Издательский Центр Аква-Терм

Гидроциклоны в водоподготовке

Опубликовано: 05 декабря 2008 г.

1300

М. Иванов, к. х. н.
 
С момента своего появления гидроциклоны (первый такой аппарат установлен на одном из угольных предприятий Голландии в 1939 г.) активно применялись в горно-обогатительной области. С середины XX в. они стали использоваться и для удаления твердых частиц из водной среды.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Принцип действия

В основу метода положено использование вращательного движения, при котором (под действием центробежной силы) происходит разделение веществ с различной плотностью. Нечто подобное происходит в центрифугах или сепараторах. Различие заключается в том, что в данном случае вращательное движение жидкости создается энергией текущего водного потока. В процессе вращения потока по круговой траектории на него действует центробежная сила, повышающая давление у периферии и создающая разряжение в центре. Подобное явление происходит и при вращении ротора центробежного насоса. Однако в данном случае используется еще одно свойство вращательного движения – увеличение скорости и, соответственно, величины центробежной силы при уменьшении радиуса вращения. Это достигается путем движения жидкости по спиральной траектории по конической поверхности в сторону вершины. Когда поток упирается в глухую стенку, расположенную у вершины конуса, жидкость начинает засасываться в центральную часть, где находится зона разряжения.

В отличие от центрифуг и центробежных насосов вращательное движение жидкости в гидроциклонах осуществляется не за счет вращения частей этих аппаратов, а посредством тангенциального введения потока в корпус аппарата, имеющего цилиндрическую форму. Увеличение скорости вращения жидкости происходит при попадании потока из цилиндрической части гидроциклона в коническую. В этот момент частицы механических примесей и взвесь отбрасываются к стенкам и перемещаются по спиральной траектории по конической поверхности к вершине конуса, а затем попадают в камеру сбора примесей. В то же время осветленный поток перемещается к центру вращения, где находится зона разряжения, и выводится из аппарата.

Типы гидроциклонов

Описанный принцип действия реализуется в гидроциклонах напорного (закрытого) типа. Основной параметр таких гидроциклонов – пропускная способность (производительность), которая определяется диаметром входных патрубков и внутренним диаметром цилиндрической части аппарата. Так, для водоочистки используются гидроциклоны с внутренним диаметром от нескольких сантиметров до одного метра. Величина этого параметра соответствует угловой скорости  движения потока и поэтому влияет на эффективность удаления примесей. В то же время работа гидроциклона приводит к понижению напора в трубопроводе. Кроме того, на условия удаления механических примесей влияет и диаметр входных патрубков. Так, для грубой очистки обычно используют входные патрубки больших диаметров.

Чаще всего напорные гидроциклоны устанавливают на трубопроводах с давлением от 1,5 до 1,7 атм, а безнапорные – в системах с давлением около 0,3 атм. Это позволяет достаточно эффективно удалять из воды механические примеси и взвеси размером более 10 мкм. Обычный температурный режим работы гидроциклонов находится в пределах от 10 до 130 °С.

Достаточно распространена и другая конструкция гидроциклонов – безнапорная (открытый тип). В случае использования безнапорного гидроциклона производят отбор воды из патрубка, расположенного тангенциально на конической части аппарата. Такое расположение выводного патрубка и отбор воды из конической части вызывают вращение водной среды.

Этот вид гидроциклонов используют для удаления из водной фазы примесей (например, частичек нефти) с меньшей, чем у воды, плотностью. Собранная с поверхности воды пленка нефтепродуктов, попадая в гидроциклон, как более легкая собирается в центре. По мере увеличения количества нефтепродуктов из них образуется конус, который, увеличиваясь в размере, достигает нефтяного отборного патрубка, расположенного в центре.

Открытые гидроциклоны чаще всего применяют для очистки сточных вод в безнапорных трубопроводах со скоростью течения около 0,02 м/с.   

Для более эффективной очистки воды используют и гидроциклоны других конструкций: например, с тремя сливными патрубками, имеющими различные диаметры и глубину погружения.

Отметим, что повысить степень очистки воды можно посредством использования нескольких аппаратов, установленных последовательно.

Таблица. Степень эффективности различных способов очистки воды

Аппараты для очистки воды

Степень удаления, %

нефтепродукты

минеральные примеси

Гидроциклон
20–30
Гидроциклон  + реагенты
50–95
50–95
Отстойник
30–60
30–60

Отстойник + реагенты

50–95
50–95
Флотатор
30–60
– 

Флотатор + реагенты

50–95
50–95

Осветлительный фильтр

100
100

Сорбционный фильтр

100
100
Достоинства гидроциклонов

Основные достоинства гидроциклонов – высокая производительность и небольшие габаритные размеры. Благодаря несложной конструкции гидроциклонам присуща и простота в эксплуатации. Кроме того, они энергонезависимы и имеют относительно невысокую стоимость. Большинству гидроциклонов не нужны расходные материалы. При их работе не производятся замена или регенерация фильтрационной среды (как в осветлительных или сорбционных фильтрах). Техническое обслуживание гидроциклонов не требует сложного оборудования и квалифицированного персонала. По свои техническим возможностям гидроциклоны могут конкурировать с другими методами водоочистки, имея перед некоторыми из них неоспоримые преимущества. Так, по сравнению с отстойниками, гидроциклоны не требуют значительных площадей под установку.

