Проектирование, расчет, особенности эксплуатации систем защиты среды обитания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВОЙ ПРЕКТ

по дисциплине «Системы защиты среды обитания»

на тему

«Проектирование, расчет, особенности эксплуатации систем защиты среды обитания»

по варианту:«Напорные гидроциклоны»



Введение

Вода - одно из самых распространенных веществ на Земле . Водная оболочка покрывает 70,8% земной поверхности, 96,5% гидросферы сосредоточено в океанах и морях, 1,74% - в полярных и горных ледниках и лишь 0,45% - в пресных водах - озерах, реках и болотах. Однако на свои нужды, вполне естественно, человечество использует, как правило, пресные воды, запас которых, весьма ограничен. И для того чтобы сохранить пресную воду, которая так необходима человеку для жизни, нужно уже сейчас задуматься о её рациональном использовании. Ошибочно считается, что в распоряжении человечества находятся неисчерпаемые запасы пресной воды и что они достаточны для всех нужд. Это было глубоким заблуждением. Человечеству не угрожает недостаток воды. Ему грозит нечто худшее - недостаток чистой воды [1].

Очистка сточных вод - обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода) [2].

Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические, когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным. В данной курсовом проекте более подобно рассмотрена механическая очистка сточных вод [4]. Этот метод очистки применяют преимущественно как предварительный. Механическая очистка обеспечивает удаление взвешенных веществ из бытовых сточных вод на 60-65%, а из некоторых производственных сточных вод на 90-95%. Задачи механической очистки заключаются в подготовке воды к физико-химической и биологической очисткам. Механическая очистка сточных вод является в известной степени самым дешевым методом очистки [1]. Говоря о дешевых и эффективных методах очистки нельзя не упомянуть гидроциклоны.

Гидроциклон (от греч. hydor - вода и kyklon - кружащийся, вращающийся) - аппарат для разделения в жидкой среде зернистых материалов, различающихся плотностью или крупностью составляющих частиц. Благодаря несложной конструкции, малым размерам, простоте эксплуатации и высокой эффективности находят широкое применение в различных областях промышленности, в т.ч. в качестве классификаторов и сепараторов в горнорудной, как осветлители в химической и нефтехимической промышленности, гидрометаллургии [2].

В ходе написания данного курсового проекта мною были рассмотрены и изучены следующие разделы:

- Предназначение аппаратного устройства, где подробно рассмотрена классификация гидроциклонов: по форме корпуса; по взаимному направлению движения выходных потоков; по количеству выходных потоков; по способу сообщения разделяемой среде вращательного движения;

- Устройство напорного гидроциклона с подробной схемой аппарата;

- Проектирование сооружений и аппаратов механической очистки -гидроциклонов, и в частности напорных гидроциклонов. Рассмотрены основные данные необходимые для проектирования аппарата; материалы для изготовления конструкций;

- Расчет многоярусного гидроциклона с центральным выпуском по данным выданным на курсовой проект;

- Условия эксплуатации, регенерации. Выявлены проблемы износоустойчивости конструкции, приведены альтернативные материалы для изготовления аппаратов.

В конце проекта написан вывод о проделанной работе. Имеются графические работы: батарейных, многоярусных и напорных гидроциклонов.

1. Формирование исходной информации

Для написания данного курсового проекта мною было обработано большое количество информации, найдены различные издания, изучена научно-техническая литература, выбраны СНиПы и методические указания к ним соответствующие теме курсового проекта.

Из всего объема источников хотелось бы выделить основную литературу, которая способствовала формированию каждого раздела:

- Предназначение аппаратного устройства: учебное пособие «Очистка сточных вод» Соколов М.П.; - где подробно рассмотрена классификация гидроциклонов;

- Устройство напорного гидроциклона: Терновский И. Г. «Гидроциклонирование»; Веселов, Ю.С. «Водоочистное оборудование: Конструирование и использование»;

- Проектирование сооружений и аппаратов: Веселов, Ю.С. «Водоочистное оборудование: Конструирование и использование»; Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Санитарные правила и нормы. СанПиН 2.1.4.559-96;

- Расчет многоярусного гидроциклона: Справочник "Основы конструирования и расчета технологического и природоохранного оборудования"А.С. Тимонин; СНиП 2.04.03-85; методические указания к СНиП 2.04.03-85; Терновский И. Г. «Гидроциклонирование»;

- Условия эксплуатации, регенерации. Бауман А. В. Исследование износоустойчивости конструкционных материалов для производства гидроциклонов, мною были выбраны тезисы докладов 4-ой Международной научно- технической конференции молодых специалистов и ученых, В конце проекта написан вывод о проделанной работе на основе полученных знаний.



2. Предназначение аппаратного устройства

Гидроциклоны представляют класс вихревых аппаратов, предназначенных для разделения жидких неоднородных систем (суспензий, нестойких эмульсий и газосодержащих жидкостей) в поле центробежных сил. Благодаря простоте конструкции, компактности, высокой удельной производительности и надежности гидроциклоны получили широкое распространение в химической, нефтедобывающей, горнорудной, пищевой отраслях промышленности, в энергетике, металлургии, а также в системах очистки промышленных и бытовых сточных вод [3]. Эти аппараты выгодно отличает возможность применения в непрерывных замкнутых технологических циклах и в безотходных производствах с обеспечением сравнительно высокого качества разделения смесей. Фактор разделения в гидроциклонах составляет 500...2000, а в высоконапорных гидроциклонах и мультициклонах - до 5000. Гидроциклоны используются в процессах осветления сточных вод, сгущения осадка, обогащения известкового молока, отмывки песка от органических веществ, в том числе нефтепродуктов и жира, т.е. в нефтепромыслах, автохозяйствах, стекольных, литейных производствах и др [5].

