Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Предпосылки использования аэрационного эффекта для расширения эксплуатационных возможностей гидроциклонов 9
1.1. Общая характеристика аэрационного эффекта 10
1.2. Конструкции газожидкостных аппаратов гидроциклонного типа
1.2.1. Вихревые барботажные камеры 12
1.2.2. Циклонные аэраторы 13
1.2.3. Гидроциклоны для разделения газосодержащих жидкостей 16
1.2.4. Гидроциклоны-флотаторы
1.3. Закономерности гидродинамики закрученных газожидкостных потоков 21
1.4. Закономерности флотации в гидроциклонах 28
1.5. Выводы и постановка задач исследования 31"
Глава 2. Математическое моделирование эжекционного переноса газа в гидроци клонах с аэрационной камерой 32
2.1. Гидродинамика воздушного столба 32
2.2. Эжекционные характеристики воздушного столба
2.2.1. Относительный расход газа 36
2.2.2. Степень разрежения
2.3. Гидродинамика аэрационной камеры 40
2.4. Выводы 42
Глава 3. Экспериментальное исследование режимных параметров гидроциклонов с аэрационной камерой 43
3.1. Экспериментальная установка и методика эксперимента 43
3.2. Параметры воздушного столба 50
3.2.1. Геометрические параметры 50
3.2.2. Эжекционные характеристики 52
3.3. Параметры барботажного слоя 58
3.3.1. Гидродинамические режимы и структура барботажного слоя 5.8
3.3.2. Размеры пузырей
3.4. Расходные характеристики гидроциклона 66
3.5. Эффективность центробежного разделения в гидроциклоне 70
3.6. Эффективность флотации в аэрационной камере 72
3.7. Выводы 78 .
Глава 4. Практическая реализация результатов работы 79
4.1. Новые конструкции гидроциклонных аппаратов 79
4.2. Методика расчета гидроциклона-флотатора 81
4.3. Разработка и внедрение гидроциклона-флотатора в установке очистки конденсата производства органического стекла 88
4.4. Разработка схемы узла очистки маслосодержащих сточных вод 90
Основные результаты и выводы 92 "
Литература
- Вихревые барботажные камеры
- Относительный расход газа
- Гидродинамические режимы и структура барботажного слоя
- Разработка и внедрение гидроциклона-флотатора в установке очистки конденсата производства органического стекла
Вихревые барботажные камеры
Пневмогидравлические циклонные аэраторы представляют собой центробежные форсунки, в которые жидкость (пульпа) подводится от насоса под давлением 0,1-0,2 МПа, а воз- " дух подается от воздуходувки или всасывается из атмосферы.
Принцип действия циклонного аэратора подобен принципу действия центробежных форсунок, теоретические основы которых детально разработаны Г.Н. Абрамовичем [76]. При тангенциальной подаче в камеру закручивания жидкость приобретает вращательное движение и далее поступает в сопло. При выходе из сопла форсунки жидкие частицы, на которые прекратилось действие центростремительных сил, разлетаются, образуя расходящийся факел. В сопле центробежной форсунки образуется воздушный вихрь, одним основанием упирающийся в заднюю стенку камеры закручивания, а другим сообщающийся с атмосферой.
Течение жидкости в сопле происходит через кольцевое сечение между стенкой сопла, и воздушным вихрем. Воздушный вихрь имеет на задней стенке камеры закручивания минимальный диаметр; по мере приближения к соплу диаметр воздушного вихря постепенно увеличивается. В цилиндрической части сопла диаметр воздушного вихря постоянен и лишь на выходе из него вихрь расширяется, переходя во внутреннюю поверхность жидкостной пленки.
В циклонных аэраторах, применяемых во флотационных машинах, в центр вихря вводится воздух, который диспергируется вследствие турбулентных пульсаций, возникающих на границе между воздушным вихрем и вращающейся жидкостью, а также при ударе газожидкостного потока о дно или стенку камеры.