Материал изготовления

Важным аспектом в оценке потребительских качеств гидроциклонов является материал, из которого они изготовлены. Это связано с абразивной устойчивостью поверхностей таких аппаратов, контактирующих с водным потоком. Дело в том, что в процессе работы гидроциклона за счет воздействия механических примесей и потока воды происходит износ поверхности.

Гидроциклоны изготавливают из металлов и пластических масс. Из пластиков чаще всего используется литьевой полиэтилен низкого давления. В случае применения других полимерных материалов они также должны обладать высокой прочностью и износостойкостью. Примером пластмассовых гидроциклонов могут служить аппараты марки ТВП. Эти гидроциклоны имеют внутренний диаметр от 25 до 100 мм, а их пропускная способность составляет 1,3–18,2 м3/ч.  

Достаточно часто для изготовления гидроциклонов используют сплавы углеродистых и легированных сталей. В отличие от пластиковых гидроциклонов, которые обычно бывают цельнолитыми, металлические аппараты имеют разборную конструкцию. Из металлических гидроциклонов, представленных на российском рынке, можно отметить аппараты марок ТВУ, ТВК, СВК и ТВКК. В этот перечень попадают гидроциклоны с огромным разбросом по величине диаметра внутренней части аппарата (от 25 мм до1 м) и производительности (1–450 м 3/ч).

Следует отметить, что в конструкции гидроциклонов, предназначенных для обработки водных сред, обладающих повышенным абразивным действием, предусмотрены специальные вкладыши из резины. Кроме того, их поверхность обрабатывается карбидом кремния. Такие гидроциклоны (марка ГЦ) выпускает ЗАО «Новые технологии и оборудование» (Москва). Внутренняя поверхность этих гидроциклонов покрыта футеровкой из самосвязанного карбида кремния. Важно отметить, что срок службы гидроциклонов с футеровкой из карбида кремния в 10–20 раз выше, чем у аппаратов из хромоникелевых сплавов, каменного литья и резины.

Сфера применения

Гидроциклоны могут использоваться для очистки и обработки воды на ТЭЦ, в котельных, тепловых сетях, а также для обработки сточных вод. Однако необходимо отметить, что применение гидроциклонов открытого типа на теплоэнергетических объектах малоперспективно: для этой области больше подходят напорные гидроциклоны закрытого типа. Другая специфическая особенность использования этих аппаратов в теплоэнергетике заключается в том, что высокая эффективность очистки достигается при многократном пропускании обрабатываемой воды через гидроциклон. Такая схема хорошо реализуется в условиях постоянной рециркуляции горячей воды в замкнутом контуре.  

Заметим: эффективность очистки воды с помощью гидроциклона значительно возрастает в комбинации с химическими реагентами (табл.), способствующими переводу примесей в нерастворимое состояние.

 Если гидроциклоны традиционно довольно широко применяют на горно-обогатительных предприятиях, то для водоподготовки – неоправданно мало. Среди большого числа фирм и организаций, занимающихся проектированием, монтажом и сервисным обслуживанием систем водоподготовки, лишь единицы используют в своей работе аппараты гидроциклонного типа.

Стоит отметить способы удаления механических примесей из воды путем  совместного применения гидроциклонов с другими видами обработки. Так, достаточно продуктивно гидроциклоны используют в комбинации с магнитными способами обработки воды. Под действием магнитного поля в воде происходит образование осадка, который удаляется с помощью гидроциклонов. Такой способ обычно реализуется при обработке циркуляционной воды в системах теплоснабжения.  

Другой пример комбинированного использования гидроциклонов – совмещение процессов удаление механических примесей на гидроциклонном аппарате и фильтрации на складчатом мембранном фильтре картриджного типа. При таком сочетании основная доля механических примесей удаляется гидроциклоном, а окончательная (тонкая) доочистка происходит на фильтрационном аппарате. Такое сочетание двух приемов удаления механических примесей позволяет не только повысить степень очистки воды, но и значительно продлить срок службы картриджного фильтра.

Такие установки, например, выпускает фирма Harmsco Industrial Filters (США). Они представляют собой напорные гидроциклоны, совмещенные с патронными фильтрами на основе гофрированного полотна из полиэфира с площадью поверхности 3,7–15,8 м2 и размером пор 0,35–150 мкм. В этих установках вода сначала освобождается от крупной взвеси, оседающей в нижней части гидроциклона, а затем поступает на фильтрующий элемент, который задерживает тонкодисперсную взвесь. Пропускная способностью таких аппаратов составляет 11–150 м3/ч, внутренний диаметр – от 330 до 750 мм.  




Поделиться:

вернуться назад