При осветлении сточных вод аппараты малых размеров обеспечивают больший эффект очистки. При сгущении осадков минерального происхождения следует применять гидроциклоны больших диаметров (свыше 150 мм). Для механической очистки сточных вод от взвешенных веществ допускается применять открытые и напорные гидроциклоны. Открытые - для выделения всплывающих, оседающих грубодисперсных примесей гидравлической крупностью свыше 0,2 мм/с и скоагулированной взвеси и напорные - для выделения из сточных вод грубодисперсных примесей минерального происхождения. Для расчета и проектирования установок с открытыми циклонами задаются те же параметры по воде и загрязнениям, что и для отстойников. Гидравлическая крупность частиц, которые надо выделить для обеспечения требуемого эффекта очистки, определяется при высоте слоя воды, равном 200 мм. Для многоярусных гидроциклонов слой отстаивания должен быть равен высоте яруса [8].

Выделение примесей из сточных вод эффективно осуществляется под действием центробежных и центростремительных сил в открытых и напорных гидроциклонах. Открытые гидроциклоны применяют для выделения из суспензий частиц диаметром >0,1 мкм при очистке грубодиспергированных примесей [6].

2.1 Классификация гидроциклонов

По назначению различают [4]:

- гидроциклоны-осветлители для очистки жидкостей от твердых включений;

Гидроциклоны-сгустители для сгущения суспензий до высоких концентраций (50... 90 %);

- гидроциклоны-классификаторы для жид - кофазного разделения дисперсных материалов по размерам, плотности или форме частиц;

- гидроциклоны для разделения эмульсий; гидроциклоны-дегазаторы для очистки жидкостей от растворенных и диспергированных газов;

- гидроциклоны для проведения комбинированных процессов, сочетающих механическое разделение с тепло-, массообменом, флотацией, химическими реакциями и др.

Кроме того, гидроциклоны классифицируют [2]:

По форме корпуса - гидроциклоны цилиндроконические (рис. 1, а, в) и цилиндрические (рис. 1, г, д);

По взаимному направлению движения выходных потоков - противоточные (рис. 1, я, г) и прямоточные (рис. 1, в, д);

По количеству выходных потоков - двух - продуктовые (рис. 1, а-д), трехпродукто - вые (рис. 1, е) и т. д.;

По способу сообщения разделяемой среде вращательного движения - напорные (рис. 1, а), низконапорные, или открытые (рис. 1, б) и роторные, или турбоциклоны (рис. 1, е).

В напорных гидроциклонах разделяемая среда поступает под избыточным давлением 0,2...0,4 МПа и выше. Вращательное движение среды создается вследствие ее тангенциального ввода в гидроциклон. Напорные гидроциклоны обычно имеют небольшие размеры и используются для разделения тонкодисперсных суспензий [9].

Рис. 1. Схемы гидроциклонов: А - цилиндроконического напорного; б - низконапорного; в - прямоточного турбоциклона; г, д - цилиндрических противоточного и прямоточного для разделения эмульсий; е - трехпродуктового; / - исходная суспензия; II - исходная эмульсия; III - осветленная жидкость; IV - сгущенная фаза; V - тяжелая фаза; VI - продукты разделения



В низконапорных гидроциклонах разделяемая среда поступает самотеком или под небольшим избыточным давлением, близким к гидростатическому. Низконапорные гидроциклоны имеют габаритные размеры, сопоставимые с размерами цилиндрических вертикальных отстойников. Их применяют для очистки воды от грубодисперсных механических примесей [8].

В турбоциклонах вращение разделяемой среды обеспечивается встроенной турбинкой.

При больших расходах разделяемой среды гидроциклоны компонуют в батарейные аппараты (прил. 1). По способу компоновки различают батарейные гидроциклоны с блочной и раздельной компоновкой гидроциклонных модулей [9]. Блочные батарейные гидроциклоны, или мультициклоны более компактны, однако размещение модулей в общем блоке затрудняет их обслуживание, ремонт и замену. Батарейные гидроциклоны с раздельной компоновкой модулей обеспечивают более удобное обслуживание каждого модуля (прил. 1).

Конструктивные особенности гидроциклонов. В традиционном цилиндроконическом гидроциклоне в результате тангенциального ввода исходная смесь закручивается и через периферийную зону I движется винтовым потоком вниз к вершине конуса 3 (рис. 2). При этом часть ее выходит через насадок 5. Основное количество смеси образует внутренний восходящий поток II, поднимается вверх и удаляется из аппарата через сливной патрубок 3.



Рис. 2. Схема движения потоков в цилиндроконическом гидроциклоне: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - сливной патрубок; 4 - входной патрубок; 5 - песковой насадок; б - конус, I - периферийный нисходящий поток; II - внутренний восходящий поток; III - воздушный столб

Обычно напорные гидроциклоны работают со свободным истечением из сливного патрубка 3 и насадка 5, поэтому во время работы через них подсасывается воздух, который вместе с газом, выделившимся из жидкости, образует вдоль оси зону разрежения III (воздушный столб), существенно влияющую на проходное сечение разгрузочных отверстий [6].