В аэраторе [5], показанном на рис. 1.4, а, в качестве рабочей среды используется пульпа, подаваемая под давлением до 0,2 МПа. Он выполнен в виде гидроциклона, в который вместо сливного отверстия вставлен патрубок для подачи реагентно-воздушной смеси. В состав аэратора входят патрубок 1 для тангенциальной подачи питания, труба 2 для подачи реагентно-воздушной смеси, патрубок 5, распределитель 4, разгрузочные патрубки 5, сопло 6 и корпус 7. Предложено также подавать воздух непосредственно в рабочее пространство лопастного насоса, перекачивающего пульпу во флотационную машину обычной конструкции. Аэрацию в вихревой камере осуществляют и во флотационных машинах [81], [110].
На рис. 1.4, б представлена конструкция комбинированного пневмогидравлического аэратора [6], сочетающего в себе элементы аэраторов струйного и вихревого типов. Аэратор состоит из корпуса 5 цилиндроконической формы, тангенциально подведенного патрубка б для подачи исходного питания, патрубка 3 для слива, распределителя пульпы 4, патрубка 2 для ввода реагентно-воздушной смеси и дополнительного патрубка 1 для слива. Аэратор работает следующим образом. Исходная пульпа по патрубку 6 под давлением поступает в аэратор, в нижней части которого встречается с реагентно-воздушной смесью, и через распределитель пульпы попадает в камеру флотационной машины.
Японскими исследователями проведены эксперименты с аэратором циклонного типа, в который принудительно одновременно подавали жидкую и газовую фазы (режим пневмо-гидравлической аэрации). Из результатов исследований следует, что степень аэрации при постоянном давлении воздуха быстро возрастает с увеличением расхода пульпы [53, 61].
Австралийской фирмой «Зинк Корпорейшен» разработана флотационная машина «Давкра» с циклонным аэратором [94] (см. рис. 1.5, а), успешно применяемая на зарубежных обогатительных фабриках. Благодаря более эффективному диспергированию воздуха в машине можно значительно повысить ее удельную производительность по сравнению с пнев- .
Аэратор, обеспечивающий эффективную аэрацию плотных пульп (до 60 % твердого), расположен непосредственно у места ввода пульповоздушной смеси в нижнюю часть камеры. В него поступают пульпа под давлением и поток сжатого воздуха. Для повышения равномер- " ности аэрации напротив места ввода в камере установлена отражательная перегородка.
Особенность циклонного аэратора, установленного во флотационной машине «Хейл- пат-Миллер» [103] (рис. 1.5, б), заключается в подаче дополнительного воздуха в кольцевой зазор в стенке конической части циклона через специальный патрубок и в установке конической перфорированной насадки, вызывающей дополнительное дробление пузырьков. Аэра- тор имеет следующие параметры: диаметр цилиндрической части 30 см, высота 20 см, диаметры входного патрубка и нижнего (выходного) отверстия 10 см, высота конической части 15 см, угол конусности насадки 140, диаметр насадки в нижней части 90 см, давление пульпы 70—220 кПа, давление воздуха 15 кПа. Давление подаваемой в аэраторы пульпы целесообразно увеличивать по мере перемещения от первой камеры к последней, поскольку средняя флотируемость убывает от камеры к камере. Для обеспечения эффективного обогащения рекомендуется увеличивать газосодержание вдоль фронта флотации.
По сравнению с известными конструкциями центробежных газожидкостных сепараторов, гидроциклоны-дегазаторы являются более эффективным оборудованием, процесс дегазации в которых проходит более интенсивно.
Принцип действия этих аппаратов основан на резком снижении давления газонасыщенной жидкости на входе в гидроциклон. При этом из жидкости в виде пузырьков начинает активно выделяться газовая фаза. За счет центробежной силы пузырьки движутся в направлении воздушного столба и выводятся из аппарата.
