LABORATORIUM Z OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW

Temat 2: BADANIE HYDROCYKLONU

1. Ogólna charakterystyka hydrocyklonów

Hydrocyklon jest prostym rozwiązaniem aparaturowym służącym do rozdzielania zawiesin przy wykorzystaniu siły odśrodkowej. Zawiesinę wprowadza się stycznie na obwodzie naczynia zasadniczego lub zasadniczej jego części i w wyniku dokonania rozdziału otrzymuje się przynajmniej dwa produkty.

Ze względu na budowę hydrocyklony można podzielić na:

- hydrocyklony cylindryczne (bez części stożkowej),

- hydrocyklony stożkowe (bez części cylindrycznej),

- hydrocyklony cylindryczno-stożkowe,

- hydrocyklony spiralne,

- hydrocyklony śrubowe,

- hydrocyklony kuliste.

Hydrocyklon określany jako stożkowy posiada część cylindryczną i część stożkową lub samą tylko część stożkową ze styczne doprowadzonym króćcem wlotowym. Charakterystyczną cechą hydrocyklonów stożkowych jest tworzenie się w ich osi krążenia rdzenia powietrznego, którego występowania nie stwierdzono w innych typach aparatów odśrodkowych. Inną charakterystyczną cechą jest to, że nie posiada on żadnych elementów ruchomych i dlatego jest prosty w budowie i obsłudze oraz niezawodny w działaniu.

Hydrocyklon składa się zasadniczo z dwóch części:

• cylindrycznej,

• stożkowej.

Część cylindryczna zwana również głowicą posiada stycznie doprowadzoną dyszę wlotową i centralnie umieszczoną dyszę przelewową. W górnej części głowicy umieszczony jest centralny element przelewowy, zwany dyszą przelewową i śrubowo lub centralnie wyprowadzony króciec przelewowy. Króciec przelewowy może być również stycznie wyprowadzony z komory przelewowej umieszczonej nad częścią cylindryczną, tworzącej z nią jedną całość lub osobną część odpowiednio połączoną. Dolna część głowicy, czyli jej podstawa łączy się z częścią stożkową, do której w dolnej części przymocowana jest wymienna dysza wylewowa.

Niekiedy hydrocyklony budowane są w ten sposób, że część cylindryczna i część stożkowa tworzą jeden wspólny korpus, do którego od góry przymocowana jest pokrywa z dyszą przelewową i centralnie umieszczoną rurą przelewową lub komora z dyszą przelewową i ze stycznie lub centralnie umieszczonym króćcem przelewowym. Dysza wylewowa może stanowić również jeden korpus z częścią cylindryczną co stosuje się przeważnie przy budowie najmniejszych hydrocyklonów, w których średnica otworu przy podstawie ściętego stożka jest jednocześnie średnicą otworu wylewowego.

Schemat budowy hydrocyklonu wraz z zaznaczonymi wielkościami charakterystycznymi przedstawia rys.1 , zaś zasadę działania rys.2.

rys.i. Schema

Rys. 1. Schemat budowy hydrocyklonu: Do - średnica króćca wlotowego, d_w - średnica króćca wylewowego, d_p - średnica króćca przelewowego, l - wysokość części stożkowej, L - wysokość części cylindrycznej, D - średnica części walcowej.

Rys. 2. Zasada działania hydrocyklonu: a - wlot zawiesiny - stycznie do części cylindrycznej, b - część stożkowa, c - wylot frakcji zagęszczonej (wylew), d - centralny element przelewowy (dysza przelewowa), e - wylot frakcji sklarowanej (przelew), f - zawiesina zagęszczona.

W punkcie a wprowadza się pod ciśnieniem zawiesinę ciał stałych w cieczy stycznie do części cylindrycznej. Zawiesina zostaje wprowadzona w ruch krążący po spirali przestrzennej, której osią jest oś pionowa hydrocyklonu. Na skutek różnicy ciężarów właściwych lub wielkości cząstek, a także różnicy gęstości ośrodka zawiesina rozdziela się na dwie frakcje i otworami centralnymi wydostaje się na zewnątrz aparatu. Górnym otworem e wychodzi frakcja lżejsza lub sklarowana, a dolnym c frakcja zagęszczona. Wewnątrz hydrocyklonu tworzy się przeważnie rdzeń powietrzny łączący oba wyloty.

Droga cieczy w hydrocyklonie, a wraz z nią cząstek stałych jest bardzo skomplikowana i trudna do sformułowania matematycznego. Zmienia się ona w zależności od wymiarów konstrukcyjnych aparatu, od zachodzącego w nim spadku ciśnienia oraz od właściwości fizycznych fazy ciekłej i stałej.

Dotychczasowe próby matematycznego ujęcia teorii hydrocyklonu, poza pracami o bardzo wąskim zakresie, nie obejmują całości zagadnienia. Znane są przeważnie empiryczne i nieliczne sposoby przedstawienia teorii działania hydrocyklonów odnoszące się do szczególnych przypadków tych urządzeń, które bardzo często są sprzeczne ze sobą i niezgodne z warunkami rzeczywistymi.