Разделение фаз с различной плотностью основано на отличии в движении частиц дисперсной фазы под действием центробежных сил. Крупные тяжелые частицы отбрасываются к стенкам гидроциклона, по винтовой траектории перемещаются к шламовому отверстию и выгружаются. Мелкие легкие частицы концентрируются в восходящем потоке, с которым выносятся через патрубок 5.

Условные буквенно-цифровые обозначения гидроциклонов. Рекомендуются пятизначные обозначения единичных гидроциклонов и семизначные батарейных гидроциклонов. Первые две буквы - тип гидроциклона, третья буква - конструкционный материал; цифры - основные геометрические характеристики аппаратов и номер модели, отражающий специфические конструктивные особенности гидроциклонов. Например, условное обозначение ТВК-40-5-01 означает: единичный аппарат с тангенциальным вводом суспензии (ТВ), выполненный из коррозионно-стойкой стали (К) с внутренним диаметром цилиндрической части, равным 40 мм, и углом конусности 5°, модель 01 [10]. В маркировке батареи гидроциклонов 30-02-ТВК-40-5-01 первая цифра - число элементов в батарее, вторая - модель установки, остальное - характеристика единичного элемент.

многоярусный напорный гидроциклон



3. Устройство аппарата

На очистных сооружениях в напорных гидроциклонах производится сгущение сточных вод и осадков. Поскольку объем сгущенного продукта в этих аппаратах может составлять всего 2,5 - 10% начального объема обрабатываемой суспензии, технологическая операция сгущения дает значительную экономию материальных затрат на строительство очистных сооружений и участков обработки осадков. Происходит эффективная отмывка минеральных частиц от налипших на них органических загрязнений, например, на очистных сооружениях нефтеперерабатывающих заводов при обработке песка из песколовки или при отмывке песчаной загрузки фильтров при её гидроперегрузке [11].

Напорные гидроциклоны представляют собой аппараты, состоящие из цилиндрической и конической частей (рис. 3). Сточная вода под давлением поступает по тангенциально расположенному вводу в верхнюю часть цилиндра и приобретает вращательное движение. Возникающие центробежные силы перемещают частицы примесей к стенкам аппарата по спиральной траектории вниз к выходному патрубку. Очищенная вода удаляется через верхний патрубок.

Фактор разделения напорных гидроциклонов достигает 2000, что обусловливает их высокую эффективность. Гидроциклоны могут иметь диаметры от 15 до 1000 мм. Для удлинения срока службы внутреннюю поверхность аппаратов футеруют каменным литьем или резиной. Промышленность выпускает различные типы гидроциклонов (УЗГО, НИИХИММАШ, НИЛ ОПСВ ГИСИ). Конструктивные размеры напорных гидроциклонов подбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации и свойств примесей [12].



Рис.3 Напорный гидроциклон: 1 - цилиндрическая часть; 2 - патрубок для отвода вод; 3- патрубок для впуска сточных вод; 4 - коническая часть; 5 патрубок для отвода шлама



4. Проектирование аппаратного устройства

Для проектирования сооружений и аппаратов механической очистки должны быть заданы следующие данные:

- общее количество сточных вод, м/ч;

- температура сточных вод, С;

- периодичность образования сточных вод;

- тяжелые механические примеси, мг/л;

- нефтепродукты, масла, мг/л;

- плотность тяжелых и легких загрязнений, г/см; кинетика осаждения механических процессах тяжелее и легче поды, при их расчетной концентрации в исходной воде;

- требуемая степень очистки (%) или допустимое содержание загрязнений легче и тяжелее воды, мг/л;

- гидравлическая крупность частиц, тяжелее и легче воды, которую необходимо выделить для обеспечения требуемой степени очистки, мм/с [5].

Основной расчетной величиной напорных гидроциклонов (рис. 4-6) является удельная гидравлическая нагрузка, которая определяется по формуле СНиП 2.04.03-85 [5].

Величину конструктивных параметров (Dhcbcn и т.д.), входящих в расчетные зависимости, следует назначать по табл. 4. Производительность одного аппарата рассчитывается по формуле СНиП 2.0.1 03-85 [5].

(1)

Исходя из общего количества сточных вод Qw определяется количество рабочих единиц гидроциклонов: N = QW/Qhc. После назначения диаметра аппарата и определения их количества по табл. 4 определяются основные параметры гидроциклона.

Угол наклона образующей конических диафрагм в открытых гидроциклонах в каждом конкретном случае должен задаваться в зависимости от свойств выделяемого осадка, но не менее 45°. Диафрагмы в открытых гидроциклонах могут быть выполнены как из стали, так и из неметаллических материалов: ткань, пластик и т. д. [6].

В распределительном канале пропорционального водораспределительного устройства многоярусного гидроциклона скорость восходящего потока должна быть не менее 0,4 м/с.

