Очистка сточных вод в гидроциклонах систем оборотного водоснабжения

В настоящее время в связи с обострением экологических проблем приобретает особую актуальность создание эффективных центробежных сепараторов для разделения жидких неоднородных систем применительно к процессам очистки сточных вод и газовых выбросов от мелкодисперсных частиц. Одним из перспективных аппаратов для разделения жидких неоднородных систем являются гидроциклоны.

Интенсивное внедрение гидроциклонов в промышленность определяется рядом существенных их преимуществ [5−7, 23, 40, 61, 82, 85, 88, 91, 102−104 118, 120, 121, 130, 137, 146], по сравнению с аппаратами выполняющими аналогичные задачи, но работающие по другим принципам, как-то отстойники, сгустители, классификаторы и т. д. В отдельных случаях гидроциклоны используются в сочетании с этим оборудованием, значительно повышая эксплуатационную надежность и эффективность разделения в целом.

Гидроциклоны просты по конструкции, компактны, высокопроизводительны, дешевы в изготовлении, могут располагаться в непосредственной близости от основных технологических участков и удобны в эксплуатации (благодаря отсутствию вращающихся деталей и узлов). Например, сравнительная оценка затрат на строительство с применением напорных гидроциклонов показывает, что капитальные затраты в 10−15 раз меньше, чем в варианте с отстойниками. Сравнение приведенных затрат показало, что в варианте с напорными гидроциклонами годовые затраты в 2.5 раза меньше [120].

Первые интенсивные исследования гидроциклонов в СССР были начаты в 1939 году, а в 1940 гидроциклоны диаметром 1000 и 1500 мм были установлены на апатито-нефелиновой фабрике комбината «Апатит». С тех пор, как в России, так и за рубежом проведено большое количество теоретических и экспериментальных исследований, посвященных различным аспектам центробежного разделения и в частности гидроциклонам [5−7, 10−15, 25, 33, 42, 43, 47, 54, 57, 58, 62, 65, 68, 73, 76, 77, 80, 81, 88, 91, 93, 97, 98, 101−103, 105, 121, 123, 137, 139, 140, 143, 146, 147, 152, 154, 156]. Аппараты гидроциклонного типа используются для разделения суспензий, эмульсий, а также эмульсионно-суспензионных жидкостей. Анализ публикаций показывает, что если первая группа гидроциклонов (для разделения суспензий) достаточно хорошо изучена и развита, то научных исследований и разработок посвященных гидроциклонам для разделения эмульсий явно недостаточно, о чем можно судить по практически отсутствующим фундаментальным исследованиям в этой области. Хотя отдельные разработки в направлении исследования гидроциклонов для разделения несмешивающихся жидкостей [1, 3, 4, 12−14, 17−22, 31, 33, 40, 43, 49, 59, 70, 88−90, 92, 93, 99, 100, 104, 110, 117−122, 126, 138, 140, 145, 148, 150, 151, 155] показывают о перспективности их использования.

Повышенное внимание к гидроциклонам для разделения жидкостей эмульсионного типа возникло в связи с экологическими проблемами, так как практически все промышленные предприятия имеют сточные воды, содержащие нефтяные, масляные, жировые загрязнения. В настоящее время это разделение в основном производят длительным отстаиванием в резервуарах — отстойниках большого объема. В отстойниках работающим фактором является разность плотностей компонентов. Использовать разницу в плотностях целесообразней в центробежном поле, где фактор разделения на несколько порядков выше.

Особый интерес к исследованию возможностей циклонного разделения эмульсий возникает на втором этапе нефтедобычи, когда для ее интенсификации используются различные искусственные методы (добавка химических реактивов, законтурное обводнение и т. д.). В этих случаях увеличивается наличие жидких примесей, как в самой нефти, так и в жидкостях содержащих нефть. Переработка больших объемов жидкостей загрязненных как механическими, так и нефтяными примесями является реальной проблемой при рассмотрении экологических задач.

Следует отметить, что все ранее проведенные исследования выполнены на канонических (стандартных) формах гидроциклонов, которые имели большее выходное сечение верхнего сливного патрубка по отношению к нижнему шламовому патрубку и практически отсутствуют исследования гидродинамики гидроциклонов с малым расходом жидкости через верхний сливной патрубок. Технологические требования к гидроциклонам для разделения эмульсий с малым содержанием (с невысокой концентрацией) легких примесей (около 1%), к которым относятся нефтесодержащие сточные воды промышленных предприятий, определяет отвод основного количества очищенной жидкости через нижний сливной патрубок, и лишь небольшую часть жидкости, обогащенную легкими примесями через верхнее сливное отверстие.

Отсутствие теоретических исследований и экспериментальных данных гидродинамики и методов расчета гидроциклонов такого типа привели к необходимости проведения настоящей работы.

Диссертация состоит из четырех глав.

Первая глава посвящена анализу основных теоретических и экспериментальных исследований посвященных различным аспектам гидроциклонирова-ния.

Во второй главе приводится теоретическое описание структуры течения жидкости в гидроциклоне на основе рассмотрения уравнений Навье — Стокса, учитывающих эффективную вязкость v =v+v. Представлен обзор моделей.

J у для определения коэффициента турбулентной вязкости v .

В третьей главе представлено описание экспериментальной установки и методики проведения опытов с целью получения опытных данных тангенциальной составляющей скорости, давления по радиусу и высоте цилиндрокони-ческого и цилиндрического противоточного гидроциклонов.

В четвертой главе приведены результаты расчета эффективной вязкости и экспериментальные исследования эффективности разделения в гидроциклонах различной конструкции. На основе проведенных исследований даются рекомендации для расчета и проектирования гидроциклонов, предназначенных для разделения эмульсий с малым содержанием легких примесей (около 1%).