Гидроциклон [42], представленный на рис. 1.6, а, работает следующим образом: исходная газосодержащая смесь поступает через тангенциальный питающий патрубок 1 под давлением и закручивается. Под действием центробежной силы пузыри собираются в центральной части аппарата, жидкость движется по спирали вниз, при этом продолжается выде-. ление пузырьков газа за счет сильной турбулизации потока и возрастающего перепада давления. В нижней части аппарата газожидкостная эмульсия проходит между направляющими лопатками 2, дополнительно закручивается и делится на тонкие слои, в которых скорость выхода пузырей превышает скорость их уноса с потоком жидкости. Нижний срез централь- ной трубы 3 находится внутри конического днища. Такая установка центральной трубы обусловлена наличием в аппарате циркуляционных контуров, в которых находится жидкость с -повышенным содержанием растворенных газов. В циркуляционных зонах аппарата может вторично происходить растворение мелких пузырьков, когда циркуляционный поток входит в зону повыщенного давления вблизи стенки корпуса аппарата. При размещении нижнего среза центральной трубы в цилиндрическом корпусе возможно значительное увеличение концентрации растворенного газа в дегазированном потоке жидкости за счет попадания в центральную трубу газонасыщенного потока из циркуляционных контуров аппарата. С целью уменьшения возмущения, которое оказывает патрубок для отвода дегазированной жид 1
Гидроциклоны-дегазаторы а - авт. свид. СССР № 1465123; б - авт. свид. СССР № 987184 кости 4 на движение вращающегося потока, он выполнен в виде спирали по ходу вращения жидкости. Разделительные конусы 5, 6 имеют цилиндрические бортики, которые в зависимости от расхода жидкости открывают или закрывают тангенциальные прорези 7 в центральной трубе. Газовый поток проходит через центральную зону аппарата и выводится через патрубок для отвода газа 8. Отделение от газового потока капель жидкости осуществляется с помощью верхнего разделительного конуса 6. Изменение давления на входе в аппарат вызывает соответствующее изменение размеров прорезей 7 в центральной трубе, и автоматически устанавливается необходимый в новых условиях технологический режим работы аппарата.
Качество очистки жидкости от растворенного и диспергированного газа в гидроци- клонах-дегазаторах во многом зависит от конструкции газоотводящего устройства. На рис. 1.6, б, показана конструкция гидроциклона-дегазатора с улучшенными условиями отвода га- зовой фазы из аппарата. Это достигнуто за счет использования эжектора 1, в который через газоподводящую трубку 2 подается транспортный газ.
Относительный расход газа
Экспериментальные исследования проводили на установке (рис. 3.1), состоящей из смесителя 1 емкостью 0,15м , центробежного насоса 2, экспериментального гидроциклона 3 и контрольно-измерительной аппаратуры.
Исходную суспензию приготавливали в смесителе 1, снабженном охлаждающей ру- башкой и перемешивающим устройством пропеллерного типа с регулируемой скоростью вращения. Температуру суспензии в смесителе в процессе опытов поддерживали постоянной (20С) регулированием вентиля В і и контролировали по показаниям термометра 4.
Расходы суспензии на входе в гидроциклон, в сливной и всасывающей линиях регулировали соответственно вентилями Вг, Вз, В4, В5. Давление в соответствующих линиях измеряли с помощью манометров 5, б я мановакууметров 7, 8.
Отбор проб исходной суспензии осуществляли с помощью крана Крь отбор проб ос ветленной жидкости, сгущенной суспензии и флотопродуктов производили методом отсече ния потока при помощи гибкого шланга. , Работы на установке проводили следующим образом. Перед проведением опытов смеситель 1 заливали водой необходимой температуры через вентили Вб, В7. Уровень воды в_ смесителе контролировали уровнемерной трубкой 9. Затем при открытом вентиле Вг включали перемешивающее устройство и насос, и в смеситель через верхний штуцер загружали навеску твердого продукта. Через 10-15 мин. открывали вентиль Bs и суспензию подавали в гидроциклон 3. Выводимые из гидроциклона продукты разделения возвращались в смеситель.