Рис. 4. Схемы открытых гидроциклонов: а - без внутренних вставок; б - с конической диафрагмой; в - с конической диафрагмой и внутренним цилиндром



Рис. 5. Схема многоярусного гидроциклона с центральными выпусками (с периферийным отбором очищенной воды)

Таблица 1. Типы гидроциклонов и основные параметры узлов

На именование	Единица	Тип гидроциклона по рис.
конструктивного элемента	измерения	7, а	7, б	7, в	8	9
1	2	3	4	5	6	7
Диаметр аппарата	м	2-10	2-6	2-6	2-6	2-6
Высота цилиндрической части H	доля от Dhc	Dhc c	Dhc	Dhc +0,5	-	-
Размер впускного патрубка	»	0,07	0,05	0,05	Определяется по скорости входа
Количество впусков nl	шт.	2	2	2	3	3
Угол конической части	град	60	60	60	60	60
Угол конуса диафрагм	»	-	90	90	90-60	90-60
Диаметр центрального отверстия в диафрагме d1	доля от Dhс	-	0,5	0,5	0,6-1,4 м
Диаметр внутреннего цилиндра D1	то же	-	-	0,88	-	-
Высота внутреннего цилиндра H1	»	-	-	1,0	-	-
Высота водосливной стенки над диафрагмой Н2	м	-	0,5	0,5	-	-
Диаметр водосливной стен, D2	в долях от Dhc	Dhc	Dhc +0,2	Dhc +0,2	Dhc +0,2	Dhc +0,2
Диаметр полупогруженной кольцевой перегородки D3	То же	Dhc -0,2	Dhc	Dhc	Dhc	Dhc
Высота ярусов hti	м	-	-	-	0,1-0,25	0,1-0,2
Число ярусов nti	шт.	-	-	-	4-20	4-20
Зазор между корпусом и диафрагмой	м	-	0	0	0,05-0,07	0,1-0,15
Ширина шламоотводящей щели b	г	-	-	-	0,1-0,15	-
Скорость потока на входе в аппарат ubn ,	м/с	0,3-0,5	0,3-0,5	0,3-0,5	0,3-0,4	0,3-0,4
Скорость потока на входе в раструб выпуска u вых	»	-	-	-	0,1	-
Количество выпусков из яруса n3	шт.	-	-	-	3	-

* Над чертой показан размер нижней диафрагмы пары ярусов, под чертой - верхней

При расположении гидроциклонов над поверхностью земли и удалении осадка под гидравлическим напором, отвод осадка производится с разрывом струн через коническую насадку, присоединенную к шламовому патрубку через задвижку. Диаметр шламовой насадки подбирается при наладке сооружения. Для предупреждения засорения насадки крупными загрязнениями перед ней, но после задвижки, устанавливается камера, в которой располагается решетка, набранная из металлической полоски с прозорами 6-8 мм [6].

Для равномерного распределения воды между гидроциклонами их водосливные кромки должны располагаться на одной отметке, а на подводящих трубопроводах должны быть установлены водоизмерительные устройства [5].



4.1 Проектирование напорных гидроциклонов

Посредством напорных гидроциклонов успешно решаются следующие технологические задачи, осветление сточных вод, например стекольных заводов, автохозяйств (удаление песка, глины и других минеральных компонентов), литейных производств (удаление компонентов формовочной земли), нефтепромыслов (удаление нефтепродуктов и шлама), мясокомбинатов (удаление частиц минерального происхождения) и т. д.[13].

Обогащение твердой фазы стоков (удаление из твердой фазы частиц минерального или органическою происхождения, снижающих ценность основного продукта). Например, обогащение твердой фазы сточных вод галтовочных барабанов, в которых содержится ценный карборундовый порошок и отходы процесса шлифовки керамики, с обеспечением повторного использования порошка карборунда в процессе шлифовки.

Для обезвоживания сырых осадков при использовании тисковых центрифуг напорные гидроциклоны надлежит применять для предварительного удаления абразивных частиц твердой фазы осадка, обеспечивающего защиту центрифуг от абразивного износа.

Удаление из известкового молока инертных примесей (частиц песка, необожженного известняка) позволяет повысить надежность работы дозаторов, реакторов, контрольно-измерительной аппаратуры.

Классификация частиц твердой фазы сточных вод: разделение частиц на фракции с различной крупностью. Например, классификация частиц твердой фазы сточных фаз литейных производств с повторным использованием отдельных фракций в технологическом процессе [14].

Процесс классификации реализуется с использованием нескольких ступеней разделения в напорных гидроциклонах с получением на каждой ступени фракций с определенными размерами частиц.

На очистных сооружениях в напорных гидроциклонах производится сгущение сточных вод и осадков. Учитывая то, что объем сгущенного продукта в напорных гидроциклонах может составлять всего 2,5-10 % начального объема обрабатываемой суспензии, технологическая операция сгущения может обеспечить значительную экономию материальных затрат на строительство очистных сооружений и участков обработки осадков. При этом происходит эффективная отмывка минеральных частиц от налипших на них органических загрязнений, например, на очистных сооружениях НПЗ при обработке песка, выгружаемого из песколовки гидроэлеваторами, или при отмывке песчаной загрузки фильтров при ее гидроперегрузке [4].

В зависимости от расположения напорных гидроциклонов в технологическом процессе и схемы их обвязки могут иметь место четыре гидродинамических режима работы [14]:

- при свободном истечении верхнего и нижнего продуктов в атмосферу:

Рвх = Ра; Ршл = Ра (2)

- при наличии противодавления со стороны сливного трубопровода и свободном истечении шлама

Рвх>Ра; Ршл = Ра (3)

- при противодавлении со стороны спинного и шламового трубопроводов

Рвх>Ра; Ршл>Ра (4)

Режимы работы гидроциклонов учитываются при расчете конструктивных и технологических параметров.

Одной из важных особенностей напорных гидроциклонов является сильная корреляция производительности и эффективности разделения суспензий с основными конструктивными и технологическими параметрами аппаратов (рис. 7).