Настоящая работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Казанского государственного технологического университета.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю доктору технических наук, профессору Булкину Вадиму Александровичу и кандидату технических наук, эксперту по проблемам экологии республики Татарстан Иванову Николаю Владимировичу, а также всему коллективу кафедры «Машины и аппараты химических производств» КГТУ за доброжелательное отношение и поддержку в работе.

ВЫВОДЫ.

Анализ полученных данных в четвертой главе позволил сделать следующие выводы:

1. Проведенные расчеты эффективной вязкости показали, что в цилиндрических противоточных гидроциклонах эффективную вязкость можно принять постоянной в большем объеме аппарата;

2. Экспериментальные исследования эффективности разделения эмульсий с малым содержанием легких примесей в гидроциклонах различной конструкции подтвердили перспективность использования цилиндрических гидроциклонов с удлиненным верхним сливным патрубком в очистных сооружениях систем оборотного водоснабжения;

3. Учет эффективной вязкости при расчете разделения в гидроциклонах, позволяет получить расчетные данные совпадающие с экспериментальными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Продолжающийся рост антропогенной нагрузки на природную среду ставит новые задачи по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов. Одной из актуальных проблем в данной области является очистка нефтесодержащих сточных вод промышленных предприятий и автомоечных станций в системе оборотного водоснабжения. Организация оборотного водоснабжения резко сокращает потребление свежей воды и значительно сокращает или исключает сброс сточных вод в водоем и окружающую среду. Отстойники и фильтры, построенные для очистки нефтесодержащих сточных вод в системе оборотного водоснабжения, как правило, не обеспечивают требуемой степени очистки, несмотря на относительно большие габариты. Проблему удается решить при замене в очистных сооружениях малоэффективного оборудования на гидроциклоны.

На основе анализа научно-технической литературы посвященной различным аспектам гидроциклонирования установлено, что подробно изучена гидродинамика только в цилиндроконическом гидроциклоне. В результате анализа также выявлено, что все ранее проведенные исследования выполнены на стандартных формах гидроциклонов, которые имели большее выходное сечение верхнего сливного патрубка по отношению к нижнему шламовому патрубку и практически отсутствуют исследования гидродинамики с малым расходом жидкости через верхний сливной патрубок. Технологические требования к гидроциклонам при экологической очистке эмульсий с малым содержанием легких примесей (около 1%), к которым относятся нефтесодержащие сточные воды системы оборотного водоснабжения и промышленных предприятий, определяет отвод основного количества очищенной жидкости через нижний сливной патрубок, а лишь небольшую часть жидкости, обогащенной легкими примесями через верхнее сливное отверстие.

Рассмотрена упрощенная математическая модель, позволяющая определить гидродинамические показатели в гидроциклонах для разделения эмульсий с малым содержанием легких примесей (около 1). Данная модель, позволяет установить взаимосвязь различных параметров (конструктивных и гидродинамических) в том числе эффективной вязкости с полями скоростей и давлений в гидроциклонах различной конструкции.

Разработана и изготовлена экспериментальная установка для сравнительных исследований гидродинамических закономерностей разделения эмульсий с малым содержанием легких примесей в гидроциклонах, применяемых в экологических целях для очистки нефтесодержащих сточных вод.

Экспериментальным путем определены поля скоростей и давлений в гидроциклонах различной конструкции. На основе проведенных исследований сделан вывод, что в цилиндроконическом гидроциклоне профиль тангенциальной составляющей скорости потока ближе к свободному вихрю вращению, а в цилиндрическом противоточном гидроциклоне ближе к вынужденному вихрю. Доказана, что в закрученном потоке гидроциклона, вращающемся по закону вынужденного вихря будут обеспечиваться оптимальные условия для разделения жидких частиц.

На основе изучения научной информации о механизме разделения эмульсий в аппаратах гидроциклонного типа и теоретического анализа движения закрученного потока внутри гидроциклонов определен путь усовершенствования их конструкции — удлинение верхнего сливного патрубка. Проведенные исследования полей скоростей и давлений в цилиндрическом гидроциклоне с удлиненным верхним сливным патрубком подтвердили перспективность их использования для очистки сточных вод, в очистных сооружениях систем оборотного водоснабжения.

Проведены расчеты эффективной вязкости и экспериментальные исследования эффективности, а гидроциклонах применяемых в экологических целях для разделения эмульсий с малым содержанием легких примесей (около 1%). Сравнительные исследования показали, что в стандартных (с коротким патрубком) цилиндрических противоточных гидроциклонах эффективную вязкость можно принять постоянной. Экспериментальные исследования эффективности разделения показали, что с увеличением длины верхнего сливного патрубка эффективность разделения в цилиндрических гидроциклонах повышается, а в цилиндроконических уменьшается. Показана необходимость учета эффективной вязкости при расчете гидроциклонов на стадии их проектирования.

На основе проведенных исследований доказана перспективность применения цилиндрических гидроциклонов с удлиненным верхним сливным патрубком для разделения эмульсий с малым содержанием легких примесей (около 1%) в очистных сооружениях систем оборотного водоснабжения.

Данная конструкция гидроциклона используется в отделе охраны окружающей среды ОАО «НИИнефтепромхим» (г.Казань) в комплексе работ по разработке техники и технологии очистки нефтесодержащих сточных вод в системе оборотного водоснабжения.

Полученные экспериментальные результаты использовались при создании гидроциклонного оборудования для ряда технологических процессов и экологически безопасных технологий.