Исследования гидродинамических режимов в гидроциклоне проводились на изготовленном из прозрачного органического стекла аппарате диаметром 75 мм, конструкция которого показана на рис. 3.2. Гидроциклон состоит из цилиндрического корпуса 1 с плоской крышкой и тангенциальным входным патрубком, снабженным сменным вкладышем 2, цилиндрической проставки 3, конуса 4 и сливной камеры 5 с тангенциальным выходным патрубком. Конус гидроциклона заканчивается Песковым патрубком б с эластичным элементом, что позволяет плавно изменять площадь его проходного сечения. В верхней части корпуса 1-устанавливается сменный сливной патрубок 7. Через штуцер в крышке сливной камеры вводятся сменные осевые трубки 8, предназначенные для подачи воздуха в осевую зону гидроциклона.
Исследования геометрических параметров и эжекционных характеристик воздушного столба, параметров барботажного слоя и влияния вихревого аэрирования на разделительный процесс проводили на том же гидроциклоне, снабженном выходными вихревыми камерами диаметром 80 мм.
Для исследования возможности проведения в гидроциклоне процесса центробежного разделения, совмещенного с последующей флотацией потока осветленной жидкости использовали экспериментальный гидроциклон, снабженный флотационной камерой (см. рис. 3.3). Камера состоит из цилиндрического корпуса 1 с плоским днищем 2, к которому с помощью резьбовой втулки 3 присоединяется экспериментальный гидроциклон 4. Воздушный столб разбивается в камере аэрации 5, образуя развитый пузырьковый слой. Флотация происходит в цилиндрической камере б, для преобразования вращательного движения флотируемой жидкости в восходяще-поступательное предусмотрена вертикальная перегородка из про- зрачного органического стекла 7. Флотопродукты удаляются через радиальный выходной штуцер в сборнике 8, дополнительно осветленная жидкость - через тангенциальный выход- ной штуцер в корпусе 1.
Геометрические характеристики экспериментального гидроциклона и аэрационных камер приведены в таблицах 3.1. и 3.2.
В ходе опытов измеряли следующие параметры: давление во входной, сливной и всасывающих линиях, расходы суспензии во входной, сливной линиях, линиях отбора флото-продуктов и сгущенной суспензии, расход воздуха во всасывающих линиях, объемные концентрации твердой фазы в исходной суспензии, сгущенной суспензии, осветленной жидкости и флотированного потока, гранулометрический состав твердой фазы разделяемых суспензий, диаметр воздушного столба и параметры барботажного слоя в камере по результатам компьютерной обработки видеокадров. ірщріітійщ;
Пример компьютерной обработки видеокадра Давление во входной, сливной и всасывающих линиях замеряли соответственно образцовыми манометрами МО-160 с диапазонами измерений 0 - 0,6 МПа и 0-0,1 МПа и ма-новакууметрами МВТП-160 с диапазоном измерений от -0,1 до +0,06 МПа. Расходы суспензии измеряли объемным методом: на входе в гидроциклон - с помощью счетчика количества. жидкости ВТ-50; в линиях осветленной жидкости, сгущенной суспензии и флотопродуктов -с помощью мерных емкостей объемом 10, 5 и 3 л; во всасывающих линиях - с помощью ба- рабанного газосчетчика ГСБ-400 (см. поз. 10 на рис. 3.1). Время изменения объема среды замеряли секундомером СДСПр-1. Измерение расходов производили трижды в каждом эксперименте.
Объемные концентрации твердой фазы в исходной суспензии свх, в осветленной жидкости ссл, в сгущенной суспензии с„ и в потоке флотационной пены Сф определяли по методике [51]. Усредненные пробы каждого из продуктов получали путем суммирования трех отобранных через небольшие промежутки времени проб. Объем каждой усредненной пробы измеряли мерным цилиндром по ГОСТ 1770-74 с диапазоном измерения 20 - 250 мл. Усредненные пробы фильтровали через беззольные бумажные фильтры. Перед отбором проб фильтры, помещенные в бюксы, высушивали в вакуум-сушильных шкафах до постоянного веса, охлаждали в эксикаторе и взвешивали на лабораторных весах ВЛР-200. После фильтро- вания бюксы с фильтрами, содержащими осадок, вновь высушивали при температуре 105С до постоянного веса, охлаждали и взвешивали. По разнице весов бюкса с фильтром до и после фильтрования определяли вес осадка. По известному объему пробы и весу твердого в пробе определяли концентрацию твердой фазы в суспензии в кг/м .