Наибольшие значения коэффициентов корреляции имеют следующие параметры: диаметр цилиндрической части гидроциклона Dhс площадь питающего патрубка Fen, диаметры сливного и шламового патрубков dвx, dшл; высота цилиндрической части Нц, угол конусности конической части , перепад давления в гидроциклоне Р = Рcn-Рсx, концентрации суспензии на входе в гидроциклон Ссn, размеры и плотность частиц твердой фазы суспензии dcpT [6].

Основные размеры напорного гидроциклона подбираются по данным заводов изготовителей при этом должны учитываться: диаметр питающего dеn и сливного dех патрубков должны отвечать соотношениям dеn/dex = 0,5-1;den/Dhc = 0,12-0,4;

где - толщина стенки сливного патрубка; dшл - диаметр шламового патрубка назначается из соотношения dшл/deх = 0,2-1,0 (для предупреждения засорения шламового патрубка его минимальный диаметр должен в 6-8 раз превышать максимальный размер частиц загрязнений); Нц - высота цилиндрической части для гидроциклонов осветлителей должна приниматься: Нц = (2-4)Dhс, для гидроциклонов сгустителей: Нц = (1-2)Dhс.

Угол конусности конической части следует принимать для гидроциклонов осветлителей 5-15°, для гидроциклонов сгустителей - 20-45.

В зависимости от особенностей решаемых технологических задач могут применяться двух продуктовые (см. рис. 7) и многопродуктовые (рис. 11 приложение 6) напорные гидроциклоны. В последнем случае аппараты имеют несколько сливных трубопроводов, отводящих целевые продукты из различных зон восходящего вихревого потока гидроциклонов. Такие конструкции аппаратов как правило, применяются при разделении многофазных сред [5].

За последние годы в ряде отраслей промышленности широко внедряются мультигидроциклоны - монолитные или сборные блочные конструкции, включающие десятки или сотни единичных напорных гидроциклонов, имеющих единые питающие, сливные и шламовые камеры. Путем создания мультигидроциклонов успешно реализуется возможность промышленного применения высокоэффективных двухпродуктовых и многопродуктовых напорных гидроциклонов с малым диаметром цилиндрической части от 8 до 75 мм.

Для выделения из сточных вод частиц механических загрязнении крупностью = 50-100 мкм (табл. 5) рекомендуются конструкции напорных гидроциклонов малых диаметров, выпускаемых Усолье-Сибирским заводом горного оборудования. Длина выделения из сточных вод мелкодисперсных механических примесей и сгущения осадка - гидроциклоны опытно-экспериментального завода (табл. 2).

Таблица 2. Технические параметры узлов и деталей

Наименование узлов и деталей,	Размеры основных узлов и деталей
технологические параметры	ГЦ-150К*	ГЦ-250К*	ГЦ-360К*	ГЦ-500К*
Внутренний диаметр цилиндрической части Dhc, мм	150	250	350	500
Сечение вкладыша питающего патрубка на входе в гидроциклон bxh мм	15х45	30х65	40х40	55х140
Диаметр патрубка питающего den, мм	50	80	100	150
Насадок сливной dвx, мм	40	65	90	130
Патрубок сливной dсx, мм	65	100	100	150
Патрубок шламовый dшл, мм	12; 17; 24	17; 24; 34	24; 44; 48	31; 48; 75
Угол конусности конической части град	20	20	20	20
Масса гидроциклона, кг	94	209	344	605
Объемная производительность Qеn, м3/ч, при Pen = 0,03-0,25, МПа	12-35	30-85	55-160	98-281
Граничная крупность разделения , мкм	28-95	37-135	44-160	52-240

* ГЦ - сокращенное название гидроциклона; цифры - внутренний диаметр цилиндрической части, мм; буква К - внутренняя поверхность стенок аппарата футерована каменным литьем.

Гидроциклоны малых диаметров объединяются в батареи и блоки (мультициклоны), что позволяет при обеспечении требуемого эффекта очистки и производительности добиться максимальной компактности установки. Батарейные гидроциклоны имеют единую систему питания, а также системы сбора верхнего и нижнего продуктов разделения. Батарейный гидроциклон, состоящий из 12 аппаратов Dhc = 75 мм, имеющий производительность 60-70 м3/ч, изготавливает опытно-экспериментальный завод Ленниихиммаш. Материал - нержавеющая сталь [6].

Аппарат рекомендуется к применению в технологических процессах очистки производственных сточных вод литейных, стекольных и керамических производств и т.д. Опытно-экспериментальный завод Дзержинского филиала Ленниихиммаш изготавливает батарейные гидроциклоны, включающие шесть единичных гидроциклонов Dhc = 125 мм (den = 25 мм; dвх = 35 мм; dшл = 12 мм; = 10). С целью сокращения расхода шлама и повышении надежности работы батареи, единичные гидроциклоны снабжаются автопульсирующими шламовыми патрубками.

Производительность батарейного гидроциклона при давлении питания 0,4 МПа-120 м3/ч. Материал - нержавеющая сталь. Центральным научно-исследовательским институтом крахмало-паточной промышленности (ЦНИИКПП) разработаны конструкции мультигидроциклонов марки ГБ-2, ГБ-3, ГБ-6, ГБ-7, ГП-8, (табл. 2). Единичные аппараты изготовляют из пластмасс. Основные геометрические размеры и технологические параметры мультигидроциклонов приведены в табл. 2. Назначение аппаратов; разделение суспензии картофеле- и кукурузокрахмального производства. В технологии очистки сточных вод мультигидроциклонов ЦНИИКПП рекомендуется применять для механической очистки промышленных стоков, содержащих минеральные частицы размером = 200 мкм и плотностью = 2,7 г/см3.

