Отстаивание сточных вод под действием центробежных сил

Гидроциклоны.

Осаждение суспензий под действием центробежных сил осуществляют в гидроциклонах и центрифугах.

Корпус гидроциклона (рис. 2.9) состоит из короткой верхней цилиндрической части и удлиненного конического днища. Сверху гидроциклон закрывается цилиндрической крышкой с патрубком для отвода осветленной жидкости. Между крышкой и корпусом устанавливается герметичная перегородка с осевым патрубком.

Суспензия подается тангенциально в цилиндрическую часть корпуса и приобретает интенсивное вращательное движение. Под действием центробежных сил частицы суспензии, имеющие большую плотность, чем жидкость, перемещаются к стенкам аппарата, концентрируются во внешних слоях вращающегося потока и движутся по спирали вдоль стенок гидроциклона вниз к разгрузочному штуцеру, через который и выводятся из аппарата вместе с частью жидкости в виде сгущенной суспензии. Осветленная жидкость движется во внутреннем спиральном потоке вверх и выводится через штуцер в крышке аппарата.

Рис. 2.9. Гидроциклон

Эта идеализированная картина движения потоков далека от реальной. В действительном аппарате возникают радиальные потоки (от центра к периферии) и замкнутые кольцевые потоки, значительно осложняющие расчет и проектирование гидроциклонов. Кроме того, из-за высоких окружных скоростей потока по оси гидроциклона формируется воздушная воронка, оттесняющая поток осветленной жидкости к стенкам. При этом усиливается турбулизация потока и ухудшается эффективность разделения.

Эффективность разделения суспензии в гидроциклоне характеризуется величиной К_р, называемой фактором разделения и равной отношению центробежной силы к силе тяжести:

где m – масса вращающейся частицы;

v – окружная скорость движения частицы;

r – радиус вращения частицы.

Из уравнения видно, что значение фактора разделения тем выше, чем больше скорость движения жидкости и чем больше кривизна ее траектории. Поэтому, в отличие от циклонов для очистки газов, гидроциклоны имеют небольшие размеры: для отделения твердых частиц размером от 5 до 150 мкм применяют циклоны с диаметром цилиндрической части от 100 до 350 мм; для очистки от частиц размером менее 5 мкм применяют циклоны с диаметром 10 – 15 мм. Такие циклоны обычно объединяют в один агрегат, в котором они работают параллельно, – мультициклоны.

Экспериментально найдено, что наилучшее разделение достигается, когда гидроциклоны имеют удлиненную форму с углом конусности 15 – 20⁰. При такой форме удлиняется путь частиц, увеличивается время их пребывания в аппарате и повышается эффективность разделения.

Достоинствами гидроциклонов являются:

− высокая производительность при малых габаритах;

− отсутствие движущихся частей;

− простота и легкость обслуживания;

− невысокие капитальные затраты и низкие эксплуатационные расходы;

− широкая область применения.

К недостаткам гидроциклонов следует отнести сравнительно быстрый абразивный износ отдельных элементов конструкции, прежде всего корпуса. Для уменьшения износа гидроциклоны часто изготавливают со сменной внутренней футеровкой из пластмассы, керамики, износостойких сплавов и т.д.

Центрифугирование.

Под центрифугированием понимают процесс разделения жидких дисперсных систем, в частности суспензий, в поле центробежных сил.

Общие закономерности центрифугирования схожи с закономерностями отстаивания. Однако существуют и принципиальные отличия:

• в отстойниках гравитационное поле однородно, а интенсивность центробежного поля в отстойных центрифугах возрастает пропорционально расстоянию от оси вращения. Это означает, что на частицу по мере ее движения к стенке ротора действует непрерывно возрастающая сил, поэтому частица движется с ускорением;

• в отстойниках частица движется через равные по площади плоские поперечные сечения слоя жидкости, а в отстойных центрифугах – через увеличивающиеся по площади цилиндрические сечения. Поэтому в центрифуге эффекты сгущения суспензии и коллективного осаждения менее выражены, и суспензия сравнительно быстро разделяется на две фазы – жидкую (фугат) и твердую (осадок).