Измерение геометрических параметров воздушного столба и размеров пузырей в бар-ботажном слое проводили по методике [32]. Исследуемый участок закрученного течения снимали на цифровую видеокамеру Panasonic NV-DX100EN формата SVHS в импульсном освещении лампы электронного строботахометра ТСт-100. Частоту вспышек подбирали таким образом, чтобы на видеозаписи отсутствовали "черные" кадры. Затем полученную видеоинформацию преобразовывали в видеофайл Windows формата .avi, из которого в среде графического редактора Corel 9.0 PhotoPaint выбирали характерные кадры. Полученные одиночные изображения преобразовывали в графический формат .jpg и подвергали измерениям в редакторе AutoCAD 2000І.
Гидродинамические режимы и структура барботажного слоя
Результаты опытов по изучению влияния эжекции воздуха на гидравлическое сопро-тивление гидроциклона приведены на рис. 3.23 - 3.27.
Из приведенных данных следует, что прекращение подачи воздуха в воздушный столб приводит к некоторому снижению коэффициента гидравлического сопротивления гидроциклона С, (рис. 3.23). Наиболее заметно этот эффект проявляется при низких входных давлениях, что подтверждает результаты опытов [30]. При увеличении полезной разности давлений наблюдается общая тенденция к стабилизации коэффициента гидравлического сопротивления, что вполне согласуется с экспериментальными данными [31] и подтверждает вывод о наступлении автомодельного режима при больших расходах жидкости.
Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от разгрузочного соотношения в свободном и затопленном режимах носит одинаковый характер (рис. 3.24): в интервале А хл коэффициент не меняется. При А %А наблюдается его уменьшение. Такой
вид экспериментальных кривых вполне согласуется с расчетной зависимостью [31].
Способ сообщения воздушного столба с атмосферой (ввод воздуха через открытое песковое отверстие либо через верхнюю или нижнюю осевые трубки, вводимые в песковую или сливную камеру) практически не оказывает влияния ни на гидравлическое сопротивление гидроциклона, ни на распределение выходных потоков.
Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по распределению потоков в гидроциклоне подтверждает адекватность расчетных зависимостей [30]. При переходе от свободного режима к затопленному расход песков уменьшается (рис. 3.25), причем, наиболее существенно - при диаметрах пескового отверстия, близких к диаметру воздушного столба. При больших А этот эффект ослабевает и при А = 1 исчезает вовсе.
Увеличение входного давления и в свободном, и в затопленном режимах вызывает слабое уменьшение расхода сгущенной суспензии (рис. 3.26), а увеличение концентрации разделяемой суспензии - слабый рост Q„ (рис. 3.27), что также согласуется с данными [30]. Ґ
Исследование влияния эжекции воздуха на эффективность центробежного разделения суспензий проводили на гидроциклоне Dr=40MM; Л = 0,58 с аэрационной камерой DK = 40 мм ; Нк - 20 мм при рвх = 0,3 МПа на водных суспензиях мела и суспензионного ПВХ. В опытах варьировали диаметр пескового отверстия и режим разгрузки выходных потоков (свободный, затопленный). Качество разделения оценивали двумя показателями: эф Т Ж фективностью осветления г)осв = —— и эффективностью сгущения гсг = —— . Результаты опытов, представленные на рис. 3.28, позволяют заключить следующее. Увеличение разгрузочного отношения как при свободной, так и при затопленной раз- грузке потоков приводит к росту эффективности осветления и одновременному росту уноса. жидкой фазы в пески, что вполне согласуется с экспериментальными данными [54, 78].
Начиная с разгрузочных отношений, близких к величине относительного диаметра воздушного столба А = %в (см. рис. 3.28), наблюдается существенное снижение эффективности сгущения и одновременный рост эффективности осветления. Этот факт позволяет интер-. претировать величину %в как условную границу, разделяющую области работы гидроциклона в качестве сгустителя (А хв) и осветлителя (А %в).
