1. Расчет открытого гидроциклона
1.1 Контрольные вопросы
2. Расчет напорного гидроциклона
2.1 Пример расчета гидроциклонов при очистке сточных вод прокатных производств
2.2 Расчет многоступенчатой гидроциклонной установки для осветления сточных вод доменной газоочистки
2.3 Контрольные вопросы
Список используемой литературы
Приложение

1. Расчет открытого гидроциклона
Расход сточных вод Q, м3/ч - 900 м3/ч;

Гидравлическая крупность взвешенных веществ U, мм/с - 7,50 мм/с;

Начальная концентрация взвешенных веществ С1, мг/л - 1220 мг/л;

Эффективность очистки Э,% - 64 %.

Исходя из требуемой степени очистки, целесообразно применение открытого гидроциклона простейшей конструкции.

Удельная гидравлическая нагрузка на гидроциклон равна:

Общая площадь зеркала воды в гидроциклоне составит

Принимаем два рабочих гидроциклона (n=2). Из формулы 2 диаметр каждого гидроциклона составит:

Назначаем геометрические размеры гидроциклона.

Цилиндрическая часть: высота ; диаметр впускного патрубка ; угол конической части

Так как эффективность очистки при задержании частиц крупностью 7,5 мм/с составляет 64%, т.е.

То остаточное содержание взвешенных веществ в осветленной воде (С0) равно

Количество осадка задерживаемого гидроциклоном за 1 ч

Это количество осадка при p=3,2 т/м3 занимает объем

м3/ч

Определяем объем конической части гидроциклона радиусом

где r - радиус шламовой насадки, м;

h - высота конической части гидроциклона, м.

м3

Следовательно, выгрузку осадка необходимо производить не реже одного раза за 6-7 дней.

1.1 Контрольные вопросы
1. Перечислите преимущества открытых гидроциклонов перед напорными.

Открытые гидроциклоны обладают существенными преимуществами перед напорными, так как вследствие сравнительно небольших скоростей входа воды они имеют гораздо меньшее гидравлическое сопротивление - потери давления в них не превышают 0,5*104 Па. Производительность единицы объема открытого гидроциклона значительно меньше, чем напорного. Однако этот недостаток компенсируется тем, что открытые гидроциклоны, имея значительно большую емкость, чем напорные, в конечном итоге обладают большей пропускной способностью (до 500 м3/ч и более).

При необходимости обрабатывать значительные количества воды применение открытых гидроциклонов позволяет существенно сократить число эксплуатируемых сооружений, уменьшить занимаемую ими площадь и упростить эксплуатацию очистной установки.

2. Указать область применения различных конструкций открытых гидроциклонов и принцип их действия.

Открытый гидроциклон. Исходная вода подается в верхнюю часть циклона. Цилиндрической перегородкой поток воды направляется вниз. После выхода из-под перегородки выделившиеся из рабочей среды взвешенные вещества продолжают двигаться по образующей конического днища циклона вниз, а осветленная вода движется вверх к водосливу. Благодаря введению цилиндрической перегородки несколько повышается коэффициент использования объема аппарата.

При работе гидроциклона, оборудованного диафрагмой возможно накопление взвешенных веществ под диафрагмой и периодический вынос их с осветленной водой. Принудительный отвод этих веществ из-под диафрагмы в два раза увеличивает потери воды, что является нежелательным. Этот недостаток устранен в конструкции циклона с внутренним циклоном. Исходная вода тангенциально в пространство, ограниченное внутренним цилиндром. Восходящий поток, дойдя до его верха, разделяется на два потока. Один из них (основной) движется по спирали к центральному отверстию в диафрагме, другой, в котором транспортируются выделившиеся в восходящем потоке взвешенные вещества, направляется в пространство между стенками цилиндра и гидроциклона. Этот поток предотвращает накопление взвешенных веществ под диафрагмой и смывает их в коническую часть. Полезный объем в гидроциклоне с внутренним цилиндром и конической диафрагмой составляет 25%.

