СГУСТИТЕЛИ ГИДРОСМЕСЕЙ
Сгустителями гидросмеси называются устройства, устанавливаемые обычно на трубопроводах и предназначенные для повышения консистенции гидросмеси путем отвода некоторого количества осветленной жидкости. Таким образом, сгущение гидросмеси достигается не увеличением абсолютного содержания твердой составляющей гидросмеси, а уменьшением находящейся в гидросмеси жидкости, в результате чего возрастает относительное содержание твердой составляющей.
Применением сгустителя можно значительно повысить эффективность гидротранспортирования, особенно в том случае, если осветленная напорная вода поступает вновь в один из технологических процессов гидромеханизации, например напорный поток используется на разрушение или смыв грунта (при подводе осветленной воды к гидромонитору) или на засасывание и транспорт дополнительных количеств гидросмеси (при подводе осветленной воды к гидроэлеватору).
Применять сгустители начали в 30-х годах текущего столетия, и к настоящему времени создано большое количество этих устройств, отличающихся друг от друга или принципом действия, или конструкцией.
По принципу действия существующие сгустители подразделяются на следующие группы:
1) сгустители, работающие с отводом верхней части потока как осветленной жидкости и нижней части потока как сгущенной гидросмеси (диафрагмовые и бездиафрагмовые сгустители);
2) сгустители отстойного типа (сгустители с отстоем в вертикальном восходящем и горизонтальном потоках жидкости);
3) центробежные сгустители (петлевые или коленные сгустители и гидроциклоны).
Сгустители по принципу действия близки к устройствам, называемым гидроклассификаторами, так как в сгустителях попутно происходит и частичная классификация грунта. С осветленной жидкостью отходят наиболее мелкие частицы из переносимых потоком гидросмеси, в результате чего средняя крупность зернистого материала, остающегося в сгущаемой гидросмеси, увеличивается.
Применение сгустителя должно быть обосновано экономическим расчетом или технической необходимостью, диктуемой условиями технологического процесса.
При выборе вариантов работы со сгустителем или без него всегда следует учитывать возможность уменьшения диаметра трубопровода за сгустителем ввиду иногда значительного уменьшения расхода сгущенного потока. Экономическим расчетом следует определять также место установки сгустителя — на напорной или всасывающей линии гидротранспортирующей машины. При этом следует учитывать, что от сгустителя, установленного на напорной линии, отводится осветленная жидкость, имеющая напор, развиваемый землесосом, и, кроме того, эта осветленная жидкость уже прошла через землесос, повлияв определенным образом на интенсивность абразивного износа его элементов (колеса и корпусы). При установке сгустителя на всасывающей линии отвод осветленной жидкости возможен с помощью специального низконапорного насоса при наличии хорошей всасывающей способности, т. е. при обеспечении глубокого вакуума со стороны всасывания. В обоих случаях осветленная жидкость, отводимая от сгустителей, может быть использована для тех или иных технических целей; следовательно, при этом используется энергия, содержащаяся в этой жидкости, и общий к. п. д. установки оказывается достаточно высоким. В том случае, когда осветленная вода сбрасывается без дополнительного использования, экономическая эффективность применения сгустителя, безусловно, снижается.
Для характеристики сгустителя обычно приводят значения плотностей входящей и исходящей гидросмеси. Для оценки степени сгущения можно пользоваться величиной коэффициента сгущения, определяемого из выражений:
В формуле (411) при рСм.вх, близкой к единице, и некоторой конечной разнице Рсм.нсх—ро- Величина Ксг может иметь большие значения, по которым трудно оценить эффект сгущения гидросмеси в сгустителе.
По формуле (412) величина Ксг больше единицы и не превышает по модулю величины ртв (в рыхлом теле). Величина Ксг, определенная по формуле (413), изменяется в пределе от 0 до 1. В дальнейшем для определения коэффициента сгущения принято выражение (412).
Ниже приведены описания наиболее широко применяемых сгустителей вертикального отстойного и центробежного (гидроциклока).
Вертикальный отстойный сгуститель представляет собой цилиндр. Диаметр цилиндра равен или больше диаметра основного трубопровода, на котором установлен сгуститель. Переход от трубопровода к сгустителю следует выполнять так, как показано на рис. 169.
Сгустители, соединенные с трубопроводами патрубками меньшего диаметра, чем диаметр трубопровода, работают хуже. Это объясняется тем, что при применении вертикальных сгустителей на патрубках малого диаметра, образующих «горловину», при отводе из сгустителя жидкости в количестве <70Св создается достаточно большая скорость, и твердые частицы, попавшие через горловину в сгуститель, уже не могут вернуться в трубопровод, т. е. в поток сгущаемой гидросмеси, и выносятся с осветленной жидкостью.