Величина центробежной силы выражается равенством:

F_ц = mv ²/r, (2.1)

где m – масса вращающегося тела;

v – окружная скорость вращения (м/с);

r – радиус вращения.

Окружная скорость вращения определяется равенством:

v = 2πnr, (2.2)

где n – число оборотов (с^–1).

Подставив выражение для окружной скорости (2.2) в уравнение (2.1), получим

Отсюда видно, что число оборотов центрифуги в значительно большей степени влияет на значение центробежной силы, чем увеличение диаметра ротора центрифуги.

Фактор разделения:

Например, фактор разделения для центрифуги, ротор которой вращается со скоростью 1200 об/мин (n = 20 с^-1) и имеет диаметр 1 м, составит 800, т.е. процесс осаждения суспензии в такой центрифуге должен протекать в 800 раз быстрее, чем в гравитационном поле.

Центрифуга в простейшем виде представляет собой вертикальный цилиндрический ротор, который приводится во вращение электродвигателем. Ротор помещен в неподвижный соосный корпус. Ротор может быть со сплошными или перфорированными стенками. Центрифуги с перфорированным ротором называются фильтрующими. Разделение суспензии в таких центрифугах осуществляется по принципу фильтрования. Центрифуги со сплошным ротором называют о тстойными.

В центрифугах этого типа осаждение суспензии происходит по принципу отстаивания с той разницей, что действие силы тяжести заменяется на действие центробежной силы.

Конструкции центрифуг.

По величине фактора разделения центрифуги делятся на нормальные центрифуги (F_р < 3500) и сверхцентрифуги (F_р ≥ 3500).

Нормальные центрифуги могут быть отстойными и фильтрующими.

В зависимости от организации процесса центрифуги могут быть:

• периодического действия – с периодической загрузкой суспензии и периодическим сливом фугата и выгрузкой осадка;

• полунепрерывного действия – с непрерывной загрузкой суспензии и непрерывным выводом фугата в пределах одного цикла, но с периодической выгрузкой осадка;

• непрерывного действия.

Трехколонные центрифуги (рис. 2.10) относятся к нормальным отстойным центрифугам периодического действия. Свое название они получили из-за того, что корпус центрифуги 1 подвешен на трех опорах 2. Внутри неподвижного корпуса вращается установленный на вертикальном валу ротор 3.

Рис. 2.10. Трехколонная центрифуга

Загрузка суспензии производится при неподвижном роторе через верхнюю крышку 4. После чего крышка закрывается, и ротор центрифуги приводится во вращение. После окончания центрифугирования вращение ротора прекращается, жидкость (фугат) сливается через нижний штуцер, а осадок выгружается через верхнюю крышку или нижний люк, как правило, вручную. Трехколонные центрифуги могут быть выполнены с фильтрующим ротором. Центрифуги этого типа отличаются большой трудоемкостью обслуживания и низкой производительностью. Удельный расход электроэнергии значительно выше, чем в центрифугах других типов из-за частой раскрутки и торможения массивного ротора.

Для очистки производственных вод их использование ограничено, например удалением образовавшегося мелкодисперсного осадка при химическом осаждении солей металлов в периодических технологических процессах с малым водоотведением.

Горизонтальные центрифуги являются, как правило, нормальными фильтрующими центрифугами непрерывного действия (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Горизонтальная центрифуга с пульсирующим поршнем

Ротор таких центрифуг установлен горизонтально и имеет цилиндрическую или слегка коническую форму. Суспензия подается внутрь ротора по трубе. Жидкая фаза удаляется из ротора через перфорированные стенки, покрытые фильтрующим материалом. Осадок удаляется из центрифуги либо с помощью пульсирующего поршня, либо с помощью шнекового устройства.

Дата добавления: 2015-05-07