Многоярусный низконапорный открытый гидроциклон состоит из цилиндрического корпуса, в который свободно вставлены конические диафрагмы, делящие цилиндр по высоте на самостоятельные ярусы с сосредоточенным впуском воды в каждый ярус из общей аванкамеры. Поток воды движется в пространстве ярусов по спирали к центру, выделяя взвешенные вещества под действием центробежных и гравитационных сил. Осветленная вода затем поднимается вверх и, переливаясь через водосливную кромку, попадает в лоток, а из него отводится за пределы сооружения. Взвешенные вещества, осев на ярусе на нижнюю диафрагму, сползают по ней к центру, попадают под шламовые козырьки и по трубам, соединяющим пространство под козырьками, отводится в шламовую часть сооружения. Осадок из сооружения удаляется через насадку. Содержащееся в воде масло всплывает к верхним диафрагмам ярусов. Крупно диспергированные частицы этого масла под диафрагмами проходят к периферии и через щели диафрагмы со стенкой поднимаются вверх, накапливаются под верхней диафрагмой, затем отводятся трубами на поверхность воды в циклоне. При этом проходу масла с водой в водосборный лоток препятствует полупогруженное кольцо. Мелко диспергированное масло, выделенное в ярусе, транспортируется потоком к центру, попадает под маслозадерживающие козырьки и по трубам отводится также на поверхность воды в циклоне. Накопившееся на поверхности воды в циклоне масло периодически удаляется через воронку.

3. Привести принципиальную схему гидроциклонной установки для очистки сточных вод прокатных производств и дать ее краткое описание.

Рисунок 1 - Гидроциклон простейшей конструкции

На рисунке 1 представлена конструкция гидроциклона с отводом очищенной воды через периферийный водослив. Благодаря тангенсальному подводу исходной воды вся масса воды в гидроциклоне находится во вращательно-поступательном движении. Рабочий поток жидкости движется от места входа по восходящей спирали и, переливаясь через водослив в кольцевой лоток, удаляется за пределы сооружения. В гидроциклоне такой конструкции полупогруженный кольцевой щит, установленный перед сливом, обеспечивает задержание и затем удаление из воды легких всплывающих веществ (масло и нефтепродукт). Выделенный осадок накапливается с помощью гидроэлеватора или другими известными способами.

4. Какие факторы необходимо учитывать при выборе типа и конструкции открытых гидроциклонов?

При выборе типа и конструкции гидроциклона для очистки конкретных сточных вод следует учитывать местные условия данного производства, количество сточных вод, характеристику механических загрязнений, которые необходимо выделить, и требуемую степень очистки.

При очистке сточных вод, загрязненных агломерирующими взвешенными веществами, а также при использовании коагуляции напорные циклоны непригодны, поэтому целесообразнее применение открытых гидроциклонов. Выбор конструкции открытого гидроциклона зависит от количества вод и требуемой степени очистки. При большом количестве воды и высокой степени очистки предпочтительнее использование многоярусных гидроциклонов.

Если в условиях производства сточные воды на очистные сооружения подаются насосной станцией, то можно применять напорные гидроциклоны. Однако если концентрация взвешенных веществ в сточных водах велика и требуется высокая степень очистки, то одна ступень гидроциклонов не обеспечивает требуемого осветления. В таком случае необходимо применение второй ступени очистки, в качестве которой могут быть использованы открытые гидроциклоны.

Положительным решением схемы очистки сточных вод конкретного производства может явиться переоборудование существующих очистных сооружений, например приемных емкостей, вертикальных отстойников и т.п. в открытые гидроциклоны. Такое решение может позволить значительно повысить производительность очистных сооружений при минимальных затратах.

Окончательная схема очистки, тип и конструкция гидроциклона должны определяться на основании технико-экономических сравнений нескольких предполагаемых вариантов.

5. Указать порядок монтажа и наладки открытых гидроциклонов.

При монтаже гидроциклонных аппаратов должна быть обеспечена горизонтальность водосливной кромки. В противном случае за счет увеличения скоростей рабочего потока возможен подсос выделенного и накопившегося на поверхности масла и вынос его с осветленной водой. В распределительной камере циклона зазор между струенаправляющими лопатками и внешней стенкой аванкамеры должен быть не более 1 - 2 мм. При не соблюдении величины зазора рабочий поток, входящий в аванкамеру, не будет равномерно распределяться между ярусами гидроциклона, что приводит к снижению эффективности очистки сточных вод.