Принцип действия вертикальных сгустителей заключается в следующем.
Из основного (горизонтального) потока гидросмеси с общим расходом О часть потока с расходом отводится в отстойник.
Скорость восходящего потока vBOCX в вертикальном сгустителе при отборе осветленной воды сверху должна быть больше скорости осаждения твердых частиц, уносимых с осветленной водой. Зная размер наиболее крупных частиц, уносимых с осветленной жидкостью, а следовательно, и максимальную скорость осаждения частиц W, будем знать и скорость восходящего потока. Приняв определенный расход осветляемой жидкости, найдем размеры сгустителя.
При рассмотрении схемы равномерного поступления жидкости и твердых частиц в сгуститель замечено, что в сгуститель попадают только те частицы, у которых гидравлическая крупность меньше скорости движения воды в сгустителе. Частицы крупностью йшакс будут равномерно подниматься со скоростью и равномерно насыщать весь объем сгустителя, не скапливаясь внизу у входа в сгуститель. Частицы диаметром меньше макс будут подниматься с большей скоростью, но тоже равномерно будут насыщать весь объем.
Если полагать, что горизонтальный поток в области подсоединения сгустителя к трубопроводу невозмущен, то можно принять, что в сгуститель отводится верхняя часть горизонтального потока толщиной h, считая от верхней образующей горизонтальной трубы. Эту величину h определяют по расходу.
По параметрам исходной гидросмеси (расход, консистенция, гранулометрический состав) можно построить кривые распределения скоростей, консистенции и крупностей по вертикали горизонтального потока гидросмеси, следовательно, известными являются консистенция So и гранулометрический состав грунта в верхних слоях потока толщиной h, т. е. в потоке, отводимом в вертикальный отстойник.
Если в горизонтальном потоке находились очень мелкие твердые частицы (ил или глина), то добиться полного осветления отводимой из сгустителя жидкости очень трудно, так как для этого потребуется сгуститель больших размеров. В этом случае следует задаться предельно малой крупностью твердых частиц, которые должны остаться в потоке сгущенной гидросмеси, или консистенцией осветляемой.
В центробежных сгустителях, предназначенных для повышения консистенции гидросмесей, основной силой, действующей на твердые частицы, является центробежная. Наибольшее применение из этой группы сгустителей нашел гидроциклон, который используется и как сгуститель, и как классификатор, делящий по крупности твердый диспергированный материал на две фракции.
Гидроциклон (рис. 170) —аппарат, который состоит из двух частей — цилиндрической верхней и конической нижней. Сверху гидроциклон закрыт горизонтальной крышкой с центральным отверстием. Через это отверстие проходит сливной патрубок, длина которого несколькокороче, чем длина цилиндрической части. С помощью патрубка в цилиндре образуется круговое вращение гидросмеси. Кроме того, он является началом сливной линии- сгустителя, по которой отводится осветленная жидкость. Внизу аппарат имеет отверстие, в которое вставляют насадки различных диаметров, что обусловливает режим работы гидроциклона.
Гидросмесь поступает в сгуститель в верхней его части (сбоку) тангенциально, т. е. по стенке цилиндра. Энергия потока гидросмеси, поступившего в гидроциклон, определяется прежде всего скоростью движения гидросмеси. Твердые частицы получают свой запас энергии от несущей их жидкости, и эта энергия в совокупности с действующей силой тяжести и определяет процесс сгущения (я классификации) в гидроциклоне. Результативную силу, которая действует на твердую частицу, находящуюся в гидроциклоне на расстоянии г от его вертикальной оси, целесообразно разделить на три составляющие: радиальную, действующую по радиусу, т. е. в горизонтальной плоскости; тангенциальную, касательную •к траектории кругового вращения частицы, и вертикальную, которая стремится переместить частицу вниз, в область потока сгущаемой гидросмеси.
Большое значение для процесса сгущения и классификации имеет радиальная сила, которая по величине определяется результативным действием центробежной силы, возникающей при всяком круговом вращении. Поскольку твердая частица в гидроциклоне не имеет прочной связи (в виде нерастяжимой нити) с вертикальной осью вращения, то радиальная сила стремится отогнать частицу к периферии, прижать ее к стенке аппарата, после чего под действием силы тяжести твердой частице приходится скользить по стенке вниз, к отверстию выпуска сгущенной гидросмеси (называемому иногда Песковым отверстием) .
Однако при своем движении к периферии частица испытывает лобовое сопротивление со стороны жидкости. Сила лобового сопротивления направлена в противоположную сторону, т. е. действует по радиусу в сторону центра радиальной плоскости, в которой находится частица в рассматриваемый момент. Третья сила, действующая в той же радиальной плоскости, обусловлена наличием радиального градиента давления.
