Чаще всего используется гидромеханическое разделение систем жидкость – твердое тело. В промышленном производстве, как правило, используют низкопроизводительные и материалоемкие отстойные аппараты, занимающие большие производственные площади. Разделение неоднородных, нерастворимых систем в таких аппаратах происходит продолжительное время. Ускорить процесс разделения становится возможным благодаря замене гравитационного отстаивания, осаждением в центробежном поле.

Использование вращательного движения, при котором (под действием центробежной силы) происходит разделение веществ с различной плотностью, является основой гидродинамического метода разделения неоднородных, нерастворимых систем. Данный метод применяется всепараторах или  центрифугах, а также в гидроциклонах. Главное отличие последних заключается в том, что вращательное движение жидкости происходит от энергии текущего потока жидкости.

Для процессов гидродинамического разделения неоднородных, нерастворимых систем, основными методами являются центробежное фильтрование и центробежное осаждение [2]. При использовании первого метода жидкость под действием центробежных силпроходит через пористую перегородку, которая способна задерживать крупные частицы. Второй метод разъединения дисперсной фазы от дисперсионной среды обусловлен действием на более плотные частицы центробежной силы инерции. Выбор метода зависит от физико-механических свойств диспергированной системы, требуемых показателей разделения, и ряда других факторов.

Анализируя результаты промышленной эксплуатации гидроциклонов в нашей стране, можно сказать, что эти аппараты успешно работают в технологических процессах осветления, сгущения и обогащения суспензий и эмульсий, а также в процессах классификации твердой фазы суспензий по крупности.

Цилиндроконический гидроциклон состоит из двух основных частей: конической и цилиндрической (рисунок 1). В цилиндрической части имеется входной патрубок, по которому исходная суспензия подается тангенциально в гидроциклон. Для вывода осветленной жидкости служит сливной патрубок.

В вершине конуса гидроциклона расположен патрубок для вывода сгущенного продукта. Исходная суспензия обычно подается в аппарат под избыточным давлением, которое создается питающим насосом.

Рисунок 1. Цилиндроконический гидроциклон: 1 – питающий патрубок; 2 – сливной патрубок; 3 – крышка; 4 – патрубок для вывода сгущенного продукта; 5 – коническая часть; 6 – цилиндрическая часть

На рисунке 2 показана схема движения двух основных потоков. В пери­ферийной зоне поток жидкости, вращаясь с большой скоростью, движется вниз к вершине конуса гидроциклона. При этом небольшой процент жидкости выводится через патрубок сгущенных фракций 5. Основная же часть, разделяемой фракции изменяет направление своего движения и образует внутренний восходящий поток, который поднимается вверх и удаляется из гидроциклона через патрубок разгрузки осветленной жидкости 1.

Рисунок 2. Схема движения потоков в корпусе цилиндроконического гидроциклона: 1 – сливной патрубок; 2 – крышка; 3 – цилиндрическая часть; 4 – коническая часть; 5 – патрубок для вывода сгущенного продукта; 6 – питающий патрубок

Гидроциклоны обладают рядом, достоинств: малая энергоемкость, металлоёмкость, незначительные габаритные размеры, большая производительность. Тем не менее, они не лишены нескольких незначительных недостатков: зависимость чистоты разделения дисперсионной системы от колебаний концентрации и состава дисперсной фазы, в питании аппарата; эрозионный износ внутренних поверхностей при длительной эксплуатации; не способность получения абсолютно чистых продуктов, при разделении тонких суспензий и эмульсий [3, 4, 5, 6, 7, 8]. Устранение первого недостатка возможно путем введения в технологический процесс систем автоматического регулирования подачи дисперсионной системы, второй недостаток устраняется путем футеровки внутренней поверхности гидроциклона.

Использование в технологических линиях производственных процессов гидроциклонов в качестве самостоятельных единиц оборудования, а также в сочетании с фильтрами, центробежными сепараторами и центрифугами, актуально, так как позволяет в значительной степени снизить затраты на разъединения дисперсной фазы от дисперсионной среды.