К наладке установки можно приступать только после тщательного ее осмотра с целью проверки соответствия ее с проектом.

Если удаление осадка их гидроциклона производится под гидростатическим давлением столба воды в аппарате, то наладочная работы заключается в выборе оптимального размера шламовой конической насадки. Оптимальной является насадка с минимальным размером разгрузочного отверстия, обеспечивающая устойчивую работу гидроциклона. Диаметр отверстия шламовой насадки устанавливается опытным путем при наблюдении за работой узла шламоудаления в течение некоторого времени.

После установления рабочего гидравлического режима следует определить эффективность очистки сточных вод в гидроциклоне и сравнить с требуемыми показателями качества очищенной воды. Эффект работы гидроциклона определяется анализом проб поступающей и выходящей после каждого аппарата воды. Пробы анализируемых вод отбираются через пробоотборные патрубки, врезанные в соответствующие трубопроводы.

После достижения в гидроциклоне заданной степени очистки можно приступить к наладке маслоудаляющих устройств. В эту работу входит определение периодичности удаления выделившегося масла.

При эксплуатации гидроциклонной установки основное внимание следует уделять равномерности распределения количества поступающих сточных вод между гидроциклонами. Равномерность распределения проверяется по показаниям дифманометров.

Удаление осадка из гидроциклона - осветителя производится непрерывно. Периодическое удаление осадка может привести к переполнению гидроциклона осадком, к его засорению и полному выходу из строя. Масло, задержанное в гидроциклоне и плавающее на поверхности в пространстве, ограниченном полупогруженным кольцом, удаляется периодически. Периодичность удаления масла определяется при наладке установки и уточняется в процессе эксплуатации.

В период эксплуатации многоярусный гидроциклон рекомендуется промывать не реже одного раза в месяц. Промывка предварительно опорожненного гидроциклона производится исходной водой. При этом промывную воду следует подавать поочередно в каждую из аванкамер. Расход промывной воды равен производительности циклона. Продолжительность промывки 10-20 минут.

2. Расчет напорного гидроциклона
2.1 Пример расчета гидроциклонов при очистке сточных вод прокатных производств
Расход сточных вод Q, м3/ч - 900 м3/ч;

Концентрация ГДП:

исходная С0, мг/л - 200 мг/л;

конечная Ст, мг/л - 96 мг/л.

Давление перед циклоном Р, 104 Па - 5•104 Па.

При исходной концентрации ГДП С0=200 мг/л и конечной Ст=96 мг/л эффект осветления составит:

По соответствующей кривой 2 на графике I сектора (рисунок 1) находим, что при Э=52%, гидравлическая крупность частиц u=0,5мм/с.

По кривым II сектора устанавливаем, что для задержания частиц с гидравлической крупностью u=0,5 мм/с при Р=5•104 Па необходим циклон диаметром 250 мм.

При Р=5•104 гидроциклон с D=250 мм по соответствующей кривой III будет иметь производительность 80 м3/ч.

Следовательно, для обработки всего расхода необходимо 900/80=11 рабочих аппаратов.

Потери воды с шламом определяем по кривой IV сектора, соответствующей циклону D=250 мм, составляют 1% общего расхода, т. е qП=0,01•900=9 м3/ч или 9/11=0,82 м3/ч на один аппарат.

Из уравнения баланса твердой фазы:

Определяем концентрацию ГДП в пульпе, мг/л.

где Qв - расход очищенной воды, м3/ч.

Геометрические размеры выбранных напорных гидроциклонов.

- диаметр цилиндрической части, мм - 250 мм;

- площадь входного отверстия, мм2 - 6430;

- диаметр сливного патрубка, мм - 56;

- диаметр шламовой насадки, мм - 24 мм;

- высота цилиндрической части, мм - 177 мм;

- угол конической части, град. - 20 град.

2.2 Расчет многоступенчатой гидроциклонной установки для осветления сточных вод доменной газоочистки
Доменная печь высокого давления (С0=4 г/л)

Количество сточных вод Q, м3/ч - 4000 м3/ч;

Давление перед циклоном Р, 104 Па - 12,5•104 Па;

Диаметр гидроциклона D, мм - 250 мм.

От газоочистки проектируемой новой доменной печи поступает сточная вода в количестве Q=4000 м3/ч со средним содержанием взвешенных веществ С0=4000 мг/л.