При любом фиксированном значении разгрузочного отношения (кроме значений. близких к 1) затопленный режим по сравнению со свободным дает лучшие показатели по сгущению, но худшие по осветлению. Вместе с тем, можно заметить, что при переходе от свободного режима к затопленному всегда могут быть обеспечены практически те же показатели сгущения и осветления путем увеличения диаметра пескового отверстия. Другими словами, при равных отношениях выходных потоков при свободном и затопленном режимах обеспечиваются практически равные показатели эффективности осветления и сгущения суспензий.
Таким образом, можно сделать вывод, что ограничение доступа воздуха в осевую зону гидроциклона не влияет на процесс центробежной сепарации, но, вместе с тем, приводит к перераспределению расходов несущей среды между разгрузочными отверстиями и поэтому может использоваться как способ регулирования отношения выходных потоков. Пос.,% " ncr,% 80 2 60 Знак Режим Л Свободный - А Затопленный 40 7V- 20 А-= її! і і
Опыты по изучению процесса флотации проводили на экспериментальном гидроциклоне-флотаторе, конструкция которого показана на рис. 3.3. Геометрические параметры экспериментального аппарата приведены в таблице 3.3.
Конструктивный элемент аппарата Геометрические параметры Значения параметров Гидроциклон Параметр закрутки ЛДиаметр корпуса Д, ммДиаметр входного отверстия DBX, ммДиаметр сливного патрубка Dcn, ммВысота цилиндрической части Яц, ммДиаметр пескового отверстия D„, ммУгол конуса 2а, 0,573 75 17 18 150 8 20
Флотационная камера Диаметр камеры Z)K, ммВысота камеры Нк, ммДиаметр аэрационного стакана Д,, ммВысота аэрационного стакана На, ммВысота установки камеры от дна Но, мм 150450801055
В первой серии опытов были проведены испытания гидроциклона-флотатора на суспензиях с различными дисперсными материалами при неизменном входном давлении рвх = 0,2 МПа . Результаты опытов приведены в таблице 3.4.
Приведено значение медианной длины частиц. Из таблицы следует, что во всех случаях флотация дает дополнительное снижение уноса твердой фазы с осветленной жидкостью. Широкий разброс полученных значений щ свидетельствует о значительном влиянии физической природы, размеров и формы частиц на эффективность флотации. Максимальная эффективность (30,5 %) достигнута при улавливании крупных шарообразных частиц суспензионного поливинилхлорида, минимальная (5,5 %) - при улавливании волокон целлюлозы.
В следующей серии опытов изучалось влияние входного давления и концентрации дисперсной фазы на эффективность флотации жидких неоднородных систем. В опытах использовали три модельные системы: суспензию вода - эмульсионный ПВХ, эмульсию вода -моторное масло и трехфазную систему вода - моторное масло - суспензионный ПВХ.
Результаты опытов представлены на рис. 3.29 - 3.31 ив приложениях 7 - 9. Для наглядности вместе с графиками эффективности флотации Лф(/Лх) приведены данные по эф- фективности центробежного разделения в гидроциклоне: на рис. 3.29, 3.31 - по эффективности улавливания твердой фазы Цг{рвх), на рис. 3.30 - по уносу дисперсной фазы в слив
Опыты показали следующее.
1. При пуске аппарата в работу возникает автоколебательный режим, при котором пё- . риодически происходят залповые выбросы газа (период колебаний - 15- 30 секунд). Для перехода к барботажному режиму приходится создавать противодавление на сливе и затем плавно снижать его.
2. Во всей исследованной области давлений и концентраций флотация дает положительный эффект, приводя к снижению содержания дисперсной фазы в осветленном потоке.Максимальное относительное снижение уноса на суспензии составило 40,3 %, на эмульсии -31 %, на трехфазной системе Ж-Ж-Т - 50,2 % (по маслу). В последних двух случаях концен- трация масла в пенном продукте достигала весьма высоких значений (до 97 - 98 % об.), что следует считать дополнительным плюсом в пользу испытанной конструкции.