Matematycznie zagadnienie ruchu cieczy udało się dotychczas rozwiązać jedynie dla hydrocyklonu płaskiego, który po wprowadzeniu licznych założeń można sprowadzić do układu dwuwymiarowego. Uproszczenia takiego nie można wprowadzić dla hydrocyklonu stożkowego, gdzie niemal każda cząstka cieczy lub ciała stałego porusza się zarówno po osi krążenia, jak i dowolnej płaszczyźnie prostopadłej do tej osi.

Na rys. 2 przedstawiono zasadnicze drogi spiralne, po których krążą cząstki cięższe (A) i lżejsze (B) oraz tworzenie się rdzenia powietrznego (C), występującego wewnątrz hydrocyklonu w czasie przepływu cieczy. Cząstki cięższe posiadają większą bezwładność zbliżają się bardzo szybko do ściany aparatu tworząc spiralę przyścienną (A) skierowaną w dół. Spirale (B) opisywane przez cząstki lżejsze, a wraz z nimi przez większość cieczy, posiadają kształt bardziej złożony niż drogi cząstek cięższych. Zmieniają one kierunek wzdłuż wysokości cyklonu. Ziarna poruszające się po spirali (B) oddalają się od ściany hydrocyklonu ku osi krążenia. Zataczają coraz mniejsze i gęstsze kręgi w dół aż do miejsc, tj. pewnych punktów ekstremalnych, w których prędkości pionowe v_z uzyskują wartości zerowe (v_z=0). Począwszy od tych punktów spirale zaczynają wznosić się ku górnemu wylotowi. Przez połączenie wszystkich punktów ekstremalnych (Vz=0) powstałych w płaszczyźnie rysunku wzdłuż całej wysokości hydrocyklonu na różnych poziomach otrzymamy odpowiednią krzywą. Krzywa ta przez obrót dookoła osi krążenia daje graniczną powierzchnię stożkową. Na powierzchni tej krążą ziarna (ściślej ich środki ciężkości) o wielkości charakterystycznej dla pracy danego hydrocyklonu. Jeżeli ziarna rozdzielają się na dwie równe części (wagowo) i przechodzą w 50% do przelewu a w 50% do wylewu, wówczas nazywamy je ziarnem podziałowym lub ziarnem granicznym, którą to wielkość oznaczamy przez d_g.

2. Wzory do obliczeń

W praktyce przydatne są następujące wzory:

• objętość zawiesiny V (mieszanina cząstek ciał stałych i cieczy)

V=Vs+Vc=
+Vc , [m³]

• ciężar zawiesiny Q

, [kG]

• zawartość procentowa części stałych w zawiesinie, czyli ciężarowo-procentowy wskaźnik zagęszczenia α

, [%]

• zawartość ciężarowa części stałych w określonej objętości zawiesiny, czyli ciężarowo-objętościowy wskaźnik zagęszczenia β

, [G/l]

• wskaźnik rozcieńczenia Θ, czyli stosunek ciężaru cieczy do ciężaru dała stałego zawartego w zawiesinie

, [kG/kG]

• wskaźnik porowatości ε czyli stosunek objętości cieczy znajdującej się między ziarnami ciała stałego do całkowitej objętości zawiesiny

, [l/l]

• wskaźnik zagęszczenia objętościowego ϑ, czyli objętość części stałych w zawiesinie przypadającą na jednostkę objętości zawiesiny

, [l/l]

• wskaźnik rozcieńczenia objętościowego σ, czyli objętość części stałych w zawiesinie, lecz przypadająca na jednostkę objętości czystej cieczy wypełniającej wolną przestrzeń między ziarnową

, [l/l]

• sprawność hydrocyklonu

,[%]

• ciśnienie przed hydrocyklonem

, [Pa]

• średnica ziarna granicznego

, [µm]

Użyte symbole:

V - objętość zawiesiny (piasek + woda),[m³]

V_s - objętość fazy stałej (piasek), [m³]

V_c- objętość fazy ciekłej (woda), [m³]

Q - ciężar zawiesiny, [kG]

Q_s - ciężar cząstek ciał stałych, [kG]

Q_c- ciężar cieczy ,[kG]

γ - ciężar właściwy zawiesiny, [kG / m³]

γ_s - ciężar właściwy ciała stałego, [kG / m³]

γ_c-ciężar właściwy cieczy, [kG/ m³]

α - wskaźnik zagęszczenia, [%]

β- wskaźnik zagęszczenia, [G/l]

Θ - wskaźnik rozcieńczenia, [kG / kG]

ε- wskaźnik porowatości, [l /1]

ϕ - wskaźnik zagęszczenia objętościowego, [p/ł]

σ- wskaźnik rozcieńczenia objętościowego, [1/1]

η - sprawność hydrocyklonu, [%]

m_s- masa badanej próbki (piasek), [kG]

m_przelewu- masa piasku osadzonego w przelewie, [kG]