Требуется запроектировать гидроциклонную установку для очистки оборотных вод доменной газоочистки. При этом содержание взвешенных веществ в очищенной воде должно быть не более СТ=150 мг/л. Располагаемое давление перед гидроциклоном Р=12,5•104 Па (12,5 м вод. ст.).

В качестве первой ступени очистки применяем напорные гидроциклоны диаметром 250 мм. Они должны работать под давлением скруббера. В этом случае отпадает необходимость в насосных агрегатах и затрате энергии при обслуживании первой ступени установки. Последующие ступени очистки рационально укомплектовать из аппаратов малых размеров, например диаметром 75 мм.

По кривым II сектора (рисунок 2) устанавливаем, что при Р=12,5•104 Па гидроциклон диаметр 250 мм обеспечивает задержание частиц с гидравлической крупностью u=3,8 мм/с, что соответствует эффективности осветления Э=50% (кривая 3 первого сектора).

Конечная концентрация ГДП после первой ступени составит:

При Р=12,5•104 Па циклон с диаметром 250 мм по соответствующей кривой третьего сектора будет иметь производительность 70 м3/ч.

Следовательно, для обработки всего расхода необходимо:

рабочих аппаратов диаметром 250 мм.

Потери воды со шламом, определяемые по кривой четвертого сектора, соответствующей циклону диаметром 250 мм, составляют 6% общего расхода, т. е или 240/57=4,17 м3/ч на один аппарат. Из уравнения баланса твердой фазы: .

Определяем концентрацию ГДП в пульпе, мг/л.

где Qв1 - расход очищенной воды после первой ступени, м3/ч.

Геометрические размеры выбранных гидроциклонов для первой ступени очистки:

- диаметр цилиндрической части, мм - 250 мм;

- площадь входного отверстия, мм2 - 6430;

- диаметр сливного патрубка, мм - 56 мм;

- диаметр шламовой насадки, мм - 24 мм.

Эффект задерживания взвешенных веществ на второй ступени очистки составит:

где СТ=500 мл/г (см. рис.3).

Определяем производительность напорного гидроциклона, л/мин.

где

Для обработки всего расхода сточных вод, поступающих на вторую ступень очистки, необходимо

рабочих аппаратов диаметром 75 мм. Принимаем n=400 шт. Тогда на второй ступени будем иметь 4 рабочих блоков, в каждом из которых входит 100 аппаратов.

Определяем гидравлическую крупность задерживаемых частиц, мм/с.

где КТ - коэффициент учитывающий концентрацию ГДП и турбулентность (при D=0,075м Кт=0,04, при D=0,25-0,5 м, Кт=0,02-0,03);

а - коэффициент, учитывающий затухание тангенциальной скорости в гидроциклоне (а=0,45).

Потери воды со шламом, определяемые по кривой четвертого сектора, соответствующей циклону диаметром 75 мм, составляют 6 % общего расхода, т. е

или 226/400=0,58 м3/ч на один аппарат.

Расход очищенной воды после второй ступени:

Концентрация ГДП в пульпе:

Количество пульпы, направляемой на обезвоживающие аппараты:

Средняя концентрация ГДП составит:

Размеры гидроциклонов для второй ступени очистки

- диаметр цилиндрической части, мм - 75 мм;

- площадь входного отверстия, мм2 - 7*37;

- диаметр сливного патрубка, мм - 20 мм;

- диаметр шламовой насадки, мм - 9 мм.

Эффект задержания взвешенных веществ на третьей ступени очистки составит:

где СТ=300 мг/л (см. рисунок 3)

Производительность напорного гидроциклона диаметром 75 мм.

q3=q2=10,8 м3/ч.

Для обработки всего расхода сточных вод, поступающих на третью ступень очистки, необходимо:

рабочих аппарата. Принимаем n=400 шт. Тогда на данной ступени очистки будем иметь 4 рабочих блоков по 100 аппаратов в каждом блоке.

