Режимы работы гидроциклонов

В зависимости от направления движения потоков отходов и очищенной массы относительно входного патрубка гидроциклоны могут быть выполнены по противоточному или прямоточному принципу. В противоточных гидроциклонах входной патрубок и патрубок для отвода очищенной массы расположены с одной стороны, а выход для отходов — с противоположной стороны. В прямоточных гидроциклонах патрубки для отвода очищенной массы и отходов расположены на противоположном относительно входного патрубка конце аппарата.

Как показано на рисунке 1, как очистители от тяжёлых примесей (HW), так и очистители от лёгких примесей (LW) могут работать по противоточной или прямоточной схеме. В противоточных очистителях HW патрубок для отвода очищенной массы расположен сверху, а патрубок для отвода отходов — в нижней части конуса. В противоточных очистителях LW расположение патрубков, как правило, противоположное.

В прямоточных очистителях HW и LW оба выходных патрубка расположены в нижней части конуса гидроциклона. Различие между этими аппаратами заключается в том, что в очистителях HW тяжёлые примеси удаляются из суспензии вблизи стенки, а в очистителях LW в этой зоне отводится очищенная масса. Это основано на принципе действия центробежной силы: тяжёлые частицы концентрируются у наружной стенки, а лёгкие — ближе к центру. Частицы тяжёлых примесей движутся по спиральной траектории вдоль стенки к конической части гидроциклона и удаляются через патрубок отходов вместе с небольшой частью поступающей суспензии — примерно 3–15 % по объёму или 3–30 % по массе. В противоточных очистителях HW очищенная масса отводится через верхнюю часть аппарата в виде основного потока.

Частицы лёгких примесей стремятся перемещаться к центру очистителя. В противоточных очистителях LW лёгкие загрязнения удаляются через патрубок отходов в верхней части аппарата вместе с частью общего потока — примерно 3–15 % по объёму или 1–15 % по массе. Основная часть суспензии выходит из гидроциклона через патрубок отвода очищенной массы, расположенный в конической части.

Отходы удаляются непрерывно или периодически — при атмосферном давлении (только при непрерывном удалении) либо под давлением (при обоих способах удаления). Обратная промывка волокон происходит только при непрерывном удалении отходов.

Очистители можно устанавливать в любом положении, поскольку центробежная сила внутри аппарата значительно превышает силу тяжести. Поэтому встречаются установки с вертикальным, горизонтальным и другими вариантами расположения очистителей.

Установка гидроциклонов в батареях очистителей

Гидроциклоны нельзя масштабировать простым увеличением или уменьшением размеров аппарата. Эффективность разделения в значительной степени зависит от геометрии конструкции. Типичная производительность одного очистителя низкой концентрации (LC) составляет несколько сотен литров в минуту. Для достижения производительности, необходимой бумажному предприятию, требуется соответствующее количество отдельных очистителей.

Для компактного размещения большого количества аппаратов применяются батареи очистителей, позволяющие объединять их с минимальными затратами на конструкцию и монтаж. На рисунке 2 представлены три основные схемы компоновки таких батарей. Для большинства схем характерно подключение отдельных очистителей к общим входным трубопроводам, трубопроводам отвода очищенной массы и отходов либо к соответствующим распределительным камерам.

Рисунок 2. Различные варианты компоновки батарей очистителей (слева вверху — © Andritz AG, справа вверху — © Noss AB, внизу — © J.M. Voith GmbH & Co. KG).

Отходы первой ступени очистителей низкой концентрации (LC) могут проходить обработку на четырёх ступенях в зависимости от производительности системы и содержания загрязнений в поступающей суспензии. Наиболее распространённой является каскадная схема.

Отходы первой ступени, работающей на производственном уровне, поступают на вторую ступень, предназначенную для извлечения волокон. Очищенная масса второй ступени возвращается на вход первой ступени. Отходы второй ступени направляются на третью ступень, а очищенная масса третьей ступени возвращается на вход второй. Далее отходы последовательно направляются на следующие ступени, если они предусмотрены системой, вплоть до последней ступени очистки. Типичная концентрация массы на входе составляет 0,8–2 %.

Концентрация массы в отходах очистителей тяжёлых примесей выше, чем концентрация на входе. Коэффициент сгущения при непрерывной работе зависит от доли отходящего потока, типа массы и конструкции очистителя. Как правило, более высокая эффективность разделения соответствует более высокому коэффициенту сгущения.

Для очистителей с низкой объёмной долей отходов, например с открытым ненапорным выходом, коэффициент сгущения составляет примерно 3–7. Для работающих под давлением очистителей с более высокой объёмной долей отходов этот показатель обычно находится в диапазоне 1,5–3. Увеличение коэффициента сгущения обусловлено не только повышением концентрации волокон, но и увеличением содержания наполнителей и тяжёлых частиц в отходящем потоке.

Для эффективной обработки отходов на последующих ступенях необходимо их разбавление. Чтобы уменьшить расход потока и требуемые размеры очистителей, концентрация массы в разбавляющей воде должна быть как можно ниже.

Поскольку расход потока уменьшается при переходе от одной ступени к следующей, количество очистителей на последующих ступенях может быть сокращено. Например, в системах очистки от тяжёлых примесей производительность каждой последующей ступени составляет примерно 25–45 % производительности предыдущей ступени. Необходимое количество очистителей также зависит от коэффициента сгущения, доли отходящего потока и концентрации массы в разбавляющей воде.

Эффективность очистки в значительной степени зависит от производительности аппаратов. При существенном изменении производительности системы необходимо соответственно подключать или отключать часть очистителей первой ступени. Это позволяет поддерживать работу действующих аппаратов в оптимальном рабочем диапазоне.

Борьба с абразивным износом гидроциклонов

Корпуса гидроциклонов подвергаются интенсивному абразивному износу под воздействием тяжёлых частиц, содержащихся в волокнистой суспензии в качестве загрязнений. К ним относятся металлические частицы, стекло, песок, наполнители и пигменты для мелования. Дополнительным фактором риска являются высокие скорости движения потока, характерные, например, для очистителей низкой концентрации (LC).

Особенно сильный износ возникает в местах, где такие частицы ударяются о внутренние стенки с высокой кинетической энергией, перемещаются вдоль поверхности стенок с высокой скоростью или подвергаются обоим воздействиям одновременно. Нередко частицы движутся по почти неподвижной орбите на определённой высоте внутри циклона. Поэтому зона входного патрубка и коническая часть гидроциклона особенно подвержены абразивному износу.

Для защиты от абразивного износа применяются два основных подхода.

Во-первых, наиболее уязвимые поверхности защищают керамическими покрытиями либо полностью изготавливают из керамики. В некоторых случаях также используются другие защитные материалы, например резина или твёрдое хромовое покрытие.

Во-вторых, гидравлические контуры гидроциклона проектируют таким образом, чтобы обеспечить оптимальные траектории движения частиц и снизить интенсивность износа внутренних поверхностей.