V_n - natężenie przepływu przez hydrocyklon wyznaczone doświadczalnie, [l / min]

p_o - ciśnienie przed hydrocyklonem, [Pa]

d_o - średnica króćca wlotowego, [m]

d_p- średnica króćca przelewowego, [m]

d_g - średnica ziarna granicznego, [μm]

3. Opis stanowiska laboratoryjnego

Do budowy hydrocyklonu użyto ocynkowanej blachy o grubości 1mm, miedzianych rur (18 mm) jako króćce: doprowadzający, odprowadzający zawiesinę oraz wylewowy. Ponadto przy króćcu wylewowym zamontowano zawór kulowy ½" w celu odprowadzenia zagęszczonego piasku. Wszystkie elementy hydrocyklonu zostały połączone metodą lutowania, co zapewniło szczelność urządzenia. Stanowisko badawcze składa się z hydrocyklonu, naczynia ciśnieniowego służącego do wytwarzania zawiesiny, zaworów doprowadzających wodę i zawiesinę, kształtek miedzianych, którymi połączony jest elastyczny, gumowy wąż oraz zacisków łączących wąż z kształtkami. W celu wytworzenia zawiesiny zastosowano ciśnieniowy zbiornik, do którego przed wykonaniem doświadczenia należy wsypać żądaną próbkę piasku. Do zbiornika wykonanego z aluminium doprowadzone są dwa króćce: wlotowy i wylotowy. Woda z sieci wodociągowej wprowadzana jest do zbiornika w następstwie czego, w naczyniu wytwarza się zawiesina, która jest doprowadzana bezpośrednio do hydrocyklonu w celu oczyszczenia. Cała instalacja do rozdzielania zawiesiny zasilana jest z sieci wodociągowej. Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiono na rys. 3.

4. Metodyka prowadzenia pomiarów

Doświadczenie rozpoczyna się od sporządzenia zawiesiny. W tym celu do zbiornika ciśnieniowego należy wsypać odmierzoną ilość piasku ( 1 dm³ ), a następnie zamknąć zbiornik. W pierwszej kolejności należy otworzyć zawór 1, następnie zawór 2, potem 3 i poczekać aż hydrocyklon całkowicie się wypełni, czego objawem będzie wypływanie wody przez króciec przelewowy. Podczas trwania tej operacji zawory 4, 5 i 6 powinny być zamknięte. Po zakończeniu napełniania hydrocyklonu należy zamknąć zawory 3 i 2, a następnie otworzyć zawory 4, 5 i 2. Przepływająca przez zbiornik woda w połączeniu z piaskiem wytworzy zawiesinę, która jest następnie rozdzielana w hydrocyklonie. W czasie trwania tej operacji należy co jakiś czas potrząsać zbiornikiem w celu dokładniejszego wypłukiwania cząstek piasku przez przepływającą wodę. Przez cały czas trwania przepływu zawiesiny należy obserwować przezroczyste węże w celu upewnienia się, że przed zakończeniem przepływu wraz z cieczą nie płyną cząstki ciała stałego. Po 3 minutach należy delikatnie otworzyć zawór 6 wypuszczając zebrany piasek do momentu, aż przez zawór zacznie wypływać woda, po czym ponownie zamknąć zawór 6 (zawór 1 jest otwarty).

Czynność powtórzyć po upływie kolejnych 3 i 6 minut. Następnie zamknąć zawór 1 i otworzyć zawór 6 upuszczając zgromadzony piasek. Kiedy hydrocyklon opróżni się całkowicie należy zmierzyć objętości części stałych w przelewie i w wylewie. W czasie trwania przepływu należy dodatkowo wyznaczyć natężenie przepływu V_n przez hydrocyklon przy użyciu menzurki i stopera.

5. Opracowanie wyników pomiarów

Do obliczeń potrzebne są następujące dane:

• gęstość piasku ρ_s = 1675 kg/m³,

• gęstość wody ρ_c = 998,2 kg/m³ w temp. 273K,

• średnica króćca wlotowego i przelewowego d_o, d_p = 18 mm,

• wysokość części stożkowej l = 1000 mm,

• czas trwania doświadczenia t ≅ 10 min.

Obliczyć:

• masę części stałych w przelewie m_przelewu ,

• masę części stałych w wylewie m_wylewu ,

• masę całego piasku m_s ,

• masę wody m_c ,

• masę zawiesiny m = m_s + m_c ,

• objętość zawiesiny V = V_s + V_c ,

• gęstość zawiesiny ρ= m / V,

• ciśnienie przed hydrocyklonem p_o ,

• wartość ziarna granicznego d_g.

Wyznaczyć wskaźniki określające ilość części stałych w zawiesinie:

• wskaźnik zagęszczenia α,

• wskaźnik zagęszczenia β,

• wskaźnik rozcieńczenia Θ,

• wskaźnik porowatości e,

• wskaźnik zagęszczenia objętościowego ϕ,

• wskaźnik rozcieńczenia objętościowego σ.

Obliczyć sprawność hydrocyklonu η.

2

---