Потери воды со шламом qП3=qП2=226 м3/ч. Расход очищенной воды после третьей ступени равен:

Концентрация ГДП в пульпе составит:

Концентрация взвешенных веществ в осветленной воде на четвертой ступени СТ=200 мг/л (см. рисунок 3). Эффект задержания взвешенных веществ составит:

Производительность гидроциклона диаметром 75 мм q4=q3=10,8 м3/ч. Для обработки всего количества вод, поступающих на четвертую ступень очистки, необходимо

рабочих аппаратов. Принимаем n=400 шт.

Тогда на данной ступени очистки будем иметь 4 рабочих блоков по 100 аппаратов в каждом блоке.

С учетом потери воды со шламом (qП4=qП3=226 м3/ч) расход очищенной воды после третьей ступени равен:

Концентрация ГДП в пульпе составит:

Пульпа от последних двух ступеней поступает в шламонакопители в количестве:

q=qП3+qП4=226+226=452 м3/ч.

Средняя концентрация ГДП в этой пульпе равна:

По сравнению с обычным осветлением этих стоков в радиальных отстойниках способов очистки в гидроциклонах имеет ряд преимуществ. Наиболее существенным является большая компактность установки, которая может разместиться в насосной станции.

Другое преимущество заключается в возможности классификации шлама. Это обеспечивает получение из первых ступеней установки пульпы с большим содержанием железа и существенно облегчает последующую утилизацию шлама. Кроме того, полученный крупнодисперсный шлам лучше обезвоживается, что резко повышает производительность обезвоживающих аппаратов.

Применение гидроциклонов для осветления сточных вод доменных газоочисток позволяет снизить капитальные затраты примерно в два раза по сравнению со строительством радиальных отстойников.

2.3 Контрольные вопросы
1. Какие факторы и каким образом влияют на эффективность работы напорного гидроциклона?

На эффективность работы гидроциклона влияет ряд факторов, которые необходимо учитывать при выборе типа аппаратов, его размеров и определения оптимального режима эксплуатации.

Эти факторы можно разделить на две группы. К первой относятся факторы, зависящие от геометрических размеров и их соотношений: диаметра цилиндрической части Д и ее высоты Нц; диаметра центральной водоотводящей трубы d0, площади входного отверстия Fвх=h*a и диаметра нижней шламоотводящей насадки dш; угла конической части б и ее высоты Нк. Ко второй группе относятся факторы, зависящие от расхода и свойств осветляемой воды: концентрации взвешенных веществ в воде, их гранулометрического состава и удельного веса, вязкости воды. Все перечисленные факторы тесно связаны между собой.

На работу напорного гидроциклона оказывают влияние высота цилиндрической части Нц и угол конической части б. При прочих неизменных условиях при увеличении высоты цилиндрической части и уменьшения угла конической части увеличивается объем аппарата и, следовательно, продолжительность пребывания в нем очищаемой воды.

На эффективность работы гидроциклона оказывают влияние диаметры водоотводящей трубы d0 и нижней шламоотводящей насадки dш, так как соотношение между ними обуславливает соотношение между расходами осветленной воды Q0 и пульпы qп. Увеличение расхода осветленной воды сопровождается увеличением скоростей радиально направленных потоков воды, которые выносят частицы взвеси к центральной водоотводящей трубе, и этим снижается эффект осветления воды. При уменьшении диаметра нижней шламоотводящей насадки dш увеличивается концентрация шлама, что вызывает накопление взвеси в конической части гидроциклона; это обстоятельство также сопровождается увеличением выноса взвеси с очищенной водой.

2. Дать краткую характеристику сточных и оборотных вод прокатных цехов заводов черной металлургии.

Вид проката	Концентрация загрязнений в воде, мг/л
	сточной	оборотной
	масла	окалины	масла	окалины
Мелкосортный		200		60-90
Среднесортный и трубопрокат		250-300		60-90
Крупносортный		300		60-100
Листопрокат	10-200	200	30-40	60-90
Примечание Над чертой указаны концентрации масла для станов с бронзовыми подшипниками, под чертой - с текстолитовыми. При оборотном водоснабжении после ям для окалины.

1. Привести схемы очистки производственных сточных вод прокатных производств.

Рисунок 1 - Схема очистки оборотных вод от медной окалины в гидроциклонах.

4. Привести схему многоступенчатой гидроциклонной установки для очистки оборотных вод доменной газоочистки.