Таблица 3

Технические параметры узлов и деталей мультигидроциклонов

Наименование узлов и деталей.	Тип мультигидроциклонов
Технические параметры	ГБ-2*	ГБ-3*	ГБ-6**	ГБ-7**	ГБ-8**
1	2	3	4	5	6
Единичный гидроциклон:
диаметр цилиндрической части Dhc, мм	20	20	20	20	20
размер питающего патрубка dcn, мм	2х5	2х5	2х5	2х5	2х5
диаметр сливного патрубка dвх, мм	6	6	6	6	6
диаметр шламового патрубки dшл, мм	3	3	3	3	3
Угол конической части , град	10	10	10	10	10
Число гидроциклонов в выпускаемых, шт	29	48	16	24	48
Давление питания мультигидроциклонов Реn. МПа	0,4-0,5	0,4-0,5	0,4-0,5	0,4-0,5	0,4-0,5
Объемная производительность блока Qвn, м3/ч	15,0	25,0	8,0	15,0	25,0
Габариты блока мультигидроциклонов, мм:
высота	1017	1147	1243	1336	1410
ширина	475	475	374	440	477
длина	475	475	400	400	400
Масса блока мультигидроциклонов. кг	250	290	60	96	133

Рис. 7. Кинетика отстаивания сточных вод фасонно-формовочного цеха (Со = 300 мг/л; h = 200 мм)

Для проектирования гидроциклонных установок должны быть заданы те же данные о характеристике сточных вод и механических загрязнений, что и при проектировании других методов механической очистки [4].

По кривой кинетики отстаивания (рис. 7) по заданному эффекту очистки определяется охватывающая гидравлическая крупность Uо, мм/с:

U0 = h/t

затем из точки на оси ординат, соответствующей требуемому эффекту очистки, проводится касательная к кривой Э = f(t), из точки касания опускается перпендикулярна ось абсцисс и по найденному времени tгр определяется граничная гидравлическая крупность Uгр задерживаемых частиц, мм/с [5];

Uгр = h/trц

по которой по формуле Стокса рассчитывается граничный диаметр задерживаемых при заданном эффекте частиц

После определения граничной крупности частиц, которые требуется выделить по табл.5-7, подбирается диаметр гидроциклона, в котором эти частицы могут быть выделены, назначаются размеры его основных узлов dвn, dвх, dшл, НцНк (см. рис. 10) и назначается давление Рвп,, под которым исходная вода будет подаваться на гидроциклоны. Затем исходя из заданных размеров гидроциклона рассчитывается граничная крупность разделения, мкм [5];

.

В случае если рассчитанная крупность гр будет больше крупности, которая соответствует требуемому эффекту очистки, определенной по формуле, то подбор гидроциклона необходимо повторить, изменяя его конструктивные размеры и давление на входе. На основании формулы в ГИСИ им. В.В. Куйбышева составлена номограмма, упрощающая определение гр.

После уточнения всех геометрических размеров гидроциклона определяется его производительность. Для гидроциклонов, работающих без противодавления, расчет производительности следует производить по формуле СНиП 2.04.03-85. Для получения более точных расчетов рекомендуется следующая формула л/с:

После определения производительности одного аппарата, исходя из общего количества сточных вод, определяют число рабочих гидроциклонов, назначают общее количество аппаратов и приступают к проектированию гидроциклонной установки в соответствии со СНиП 2.04.03-85 [5].

Потери воды с выделенным осадком, удаляемым через шламовую насадку dшл, л/с, определяются по уравнению

Для примерного расчета потерь воды с выделяемым осадком следует принимать для гидроциклонов диаметром меньше 100 мм - 0,07-0,08 Qen, более 100 мм - 0,04-0,03 Qen [6].



4.2 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 [14].

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. 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 [14].

5. Расчет многоярусного гидроциклона с центральным выпуском

Требуется запроектировать установку с многоярусными гидроциклонами для очистки сточных вод цеха среднесортного проката. Расход сточных вод 1500 м3/ч. Расход воды практически постоянен в течение суток. Температура воды Tw в течение года изменяется в пределах 15-30 °С. Концентрация взвесей в исходной воде составляет 250 мг/л, масла 60 мг/л.

В очищенной воде содержание тяжелых примесей не должно превышать 60 мг/л, масел 25 мг/л. Поданным анализа кривых кинетик отстаивания сточных вод при температуре 20 °С в слое h = 200 мм, требуемая степень очистки обеспечивается при задержании частиц тяжелых примесей крупностью 0,3 мм/с и 0,5 мм/с - легче воды, поэтому за расчетную принимается 0,3 мм/с.

Расчет производится в следующем порядке[6]:

Задаем диаметром гидроциклона Dhc = 6 м.

По формулам (1),(2) рассчитываем удельную гидравлическую нагрузку, приходящуюся на один ярус гидроциклона

,

где u0 - гидравлическая крупность частиц, которые необходимо выделить для обеспечения требуемого эффекта, мм/с;

Khc - коэффициент пропорциональности, зависящий от типа гидроциклона и равный для гидроциклонов многоярусного с центральным выпуском

,

Зная диаметр аппарата (Dhc = 6 м), определим расход воды, который может подаваться на один ярус:

q?hc = 0,785 . 62 . 0,75 = 21,2 м3/ч.

