения получаем основное уравнение фильтрования:

.

При постоянном давлении Δp = const и неизменной температуре все величины в этом уравнении, за исключением V и t, постоянны. Разделив переменные и проинтегрировав это уравнение, получим

.

Полученное уравнение в явном виде описывает зависимость объема фильтрата от времени фильтрования при постоянном давлении.

Значения постоянных в уравнении фильтрования находят опытным путем. Для этого уравнение приводят к линейному виду

.

Полученное уравнение в координатах V – t/V представляет собой уравнение прямой, отсекающей на оси ординат отрезок, равный μR_фп/(ΔpS), тангенс угла наклона которой равен k = μr₀x₀/(2ΔpS²).

Фильтры применяют для глубокой очистки сточных вод от суспендированных частиц после механической, химической, физико-химической и биологической очистки. Сточные воды промышленных предприятий даже после биологической очистки содержат загрязняющие вещества, характерные для этих производств. Поэтому результаты работы фильтров на стоках одних производств нельзя механически переносить на работу фильтров других производств.

К конструкции фильтров (зернистые) предъявляются основные требования:

• фильтрация должна идти в направлении убывающей крупности загрузки с целью предотвращения образования малопроницаемых и трудно разрушаемых при промывке пленок осадка на поверхности загрузки;

• необходима интенсивная промывка загрузки, обеспечивающая максимальное удаление загрязняющих веществ из нее;

• фильтры должны обладать малой чувствительностью к колебаниям качества воды и расхода;

• фильтрующий материал (загрузка) должен обладать высокой прочностью, химической стойкостью и сравнительно низкой стоимостью.

Для очистки сточных вод используют фильтры с нисходящим (сверху вниз) и восходящим потоком. Загрузка фильтров с нисходящим потоком принимается одно- или многослойной. В качестве фильтрующего материала могут быть использованы: гравий, щебень, мраморная крошка, кварцевый песок, антрацит, керамзит, доменный шлак и т.д. (табл. 2.3).

Конструкция такого фильтра представлена на рис. 2.7.

Таблица 2.3

Характеристика некоторых фильтрующих материалов

Показатели	Речной песок	Дробле-ный шлак	Гранитный щебень	Горелая порода	Шунгизит
Удельный вес, г/м^3	2,46	2,5	2,5	-	-
Пористость	36,5-44,5	39,4-54	46,4-54,3	44-48	56-58
Измельчаемость, % по массе	3,93	7,7	8,35	3	5,67
Истираемость, % по массе	0,7	2,22	6,88	0,5	0,017
Химическая стойкость в кислой среде: сухой остаток, мг плотный остаток, мг кремнекислота, мг окисляемость, мг О2	188 - 2,5 4,2	252 - 10 7,5	198 - 5 8,4	- 49,6-35,3 0,21-0,17 5,7-3,7	- - - -
То же в щелочной среде: сухой остаток, мг плотный остаток, мг кремнекислота, мг окисляемость, мг О2	0 - 5 9,7	32 - 2,5 2,9	166 - 2,5 14,7	- 3,1-3,2 2,1-2,2 0,05-0,15	- - - -
То же в нейтральной среде: сухой остаток, мг плотный остаток, мг кремнекислота, мг окисляемость, мг О2	0 - 2,5 2,9	0 - 10 7,1	0 - 25 2,1	7,8-4,6 0,4 0,04-0,05	- - - -

Однослойные фильтры с нисходящим потоком применяют в схемах с безреагентной очисткой воды или в схемах с коагуляцией для задержания мелкодисперсных взвешенных частиц, выносимых из отстойников или осветлителей.

Данные, характеризующие основные параметры однослойных фильтров на стадии доочистки механически и биологически очищенных сточных вод, приведены в табл. 2.4.

Рис. 2.7. Открытый скорый фильтр с направлением потока сверху вниз:

1 – дренажная система; 2 – поддерживающие гравийные слои; 3 – загрузка фильтра;

4 – желоба для подачи исходной воды; 5 – распределительный карман;

6 – подача промывной воды; 7 – отвод промывной воды;

8 – отвод фильтрата

Таблица 2.4