До настоящего времени имеются две различные точки зрения на строение потоков жидкости в гидроциклонах. Согласно исследованиям, результаты которых приводятся в работах М.Г. Акопова, А.И. Жангарина переход жидкости из нисходящего потока в восходящий происходит по всей высоте конуса, имея при этом переменный характер по вертикали [1, 2]. По другим данным, основная часть жидкости поступает в восходящий поток в нижней части конуса, при этом в середине конуса между потоками существует замкнутый кольцевой вихрь, в котором жидкость одновременно с вращением вокруг оси перемещается с наружной стороны вихря в направлении к нижнему патрубку, а с внутренней – в направлении к верхнему патрубку [3, 4, 5].

В.В. Найденко указывает, что на изменение структуры потоков оказывают влияние конструктивные размеры гидроциклонов. При этом меняются линии токов внешнего потока, зоны циркуляции могут иметь пренебрежимо малые размеры. А так-же размеры, исключение которых приводит к ощутимым ошибкам в расчетах [6].

А.И. Поваров и В.Г. Барский отмечают, что вращательное движение жидкости обычно возникает при истечении из отверстий даже при отсутствии тангенциального подвода («воронкообразование»). При этом общее гидравлическое сопротивление аппарата препятствует про­хождению суммарного расхода жидкости через нижнее разгрузочное от­верстие, вследствие чего большая часть потока меняет направление своего движения и выводится через верхний сливной патрубок [6, 7].

Подобный характер течения, а именно наличие внешнего и внутреннего потоков и расположенной между ними циркуляционной зоны (рисунок 1), установлен в результате исследования движения закрученного потока в цилиндрическом канале, проведенного А.А. Халатовым, В.В. Жизняковым и В.В. Найденко. Моделируя движение жидкости в сливном патрубке гидроциклона, они, в качестве закручивающего (разгонного) элемента применяли четырехлопастную вертушку, формирующую профиль вращательной скорости, близкий к закону «твердого тела» [8].

Рисунок 1. Структура потоков в цилиндроконическом гидроциклоне (пунктиром обозначены оболочки нулевых вертикальных скоростей): а – по А.И. Поварову; б – по Г. Тарьяну; в – по Д. Брэдли

Анализируя формирование и структуру закрученных потоков в гид­роциклонах, в цилиндрических каналах, а также в аппаратах с мешалками и в кольцевом канале между соосными цилиндрами, один из которых (внутренний) вращается [9, 10], можно заключить, что образование замкнутых циркуляционных вихрей является общим свойством закрученных потоков. Отличие во взглядах различных исследователей, как отмечает А.И. Поваров, заключается именно в представлении о положении, количестве и роли циркуляционных потоков, а также о месте перемены внешним потоком направления своего движения. От решения этого вопроса в общем случае зависит принятие определенной схемы процесса центробежной сепарации в аппаратах гидроциклонного типа.

Траектория твердых частиц, а, следовательно их местоположение и, в конечном итоге, разделяющая способность аппарата зависят от силового взаимодействия в радиальном направлении и прежде всего от взаимодействия результирующей центробежной силы и силы сопротивления, определяемой законом Стокса. [7].

Движение закрученного потока и, в частности, движение жидкости в аппаратах гидроциклонного типа может быть представлено как ре­зультирующее движений в трех направлениях: тангенциальном (ок­ружном), осевом (вертикальном) и радиальном. В связи с этим различают тангенциальную, осевую и радиальную составляющие скорости потока.

Подводя итог нужно отметить, что в гидроциклонных аппаратах на процесс разделения большое влияние оказывает тангенциальная составляющая скорости жидкости, которая в процентном отношении от суммарной скорости потока составляет 90-95% [6]. Поэтому наиболее важной задачей при проведении исследований, является изучение распределения именно этой скорости в объеме аппарата.