Определяем количество ярусов:

nti = 1500/21,2 = 70,8 71 шт.

Задав количеством ярусов в гидроциклоне n =15 шт., определяем количество рабочих аппаратов:

N = 71/15 5 шт.

Таблица 4. Назначаем основные размеры аппарата:

Диаметр аппарата	м	6
Количество впусков nl	шт.	3
Угол конической части	град	60
Угол конуса диафрагм	град	90
Диаметр центрального отверстия в диафрагме d1	м	0,6
Высота водосливной стенки над диафрагмой Н2	м	0,5
Диаметр водосливной стенки, D2	м	6,2
Диаметр полупогруженной кольцевой перегородки D3	м	6
Высота ярусов hti	м	0,1
Число ярусов nti	шт.	15
Зазор между корпусом и диафрагмой	м	0,07
Ширина шламоотводящей щели b	м	0,1

5.1 Устройство многоярусного открытого гидроциклона

В многоярусном гидроциклоне (прил. 3.), состоящем из конической 1 и цилиндрической 9 частей, рабочий объем разделен коническими диафрагмами 10 на отдельные ярусы (зоны), работающие независимо одна от другой. В основе работы такого аппарата лежит принцип тонкослойного отстаивания.

Исходная смесь поступает в аванкамеры 3 с распределительными лопатками 16 и равномерно распределяется между ярусами 12.

Вода из аванкамер 3 выводится через три щели 11, расположенные по окружности циклона через 120° и равномерно по его высоте. Поступающая сточная вода движется по нисходящей спирали к центру. Частицы тяжелее воды оседают на нижних диафрагмах ярусов, сползают к центру и, попав под шламозадерживающие козырьки 13, через кольцевую щель 2 опускаются в коническую часть. Масло с примесями, выделившееся в ярусах, всплывает к верхним коническим диафрагмам 10, задерживается перегородкой 6 и попадает в водосборник, откуда маслосборными воронками 7 через трубы 4 удаляется из гидроциклона. Осветленная вода выводится через три тангенциальных выпуска 14. В центральной части циклона жидкость поднимается вверх, через водослив 5 переливается в лоток 8 и удаляется из циклона.

Осадок из конической части 1 удаляется через разгрузочное отверстие 15 под действием гидростатического напора [7].

Многоярусный гидроциклон ( приложение 2) имеет следующи основны конструкционные узлы: 1 и 9 - коническая и цилиндрическая части; 2 - кольцевая щель; 3 - аванкамеры; 4 - труба; 5 - водослив; 6 - перегородки; 7 - маслосборные воронки; 8 - лоток; 10 - конические диафрагмы; 11 - щели; 12 - ярусы; 13 - шламозадерживающие козырьки; 14 - выпуски; 15 - разгрузочное отверстие; 16 - распределительная лопатка.



6. Условия эксплуатации, регенерации

Преимущества гидроциклонов - высокая производительность, небольшие размеры, а также простота в эксплуатации, благодаря несложной конструкции. К тому же, они энергонезависимы и имеют относительно небольшую стоимость. Большинство гидроциклонов не нуждается в расходных материалах. В процессе их работы не производится замена или регенерация фильтрационной среды, как в некоторых фильтрах. Техническое обслуживание гидроциклонов не требует сложного оборудования. По свои техническим возможностям гидроциклоны могут конкурировать с другими методами водоочистки и водоподготовки, имея перед некоторыми из них выгодные преимущества [3].

6.1 Проблема износоустойчивости

Одним из главных сдерживающих факторов внедрения схем гидроциклонирования является интенсивный абразивный износ аппарата. Материал для изготовления гидроциклона должен обеспечивать минимальный коэффициент трения между внутренними поверхностями и обрабатываемой суспензией при обеспечении высокой износоустойчивости, так как постепенное изменение геометрических размеров гидроциклона, вследствие износа, влечет изменение параметров классификации [15]. Для предотвращения износа применяются высокопрочные материалы, футеровка резиной, каменным литьем, что увеличивает стоимость изготовления. Наиболее эффективным методом защиты традиционно считалось каменное литье на основе базальта. Нужно отметить, что применение каменного литья осуществляется, как правило, только для гидроциклонов больших диаметров (от 360 мм и выше) [16]. Гидроциклоны меньших диаметров, ввиду дороговизны футеровки, а так же особенностей последующей обработки, изготавливают из отбеленного чугуна. Срок службы корпусов таких аппаратов в среднем составляет от полугода до трех лет, песковые насадки изнашиваются в течение трех-пятнадцати суток.

В 70-х годах было освоено производство гидроциклонов из полиуретана. Полиуретаны представляют собой продукты, получаемые совместной ступенчатой полимеризацией полиизоцианатов (например, диизоцианатов) и полиэфиров. Характер этой полимеризации состоит в том, что каждый из компонентов в отдельности не способен полимеризоваться. Вместе же они полимеризуются с образованием высокомолекулярного продукта, состав которого равен составу обоих исходных компонентов. Использование в качестве исходных продуктов различных соединений позволяет получать полиуретаны, обладающие различными свойствами: от мягких эластичных до жестких хрупких [15].

Основное достоинство полиуретанов -это высокая стойкость к абразивному износу, а также высокая масло-бензостойкость, сопротивление ударным нагрузкам, воздействию агрессивных сред (растворителей, кислот, щелочей) [2]. Нужно отметить, что полиуретановые гидроциклоны достаточно широко используются в промышленном производстве [3].

