Основные физические принципы работы гидроциклонов

Насколько проста базовая конструкция очистителя или гидроциклона, настолько сложным является движение потока внутри такого аппарата. На рисунке 1 показана схема основных конструктивных параметров гидроциклона.

Рисунок 1. Основные конструктивные параметры гидроциклона.

Жидкость подается через входной патрубок, и благодаря геометрии очистителя внутри него формируется вращательное движение потока. В условиях установившегося равновесия этот поток представляет собой комбинацию вихревого и радиального стокового течения — так называемый вихрь Рэнкина (Rankine vortex), схематично показанный на рисунке 2.

Движение потока в гидроциклоне

Рисунок 2. Движение потока в гидроциклоне.

Высокая эффективность сепарации, или эффективность очистки, может быть достигнута различными способами:

Высокий перепад давления между входом и выходом очищенной суспензии (принимаемой фракцией, accepts):
Это приводит к увеличению тангенциальной скорости и центробежного ускорения. Поскольку потери давления непосредственно влияют на энергопотребление насоса гидроциклона, по экономическим причинам они должны быть ограничены. В конкретном гидроциклоне потери давления увеличиваются с ростом производительности, время пребывания суспензии сокращается, а турбулентность возрастает. Поэтому максимальная эффективность очистки достигается при определенной производительности.

Малый диаметр гидроциклона:
Этот параметр имеет практические ограничения. Например, входные и выходные соединения должны иметь достаточный размер, чтобы предотвратить их засорение и обеспечить надежность эксплуатации. Поэтому минимально возможный диаметр гидроциклона зависит от максимального размера частиц или длины загрязнений, таких как проволока, в соответствующей технологической секции. Кроме того, небольшой гидроциклон имеет низкую производительность, поэтому для обеспечения необходимой производительности требуется устанавливать большое количество аппаратов параллельно. Это также ограничивает экономически целесообразный минимальный диаметр гидроциклона.

Низкая концентрация волокнистой суспензии:
При низкой концентрации движение частиц ограничивается в наименьшей степени. При повышении концентрации волокон волокнистая сеть становится более плотной и все сильнее препятствует движению частиц. Таким образом, в данном случае основное значение имеет содержание волокна, тогда как содержание золы оказывает незначительное влияние на свободу движения частиц.

Низкое содержание хлопьев (flakes):
Подобно высокой концентрации суспензии, хлопья ограничивают движение частиц. Поскольку в очистителях для тяжелых загрязнений (HW cleaners) удаляется больше хлопьев, потери волокна увеличиваются.

Высокая температура суспензии:
Повышение температуры снижает вязкость воды и, следовательно, уменьшает сопротивление движению частиц в радиальном направлении.

Правильная гидравлическая нагрузка гидроциклона и правильное соотношение потоков очищенной и отходящей суспензии:
Гидроциклон должен работать в пределах расчетных гидравлических параметров, включая производительность и расход отходящего потока. Увеличение расхода отходящего потока повышает эффективность сепарации, но одновременно увеличивает потери волокна.

Правильное удаление отходящего потока:
Удаление отходов должно осуществляться максимально непрерывно. При периодической работе расход промывной воды должен быть как можно ниже, чтобы не вымывать обратно уже отделенные тяжелые загрязнения (HW). Однако это снова приводит к увеличению потерь волокна.

Влияние свойств частиц

Для свойств частиц применимы следующие положения:

Частицы, имеющие большую разницу плотности по сравнению с водой, отделяются более эффективно, независимо от того, являются они легкими загрязнениями (LW) или тяжелыми загрязнениями (HW).

Частицы, плотность которых близка к 1 г/см³, могут отделяться как тяжелые или как легкие загрязнения в зависимости от температуры суспензии либо вообще не отделяться. Например, это относится к некоторым частицам термоплавких загрязнений (hot melts) с плотностью 0,95 < ρ < 1,05 г/см³, поскольку плотность воды уменьшается с 0,995 до 0,971 г/см³ при повышении ее температуры с 30 до 80 °C.

При одинаковой плотности более крупная частица обеспечивает большую разницу между центробежной и выталкивающей силами (направленными внутрь для легких загрязнений LW и наружу для тяжелых загрязнений HW), что улучшает эффект сепарации. Например, очистители для тяжелых загрязнений (HW cleaners) практически не отделяют частицы наполнителя диаметром 3 мкм, но очень эффективно отделяют частицы покрытия диаметром 30 мкм.

Частицы одинаковой плотности, имеющие благоприятную гидродинамическую форму, отделяются более эффективно. Например, сферические частицы отделяются лучше, чем плоские частицы.