Вращающуюся массу гидросмеси внутри гидроциклона можно рассматривать как некоторый несвободный вихрь, градиент давления в котором направлен от оси к периферии.
Как известно из гидравлики, тело, погруженное в покоящуюся жидкость, стремится всплыть, т. е. двигаться против градиента гидростатического давления. Эту силу, под действием которой погруженное тело стремиться всплыть в покоящейся жидкости, принято называть архимедовой силой. Сила, которая действует в радиальной плоскости, обусловленная наличием радиального градиента, идентична архимедовой силе и здесь частица тоже стремится двигаться против градиента давления, т. е. к центру аппарата.
Сгущенная гидросмесь в зависимости от режима работы гидроциклона и свойств твердого компонента гидросмеси может выходить из аппарата в виде сильно обезвоженной (плывунной) массы влажностью 60—40%. Опыты показали, что наилучшее сгущение получается при таком режиме гидроциклона, когда пристенный слой, содержащий наиболее крупные (и тяжелые) частицы при значительной их концентрации, сползая по конической стенке, полностью перекрывает выходное (песко- вое) отверстие.
Гидроциклоны работают при различных напорах на выходе из питающего патрубка (от 2-1-3 до 100 м вод. ст.).
Опыты показывают, что чем полнее сгущение или мельче частицы в сгущаемой гидросмеси, тем выше должен быть напор в циклоне.
Угол конусности нижней части циклона принимается от 15 до 30°. Согласно опытным данным, наилучшие результаты сгущения песчаной гидросмеси получаются при углах конусности около 20—25°. Исходная гидросмесь может поступать в гидроциклон с меняющейся консистенцией и при некоторых колебаниях величины общего расхода. Напор у входа также может несколько изменяться.
Незначительные и кратковременные изменения этих параметров не вызывают заметного ухудшения в работе гидроциклонов, но при значительных и длительных изменениях характеристик гидросмеси (ее расхода и напора перед сгустителем) следует прибегать к его регулировке.
Процесс сгущения в гидроциклоне регулируют путем смены Песковых насадков и посредством изменения степени открытия задвижки на сливной линии. Способ регулировки в значительной степени зависит от конфигурации эксплуатируемого гидроциклона, поэтому его особенности целесообразно изучать при предварительных испытаниях перед установкой на стационарную эксплуатацию.
После предварительной тарировки регулировку гидроциклона можно автоматизировать, что обеспечит постоянную степень сгущения даже при переменных значениях исходных параметров. Входящая тангенциально в гидроциклон исходная гидросмесь создает внутри циклона.одностороннее вращение всей находящейся там массы гидросмеси вокруг вертикальной оси. Как указывалось ранее, наиболее крупные и тяжелые частицы концентрируются у стенок аппарата, а в центре создается область осветляемой жидкости.
Движущийся спирально по стенкам слой концентрата стремится к выходу из аппарата через нижнее (песковое) отверстие. Оказываемое при выходе сопротивление обусловливает слив осветляемой жидкости через верхний центральный патрубок. Таким образом, происходит естественное деление гидросмеси на два потока: вниз уходит сгущенная и насыщенная крупными и тяжелыми частицами гидросмесь, а через верхний патрубок сливается осветленная жидкость, уносящая с собой тонкодисперсный материал, причем его количество и размер граничного зерна определяются конструкцией и режимом работы гидроциклона.
В результате можно рассматривать внутри циклона нисходящий поток жидкости и частиц, движущийся спирально вниз вдоль стенок аппарата, и восходящий поток в центральной части, питаемый жидкостью периферическим слоем гидросмеси и отдающий наиболее крупные и тяжелые частицы обратно периферическому нисходящему слою, если они даже и попали в центральный восходящий слой.
Ввиду сложности процессов, происходящих внутри циклона, оказывается затруднительным дать чисто теоретический метод расчета гидроциклона, поэтому при расчетах циклонов наряду с теоретическими построениями используют результаты исследований циклонов в лабораторных условиях.
Излагаемый ниже метод основан на теоретическом рассмотрении работы гидроциклона с использованием опытных данных.
Рассмотрим некоторую жидкую частицу, совершающую движение по спирали внутри циклона (рис. 171). Вектор ее абсолютной скорости v будет иметь составляющие: радиальную скорость, тангенциальную скорость и осевую скорость. Движение твердой частицы происходит под действием следующих сил: центробежной, которая действует в радиальной плоскости по линии, проходящей от оси вращения к периферии; силы давления, возникающей в результате радиального градиента давления силы лобового сопротивления —Fc, возникающей вследствие разности скоростей движения твердой частицы и окружающей жидкости; силы тяжести, воздействие которой в условиях циклона может оказаться значительно меньшим, чем центробежной силы; тангенциальной силы — Ft, обусловливающей движение твердой частицы по спирали.