3. Сравнительно невысокие результаты по эффективности флотации можно объяснить слишком малым объемом флотационной камеры, высокой турбулентностью в зоне флота- ции, большим уносом газа с осветленным потоком. С другой стороны, именно таким уровнем (ЗО-М-О %) обычно ограничивается эффективность механической безреагентной флота
Разработка и внедрение гидроциклона-флотатора в установке очистки конденсата производства органического стекла
Формулы (4.12) - (4.14) используют при выполнении поверочного расчета, целью которого является определение эффективности разделения в гидроциклоне заданного типоразмера.
При выполнении проектного расчета выбирают необходимый типоразмер гидроциклона по заданной производительности и эффективности разделения. Решение этой задачи состоит из двух этапов: вначале выполняют расчет диаметра D и подбирают нужный типоразмер гидроциклона, а затем показатели разделения уточняют по формулам (4.12) - (4.14).
На первом этапе расчета функцию Г)() рассматривают в первом приближении как функцию логарифмически нормального распределения с граничной крупностью разделения 5 50 и дисперсией а . Дисперсия распределения оц зависит от геометрических пропорций гидроциклона. Для гидроциклонов серий ТВ и ТВП ее можно принять равной а = 1,5 . Граничную крупность разделения п=50, (т. е. размер частиц, улавливаемых на 50 %) определяют по формуле 5 50=5 0- , (4.15) где 550 и о - характеристики дисперсного состава исходной суспензии (медианный размер частиц и дисперсия распределения); х - аргумент интеграла вероятности 2 х ( t2 f(x) = —j= Jexp dt [25], связанного с эффективностью разделения формулой 2л 0 V 2 ; f(x) = 2E-l. (4.16) После нахождения граничной крупности разделения 8 50 вычисляют диаметр гидроциклона, обеспечивающего фракционную эффективность улавливания л = 0,5 . Подставляя значение г\ = 0,5 в формулу (4.14) и выражая из нее диаметр гидроциклона, находят D К(рч -РКХ5О =Н1 К(?Ч -РКХ55О (417) v ln(li) kvn Входным давлением рвх задаются исходя из характеристик имеющегося насосного оборудования (обычно - в пределах 0,2 4- 0,4 МПа). Скорость во входном патрубке гидроциклона вычисляют по формуле: Уп=]гРп Ро (4.18)
Найденное по формуле (4.17) значение Д- уменьшают до ближайшего значения из ти-поразмерного ряда (25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 150, 200, 250, 300 мм), после чего показатели разделения уточняют по формулам (4.12) - (4.14). Эффективность флотации мелких частиц коллективом пузырьков вычисляют по фор муле, полученной путем корректировки формулы Н.Н. Рулева с соавторами [68]: =1-ехр ґ 0,4бМ Л V 8П ; (4.19). где qs относительный расход воздуха; є3 - эффективность захвата частицы пу зырьком, при флотации мелких частиц (8Ч « 5П) представляемая разложением vSny (4.20) Значения коэффициентов А\, Аг в зависимости от числа Рейнольдса пузырька и наличия на поверхности пузырьков поверхностно-активных веществ приведены в таблице 4.3.
Интервал чисел Ren Наличие ПАВ на поверхности пузырьков Значения коэффициентов Ах А2 Поверхность пузырьков свободна от ПАВ 1 Поверхность пузырьков заторможена адсорбционным слоем ПАВ 0 1 » 1 Поверхность пузырьков свободна от ПАВ 2 -4
Адекватность методики расчета проверена сопоставлением результатов расчета с нашими опытными данными. Сопоставление проведено в следующих интервалах конструктивных и технологических факторов: D = 50-80 мм; Л = 0,25—1,54; /звх = 0,2-0,4 МПа; рч = 1400— 2650 кг/м3; 550 = 4-120 мкм; свх 10 кг/м . Максимальное расхождение расчетных и опытных значений эффективности разделения не превысило 30 %.
