الهيدروسيكلون

أحد المشاكل الشائعة في بعض الصناعات هو وجود جزيئات معلقة في السوائل، ولذلك في الصناعات التي تتعامل مع السوائل، وجود هذه الجزيئات الكاشطة يمثل مشكلة. بشكل عام، المشاكل التي تسببها الجزيئات الصلبة الموجودة في مياه المصانع تشمل التآكل والأضرار الجسيمة للمضخات، انسداد الأنابيب، أضرار جسيمة لأنظمة الأنابيب وغيرها؛ لذلك وجود هذه الحبيبات الصلبة في المنشآت والأجهزة التي تحتاج مباشرة إلى الماء يتسبب في أضرار كبيرة لها.

الهيدروسيكلون هو من المعدات والأدوات البسيطة والفعالة لإزالة الجزيئات الصلبة والمعلقة في الماء. هذا الجهاز يستخدم بسبب سهولة الاستخدام والدقة العالية كواحد من الطرق الشائعة للمعالجة المسبقة. الهيدروسيكلون له مكانة خاصة في أنظمة المعالجة وتوفير المياه بسبب كفاءته العالية في إزالة الجزيئات، سهولة التركيب والتشغيل، وسعره المناسب. من مزاياه أيضاً أنه لا يحتاج إلى الكهرباء أو الأجهزة الكهربائية، ويمكن استخدامه لإزالة وفصل الجزيئات الصلبة من مياه العودة في الوحدات الصناعية والمصانع بانخفاض ضغط بسيط وسهولة في التشغيل.

من تطبيقاته الأخرى استخدام الهيدروسيكلون لمعالجة مياه الزراعة. حيث أن الآبار تحتوي على كمية كبيرة من الحبيبات والمواد الصلبة وهذه الحبيبات يمكن أن تؤدي إلى انسداد أنابيب نقل المياه وكذلك فوهات الرش في الحقول، لذلك استخدام الهيدروسيكلون لحماية مضخات الزراعة ضروري. لذلك يجب وضع خزان الهيدروسيكلون على رأس البئر لفصل الجزيئات. لتحسين نظام الإمداد المائي للمزارعين يجب استخدام اثنين من الهيدروسيكلونات بالتوازي. لذلك يمكن استخدام الهيدروسيكلون على جميع الآبار ولا يتسبب في انخفاض ضغط كبير. وأيضاً بسبب أن آبار شمال البلاد تحتوي على عكارة مياه عالية، الهيدروسيكلون هو أفضل طريقة لإزالة هذه العكارة. بشكل عام، الهيدروسيكلونات لها نطاق تصميم واستخدام واسع ويمكن ترتيبها بالتوازي أو على التوالي لتحقيق فصل أمثل.

الهيدروسيكلون له جسم مخروطي الشكل في الأعلى ويتحول إلى شكل أسطواني. طريقة عمل الجهاز تعتمد على قوة الطرد المركزي. الماء بالضغط الناتج من المضخة يدخل من خلال قناة جانبية إلى القسم الأسطواني العلوي ويدور حول الأسطوانة المركزية للهيدروسيكلون. بسبب قوة الطرد المركزي تتحرك الجزيئات الثقيلة نحو جدار الهيدروسيكلون وبسبب الفرق في الكثافة بين الجزيئات والماء، يخرج الماء النظيف من الجزء العلوي وتستخرج الجزيئات والحبيبات من الجزء السفلي. من الأفضل لتنظيف وصيانة الهيدروسيكلون أن يتم غسله من وقت لآخر حسب كمية الجزيئات داخل الماء. يتم ذلك بفتح خزان الشطف في نهاية الهيدروسيكلون وربطه بمياه الدخول لغسل الخزان كاملاً.

الهيدروسيكلون العادي يتكون من حجرة أسطوانية متصلة بجسم مخروطي تنتهي بصمام في رأس المخروط السفلي. هذا الجزء يفرغ التيار السفلي. التيار العكسي يفرغ عبر أنبوب مركّز في الجزء العلوي من الحجرة يسمى “المكتشف الدوامي” ويصرف “الفيضان”. كلمات “أسفل” و”أعلى” تستخدم فقط لتبسيط الوصف. يمكن للهيدروسيكلون العمل مقلوباً أو بمحور مائل أو أفقي.

وجود كلا التيارين الأسفل والأعلى يعني وجود نقطة سرعة عمودية صفرية في مكان ما، وفي نفس الوقت لكل من التيارين سرعة مماسية؛ حيث تقل في الحلقة الخارجية مع زيادة نصف القطر وتقل أيضاً في الحلقة الداخلية مع تقليل نصف القطر.

السرعات يمكن تمثيلها بمعادلة urn = ثابت حيث n = -1 في الحلقة الداخلية وقد تأخذ قيم بين +0.5 إلى +0.8 في الحلقة الخارجية (انظر تدفق الدوامة).

هذا يعني أن السائل الخارجي يقترب من دوامة حرة ويتعرض للقص بينما السائل الداخلي يتصرف كجسم صلب ويدور بسرعة زاوية ثابتة. السرعة المماسية في القمة ليست بالضرورة عند موقع السرعة العمودية الصفرية.

تم تطوير هذه الأنماط والعلاقات تجريبياً من قبل كلزال (1952) وبرادلي (1965) وتم إثباتها مؤخراً باستخدام الديناميكا الحسابية للسوائل.

نظراً لهذا التعقيد، طور العديد من المصنعين علاقات لتحسين كفاءة الفصل وانخفاض الضغط في الهيدروسيكلونات. تم نشر الدراسات بواسطة برادلي (1965) وساروفيسكي (1984).

قوة الطرد المركزي الناتجة قادرة على فصل الجزيئات المعلقة بحجم تقريباً 5 إلى 10 ميكرون. كلما صغر قطر هذا السيكلون، زادت القوة وازدادت كفاءة فصل الجزيئات الصغيرة. هناك تصميمات مخروطية طويلة تدعي كفاءة جيدة للجزيئات أقل من 5 ميكرون. مع ذلك، القطر الصغير يعني سعة سائلة منخفضة وفي معظم الحالات يجب أن تكون هذه الهيدروسيكلونات متعددة الممرات ومتصلة بالتوازي للاستخدام الصناعي.

تم استخدام الهيدروسيكلون في البداية في صناعة معالجة المعادن لفصل الصلب-سائل، أي تجفيف الجزيئات الصلبة المعلقة في مجرى الماء. مع ذلك، يعتمد آلية الفصل على الفرق في الكثافة بين الجزيئات والوسط السائل وكذلك حجم الجزيئات (انظر قانون ستوكس).

كما ذُكر، الهيدروسيكلون يفصل الجزيئات الكاشطة والرمل من مياه الآبار والأنهار. في الحالة المثلى، يمكنه إزالة وترسيب الجزيئات حتى حجم 75 ميكرون. كما أن الهيدروسيكلون لا يؤثر على تقليل ملوحة المياه. بشكل عام، يمكن استخدام الهيدروسيكلون للمعالجة المسبقة لمياه التناضح العكسي، معالجة مياه آبار الزراعة، مصانع الرمل والحصى، مصانع إنتاج النشاء والدقيق، ومصانع البلاط والسيراميك.