ГИДРОЦИКЛОН

Предлагаемое техническое решение относится к технике разделения тонкодисперсных вязких ньютоновских и неньютоновских суспензий и эмульсий под действием центробежных сил и может найти применение в горноперерабатывающей, химической, нефтехимической, металлургической и машиностроительной промышленности, в промышленности строительных материалов, а также в экологических процессах очистки промышленных и бытовых стоков.
Известны конструкции напорных гидроциклонов, состоящие из цилиндрической и конической частей, подающего патрубка, установленного тангенциально на входе в цилиндрическую часть гидроциклона, сливной камеры с патрубком для отвода очищенной части жидкости - фугата и насадка, установленного на выходе из конической части (Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Том 2. - Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2003, С. 486).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится высокие энергозатраты, связанные с необходимостью вращения с большой скоростью вязких ньютоновских и неньютоновских жидкостей в малом кольцевом зазоре между цилиндрической частью гидроциклона и патрубком сливной камеры, так как в этом зазоре под действием центробежной силы происходит отделение частиц или капель дисперсной фазы от сплошной жидкой фазы.
Известна конструкция гидроциклона, содержащая вертикальный корпус с тангенциальным входным патрубком, патрубки отвода фугата и шлама, соосный корпусу полый цилиндр, снабженный на наружной поверхности фильтровальной сеткой (авт. св. СССР №1398918, B04C 9/00, 1988).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится повышенное гидравлическое сопротивление в кольцевом зазоре между стенкой корпуса и полым цилиндром, особенно при разделении вязких ньютоновских и неньютоновских жидкостей, что приводит к высоким энергозатратам.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков и принятым за прототип является цилиндроконический гидроциклон в гидроциклонной установке, содержащий сливной патрубок и входной патрубок, соединенный с насосом, камеру, установленную на сливном патрубке гидроциклона, и дроссель, при этом входной патрубок снабжен вертикальной перегородкой, разделяющей его на внешнюю зону для потока очищаемой жидкости, и внутреннюю зону для потока очищенной жидкости, подаваемой из камеры в виде рецикла, причем отношение расходов очищенной жидкости в рецикле к расходу очищаемой жидкости прямо пропорционально площадям внутренней и внешней зон:
,
p
в
н
где q и q - соответственно расходы очищенной жидкости в рецикле и очищаемой жидкости; S и S - соответственно площади внутренней и внешней зон, на которые вертикальная перегородка делит сечение входного патрубка (патент на полезную модель РФ №100433, B04C 5/12, 2010 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится высокое гидравлическое сопротивление, связанное с течением внутри циклона помимо очищаемой жидкости очищенной жидкости, подаваемой из камеры, установленной на сливном патрубке, в виде рецикла. Это приводит к высоким энергозатратам. Кроме того, дополнительные энергозатраты связаны с гидравлическим сопротивлением в дросселе.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является уменьшение энергозатрат за счет снижения гидравлического сопротивления при течении очищаемой жидкости внутри гидроциклона, особенно при разделении вязких ньютоновских и неньютоносвских жидкостей.
Поставленный технический результат достигается тем, что в гидроциклоне, включающем цилиндроконический корпус со сливным патрубком и входным патрубком, внутри корпуса в верхней и нижней части сливного патрубка жестко закреплены горизонтальные кольцевые диски для разделения потока очищаемой жидкости на внешнюю рабочую зону и внутреннюю застойную зону.
Горизонтальные кольцевые диски, жестко закрепленные внутри корпуса в верхней и нижней части сливного патрубка, позволяют создать между этими дисками внутри гидроциклона внутреннюю застойную зону, в которой очищаемая жидкость участвует только во вращательном движении вместе с очищаемой жидкостью, находящейся во внешней рабочей зоне и участвующей и во вращательном, и в осевом течении.