Сила тяжести Fz участвует в перемещении частицы по вертикали из одной горизонтальной плоскости в другую, причем в условиях центрального восходящего потока эта сила может оказаться слабой, чтобы противостоять гидродинамической силе, влекущей частицу вверх вследствие лобового воздействия на частицу масс восходящей жидкости. В этом случае частица будет подниматься вверх и уходить вместе с осветляемой жидкостью в слив. Такими могут быть только наиболее мелкие частицы гидросмеси.
Тангенциальная сила Ft возникает при закрутке потока гидросмеси у входа в гидроциклон, где кинетическая энергия расходуется на создание вращения потока, а запас потенциальной энергии (напор у входа) предопределяет истечение сгущенной гидросмеси через нижнее отверстие и отвод осветляемой жидкости через сливное отверстие вверху. За счет тангенциальной силы частицы перемещаются по спирали. Если с движущейся частицей закрепить некоторую воображаемую плоскость, проходящую через ось аппарата (принимаемую за ось вращения), то эта плоскость будет поворачиваться в единицу времени на некоторый угол, который будет незначительно изменяться по мере продвижения частицы к песковому отверстию.
Определяя опытным путем значения осевых скоростей жидкости и твердых частиц по какому-либо диаметру гидроциклона, можно убедиться в том, что на оси аппарата скорость является наибольшей из направленных вверх осевых скоростей. Как видно из рис. 172, существуют поверхности, на которых осевая скорость. Внутри этой поверхности жидкость поднимается вверх, а вне ее жидкость и твердые частицы опускаются вниз. Твердые частицы, находящиеся во внутренней области, могут двигаться и вниз, если их гидравлическая крупность больше осевой скорости. Особенно это вероятно в кольцевой области с внутренней стороны, прилегающей к поверхности, где значение скоростей еще незначительно.
Если поверхность, для которой, совпадает с поверхностью, для которой то твердые частицы, оказавшиеся на ней, с одинаковой вероятностью могут попасть в восходящий или нисходящий поток. Такие зерна называются-граничными, а вопрос о делении твердого зернистого материала по заданному граничному зерну является основным в теории гидравлической классификации. Естественно, что случайные пульсации скоростей и давлений внутри потока, свойственные всякому турбулентному потоку, могут исказить точность делений потоков по граничному зерну с диаметром, поэтому трудно точно получить такое деление, чтобы 50% зерен крупностью было в нисходящем потоке, а 50% — в восходящем. На точность деления кроме случайных пульсаций (перемешивания) в турбулентном потоке может повлиять падение зерен вниз внутри поверхности, а также то, что трудно обеспечить совпадение поверхностей расчетом и техническим управлением процессами классификации.
Обычно во фракции, отбираемой через песковое отверстие, имеется не менее 2% частиц из фракций, которые должны направляться в сливное отверстие, и наоборот. Точность деления с отклонением меньше 2% в производственных гидроцлассификаторах еще не достигнута.
Поскольку зерна на граничной поверхности не перемещаются по радиусам, а представляют собой как бы завесу фильтрующейся через них жидкости, которая устремляется из внешней, нисходящей вращающейся массы гидросмеси во внутреннюю, восходящую область, то эти неперемещающиеся по радиусам частицы находятся под действием уравновешивающихся сил
Разность давлений дР за кольцом и внутри него, отнесенная к единице длины кольца, Уравновешивается центробежной силой
Из уравнения (416) находим выражение для разности радиальных скоростей жидкости и твердых частиц
Стент выходного патрубка либо допущений и ограничений невозможно, так как на распределение расходов безусловно влияют конструктивные формы самого гидроциклона, которые пока не унифицированы.
Величинами, определяющими распределение расходов, для данного гидроциклона и данного напора у входа гидросмеси в аппарат, являются напор над Песковым насадком (данного диаметра, длины и формы) и напор под сливным отверстием, имеющим определенное живое сечение и сопротивление отводящего осветленную жидкость трубопровода. При этих ограничениях задача о распределении расходов сводится к рассмотрению истечения жидкости из двух отверстий — песково- го и сливного.
Следует отметить, что влияние центробежной силы в десятки раз превышает действие силы тяжести, поэтому учет веса столба жидкости, например при определении давлений над Песковым отверстием и под сливным выходом, практического значения не имеет. Обозначим напор под сливным патрубком Нс, а над песковым отверстием давление
Эти выражения дают разделение общем расхода гидросмеси на расход осветленное жидкости и расход сгущенной гидросмеси.