К сожалению, мне практически не удалось обнаружить работ, посвященных анализу износоустойчивости различных материалов.

Уникальные свойства материала, подтвержденные предварительными испытаниями, а так же высокое качество поверхностей деталей, изготавливаемых из литьевых полиуретанов, не требующих последующей обработки, обусловили выбор для быстроизнашивающихся деталей гидроциклонов.

Установлено, что износоустойчивость полиуретановых деталей гидроциклонов, в зависимости от условий эксплуатации, от 4 до 9 раз выше, чем у деталей из чугуна. При сравнимой стоимости изготовления применение полиуретана позволяет значительно увеличить срок службы аппаратов и снизить эксплуатационные затраты [5].

Данные по динамике износа песковых и сливных насадок гидроциклонов, работающих в циклах классификации гидроксида алюминия, приведены на графике 1.

Нужно отметить, что в общем случае износ зависит не только от времени воздействия и конструкционных свойств материала, но и свойств абразива, его концентрации и количества в общем объеме суспензии, площади поверхности контакта, гидродинамического режима работы гидроциклона и т.д. Фактический срок службы для наиболее подверженных износу песковых насадок составил при круглосуточной непрерывной работе: для процесса классификации гидроксида алюминия - 2.5-3года, для вывода каолинита -4 месяца. Фактически установленный срок службы корпусов для данных процессов, соответственно -5 лет и 1.5 года [4].



Вывод

Выполнив данный курсовой проект я пришла к заключению, что на данный момент в мире существует огромное множество разновидностей гидроциклонов, которые отличаются друг от друга не только конструктивными особенностями, но и материалами изготовления, способами очистки, предназначением. Гидроциклоны имеют ряд преимуществ перед другими механическими методами очистки воды. Можно выделить следующие положительные отличия:

· Высокая производительность по обрабатываемой суспензии с единицы занимаемой площади;

· Низкие расходы монтаж и содержание установки;

· Высокая надежность благодаря отсутствию вращающихся частей в аппарате;

· Простота создания модульных мульти циклонных систем;

· Отсутствие необходимости регенерации;

Несмотря на все видимые преимущества гидроциклонов, прогресс не стоит на месте. Конструкции становятся все более совершенны, а материалы для изготовления деталей, прочнее.

Благодаря высокой эффективности, простоте устройства, очень компактным размерам, дешевизне и удобстве в эксплуатации гидроциклоны широко применяются в самых разных отраслях промышленности, нефтегазовой, рудо обогатительной, горной, нефтехимической, химической, металлургической, бурении.



Список литературы

1. Соколов М.П. Очистка сточных вод. - Учебное пособие, Наб. Челны: КамПИ, 2005, 197 с.

2. Бауман А. В. Исследование износоустойчивости конструкционных материалов для производства гидроциклонов / А. В. Бауман, С. В. Янин // Тезисы докладов 4-ой Международной научно- технической конференции молодых специалистов и ученых алюминиевой, магниевой и электродной промышленности. - СПб., 2003. - С. 10.

3. Терновский И. Г. Гидроциклонирование / И. Г. Терновский, А. М. Кутепов. М. : Наука, 2004. -350 с.

4. Коузов П. А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. - Л. : Химия, 2004. - 280 с.

5. СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения» (принял Государственный комитет СССР по делам строительства 22 марта 1985г. ).

6. Методические указания. СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения» (принял Государственный комитет СССР по делам строительства 22 марта 1985г. ).

7. Лагуткин М.Г., Пигарёв В.М. Очистка оборотной воды от механических примесей в гидроциклонах с приёмным бункером. Тезисы интернет-кнференции. «Творчество молодых в науке и образовании», часть I. М.: МГУИЭ, 2003, с. 98-100.

8. Платонов В.М. Разделение многокомпонентных смесей: Учебное пособие М.: ГОУ «Учебное - методический центр 2005, 368 с

9. Щуров Б. В. «Управление природопользованием» Издательство: Нижегородский гос. архит.-строит. ун-т, 2009, 95с.

10. Мустафаев А. М., Гутман Б. М. Гидроциклоны в нефтедобывающей промышленности. -М.: Недра, 2011. -260 с.

11. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Санитарные правила и нормы. СанПиН 2.1.4.559-96. - М. : Госкомсанэпидемнадзор России, 1996. - 111 с.

12. Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнений. СанПиН 4630-88. - М. : Минздрав СССР, 1988. - 69 с

13. Яковлев, С.В. Канализация / С.В. Яковлев, Ю.М. Ласков. - М. : Стройиздат, 1987. - 319 с.

14. Резниченко И. Н. Приготовление, обработка и очистка буровых растворов. -М.: Недра, 1982. -230 с.

15. Репин, Б.Н. Эксплуатационная модель работы канализационных отстойников / Б.Н. Репин, О.В. Мойжес // Водоснабжение и сантехника. -2008. - № 6. - С. 13-17.

16. Николадзе, Г.И. Водоснабжение / Г.И. Николадзе. - М. : Стройиздат, 1999. - 496 с.

17. Пантелят, Г.С. Теоретические аспекты интенсификации очистки городских сточных вод / Г.С. Пантелят, С.М. Эпоян // Водоснабжение и сантехника. - 1996. - № 10. - С. 11-12

18. Веселов, Ю.С. Водоочистное оборудование: Конструирование и использование / Ю.С. Веселов, И.О. Лавров, Н.И. Рукобратский. - Л. : Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. - 232 с.

Размещено на Allbest.ur

...