Пример расчета гидроциклона-флотатора приведен в приложении 11. 4.3. Разработка и внедрение гидроциклона-флотатора в установке очистки конденсата производства органического стекла
В производстве органического стекла (ОАО «Дзержинское оргстекло», цех 3 ОС) очи- .. стка конденсата от механических загрязнений осуществлялась на тарельчатых и патронных фильтрах периодического действия. Обследование узла очистки показало, что фильтры не обеспечивали необходимую эффективность очистки и, кроме того, быстро загрязнялись, требуя ежесменной замены фильтровальных материалов.
С целью устранения существующих недостатков были разработаны мероприятия по медернизации узла очистки конденсата, предусматривающие использование гидроциклона для предварительной очистки конденсата перед фильтрами.
Для выделения загрязнений в данном случае в дополнение к гидроциклонированию оказалось целесообразным применить флотацию, так как конденсат, подаваемый на очистку, имеет высокую температуру (70...80С) и пониженное поверхностное натяжение (а 0,065Н/м), а как известно [90], безреагентная флотация мелкодисперсных взвесей идет эффективно именно при условии а 0,6...0,065 Н/м. В связи с этим, в основу разработки гидроциклонного аппарата для очистки конденсата была положена конструкция гидроциклона-флотатора (рис. 4.1, а). Расчет показал, что условиям технического задания удовлетворяет гидроциклон диаметром 40 мм с флотационной камерой диаметром 120 мм.
Схема модернизированного узла очистки приведена на рис. 4.2. Конденсат пара высо- кого и низкого давления, проходя кожухотрубчатые холодильники 1, 2 поступает в сборники 3, откуда центробежным насосом б через теплообменник 4 подается на предварительную очистку в гидроциклон-флотатор 7. Сгущенная суспензия и пенный продукт из гидроциклона-флотатора направляются в канализацию, а осветленная жидкость подается на тонкую очистку в четырехступенчатую фильтровальную установку, состоящую из трех тарельчатых фильтров 8 и патронного фильтра 9. Окончательно очищенный конденсат направляется на участок формования органического стекла для промывки листовых форм.
Промышленные испытания модернизированного узла очистки конденсата показали, (см. табл. 4.4), что данный узел обеспечивает эффективное улавливание механических загрязнений. Из приведенных данных видно, что использование гидроциклона позволило значительно снизить унос загрязнений с очищенным конденсатом. Благодаря повышению эффективности очистки конденсата увеличился срок службы фильтровальных материалов в тарельчатых и патронных фильтрах, а также повысилось качество производимого органического стекла. Справка об использовании результатов НИР приведена в приложении 12. на мойку воздушного отделения
Полученные экспериментальные данные по разделению трехкомпонентной системы Ж-Ж-Т послужили основой при разработке принципиальных технологических схем узлов очистки маслосодержащих сточный вод автомоечных станций.
Установки очистки сточных вод станций мойки автомобилей представляют собой цепь последовательно соединенного сепарационного оборудования. Наиболее типичны схемы «напорный гидроциклон - безнапорный гидроциклон - тонкослойный отстойник - керамзитовый фильтр» и «напорный гидроциклон - отстойник - флотатор - керамзитовый фильтр». Как правило, эти установки занимают большие производственные площади и по- требляют значительное количество энергии. Предлагаемые конструкторские решения направлены на снижение этих показателей за счет исключения из схем габаритного низкоинтенсивного оборудования и замены его на гидроциклоны-флотаторы. Кроме того, применение гидроциклонов-флотаторов позволит снизить нагрузку на последующее оборудование, что благоприятно скажется на общей эффективности установки.
Схема модернизированного узла очистки приведена на рис. 4.4. Сточные воды подаются центробежным насосом в гидроциклоны-флотаторы 7, где происходит предварительная-очистка от крупных минеральных примесей и нефтепродуктов. Песок и тяжелые примеси выгружаются в бункер сбора осадка 2 и выводятся из установки. Флотопродукты, содержащие концентрированное масло и нефтепродукты, отводятся в емкость 5. Осветленная жидкость подается в тонкослойный отстойник 3, где происходит ее дальнейшая очистка. После него возникает необходимость очистки промывных вод, для чего применяются керамзитовые фильтры б.