Так как граница между внешней рабочей и внутренней застойной зонами, разделяющая очищаемую жидкость не имеет твердой поверхности, то гидравлическое сопротивление от вращательного движения обеих жидкостей резко снижается, что уменьшает энергозатраты. Кроме того, нет необходимости затрачивать энергию на подачу во внутреннюю застойную зону части очищенной жидкости в виде рецикла, так как во внутренней застойной зоне между обеими перегородками постоянно находится часть самой очищаемой жидкости. Это также снижает гидравлическое сопротивление и энергозатраты.
На фиг. 1 изображен общий вид гидроциклона, на фиг. 2 - его горизонтальный разрез А-А.
Гидроциклон состоит из цилиндроконического корпуса 1 с входным 2, установленным тангенциально по отношению к цилиндроконическому корпусу 1, сливным 3 и песковым 4 патрубками. Входной патрубок 2, соединен с насосом (на фиг. 1 не показан) трубопроводом. Внутри цилиндроконического корпуса 1 в верхней и нижней части сливного патрубка 3 жестко закреплены горизонтальные кольцевые диски 5 и 6. Горизонтальные кольцевые диски 5 и 6 образуют внутри цилиндроконического корпуса 1 внутреннюю застойную зону 7, границы которой условно обозначены на фиг. 1 пунктирными линиями, и внешнюю рабочую зону 8.
Гидроциклон работает следующим образом.
Очищаемая жидкость насосом по трубопроводу подается во входной патрубок 2 и заполняет внутренний объем между цилиндроконическим корпусом 1 и сливным патрубком 3. Так как входной патрубок 2 установлен по отношению к цилиндроконическому корпусу 1 тангенциально, то очищаемая жидкость участвует во вращательном движении и во внешней рабочей зоне 8 и во внутренней застойной зоне 7. Помимо вращательного движения очищаемая жидкость во внешней рабочей зоне 8 участвует в осевом движении: сначала опускается сверху вниз от входного патрубка 2 до горизонтального кольцевого диска 6, а затем, очищенная от частиц и капель дисперсной фазы под действием центробежной силы, которая возникает при вращательном движении поднимается вверх и выходит по патрубку 3 наружу в виде фугата - очищенной жидкости.
Частицы и капли дисперсной фазы, отбрасываемые центробежной силой к стенке цилиндроконического корпуса 1, опускаются по ней вниз и накапливаются в песковом патрубке 4, откуда периодически выгружаются в шламовый бункер.
Очищаемая жидкость, попавшая во внутреннюю застойную зону 7 между горизонтальными кольцевыми дисками 5 и 6, участвует в основном во вращательном движении вместе с очищаемой жидкостью, двигающейся во внешней рабочей зоне 8. Однако очищаемая жидкость во внутренней застойной зоне 7 практически не участвует в осевом движении сверху вниз из-за ограничителя этого движения в виде горизонтального кольцевого диска 6. Поэтому на границе внешней рабочей зоны 8 и внутренней застойной зоны 7 (условно показанной пунктирными линиями) скорость вращательного движения значительно отличается от нуля, поэтому гидравлическое сопротивление очищаемой жидкости, находящейся во внешней рабочей зоне 8, снижается, что приводит к уменьшению энергозатрат. Кроме того, по сравнению с гидроциклоном в гидроциклонной установке, выбранной за прототип, отпадает необходимость часть фугата направлять в виде рецикла в гидроциклон, что также приводит к снижению энергозатрат.
Таким образом, жесткое закрепление внутри корпуса в верхней и нижней части сливного патрубка горизонтальных кольцевых дисков позволяет создать внутреннюю застойную зону из очищаемой жидкости внутри корпуса гидроциклона, которая снижает гидравлическое сопротивление и заменяет собой устройства, связанные с дополнительной подачей очищенной жидкости - фугата в виде рецикла, что снижает энергозатраты, особенно при разделении вязких ньютоновских и неньютоновских жидкостей, а кроме того упрощает конструкцию и эксплуатацию гидроциклона.