1 - скруббер; 2 - 1 ступень гидроциклонов (D=350-500 мм); 3,4,5 - последующие ступени из блоков циклонов (D=75 мм); 6,7,8 - насосные установки; 9 - ленточный вакуум - фильтр.

Рисунок 2 - Схема очистки оборотных вод доменной газоочистки на многоступенчатой гидроциклонной установке.

5. Дать технико-экономическое сравнение эффекта вариантов очистки сточных вод в горизонтальных отстойниках и гидроциклонах.

Очистные сооружения	Общий напор, м	Число секций или циклонов	Капитальные затраты, тыс. руб.	Эксплуатационные расходы, тыс. руб,/год	Приведенные затраты, тыс. руб. /год
				Электроэнергия	амортизация	Текущий ремонт	Общие
Гидравлическая крупность задерживаемых частиц 0,7 мм/с
Горизонтальные отстойники	10	50	421	17	25,4	9,3	51,7	103,7
Гидроциклоны: Диаметром 75 мм	17	1660	56,7	28,8	3,37	1,23	33,4	41,2
Диаметром 250 мм	25	110	9,7	42,4	0,58	0,213	43,2	44,56
Диаметром 350 мм	40	54	7,6	67,8	0,46	0,17	68,43	69,39
Гидравлическая крупность задерживаемых частиц 0,5 мм/с
Горизонтальные отстойники	10	70	590	23,7	35,4	13	72,1	154,6
Гидроциклоны: Диаметром 75 мм	23	1430	48,7	54,3	2,92	1,07	58,3	65,2
Диаметром 250 мм	32	104	9,15	75,5	0,58	0,2	76,2	77,48
Диаметром 350 мм	41	57	8	97	0,48	0,18	97,7	97,82
Гидравлическая крупность задерживаемых частиц 0,42 мм/с
Горизонтальные отстойники	10	70	590	23,7	35,4	13	72,1	153,6
Гидроциклоны: Диаметром 75 мм	24	1250	42,5	57	2,35	0,935	60,5	66,45
Диаметром 250 мм	35	100	8,8	83	0,53	0, 194	83,73	84,96
Диаметром 350 мм	45	53	7,42	107	0,45	0,163	107,61	108,65

6. Указать особенности наладки и эксплуатации напорных гидроциклонов.

При наладке напорных гидроциклонов в зависимости от их назначения варьируется сечения различных насадок и напор перед аппаратом. В конструкции циклонов обычно предусмотрена возможность замены впускного и сливного патрубков, а также шламовой насадки.

Для повышения эффективности осветления сточных вод можно изменять сечение сливного патрубка шламовой насадки, а также напор перед аппаратом. В начале при постоянных отверстиях сливного патрубка и напоре перед аппаратом необходимо увеличивать диаметр шламовой насадки. Затем, не изменяя сечения шламовой насадки, следует изменять диаметр сливного патрубка. После этого целесообразно проверить эффективность работы циклона на разных режимах при изменении давления жидкости перед аппаратом.

При уменьшении диаметра шламовой насадки концентрация сгущенной пульпы возрастает, но при этом ухудшается качество осветленной воды.

Увеличение концентрации пульпы происходит и при увеличении давления перед аппаратом. Однако при этом следует учитывать возможность увеличения концентрации взвешенных веществ в осветленной воде.

При регулировании циклона следует стремиться к оптимальному режиму работы, при котором получаются наибольшая концентрация шлама и минимальный вынос взвешенных веществ с осветленной водой.

Список используемой литературы

1. Конструкции и расчет напорных гидроциклонов: Метод. Указ. /Состав.: А.К. Соловьев, С.Г. Коротков, Е.В. Медведская: СибГИУ. - Новокузнецк, 2001. - 49 с., ил.

2. Конструкции и расчет открытых гидроциклонов: Метод. Указ. /Состав.: А.К. Соловьев, С.Г. Коротков, Е.В. Медведская: СибГИУ. - Новокузнецк, 2001. - 49 с., ил.

Приложение

Рисунок 1 - Сводный график для расчета напорных гидроциклонов.

Рисунок 2 - Сводный график для расчета I ступени напорных гидроциклонов при осветлении сточных вод газоочистки доменных производств.

Рисунок 3 - График для расчета многоступенчатой установки для осветления сточных вод доменной газоочистки (Д=75 мм).