Hydrocykloner

Beskrivelse

Hydrocyklonerer kono-cylindriske i form med et tangentielt fødeindløb ind i den cylindriske sektion og et udløb ved hver akse. Udløbet ved den cylindriske sektion kaldes hvirvelsøgeren og strækker sig ind i cyklonen for at reducere kortslutningsflow direkte fra indløbet. I den koniske ende er det andet udløb, studsen. Til størrelsesadskillelse er begge udløb generelt åbne mod atmosfæren. Hydrocykloner drives generelt lodret med studsen i den nedre ende, derfor kaldes det grove produkt underløbet og det fine produkt, hvilket efterlader hvirvelfinderen, overløbet. Figur 1 viser skematisk de vigtigste flow- og designtræk ved en typiskhydrocyklon: de to hvirvler, det tangentielle fødeindløb og de aksiale udløb. Bortset fra det umiddelbare område af det tangentielle indløb, har væskebevægelsen i cyklonen radial symmetri. Hvis det ene eller begge udløb er åbne mod atmosfæren, forårsager en lavtrykszone en gaskerne langs den lodrette akse inde i den indre hvirvel.

Driftsprincippet er enkelt: Væsken, der bærer de suspenderede partikler, trænger tangentielt ind i cyklonen, spiraler nedad og producerer et centrifugalfelt i fri hvirvelstrøm. Større partikler bevæger sig gennem væsken til ydersiden af cyklonen i en spiralbevægelse og kommer ud gennem tappen med en brøkdel af væsken. På grund af tappens begrænsende område etableres en indre hvirvel, der roterer i samme retning som den ydre hvirvel, men strømmer opad, og forlader cyklonen gennem hvirvelsøgeren, og transporterer det meste af væsken og finere partikler med sig. Hvis studskapaciteten overskrides, lukkes luftkernen af, og studsudledningen skifter fra en paraplyformet spray til et 'reb' og et tab af groft materiale til overløbet.

Diameteren af den cylindriske sektion er den største variabel, der påvirker størrelsen af partikel, der kan adskilles, selvom udløbsdiametrene kan ændres uafhængigt for at ændre den opnåede adskillelse. Mens tidlige arbejdere eksperimenterede med cykloner så små som 5 mm i diameter, varierer kommercielle hydrocyklondiametre i øjeblikket fra 10 mm til 2,5 m, med adskillelsesstørrelser for partikler med densitet 2700 kg m−3 på 1,5-300 μm, faldende med øget partikeltæthed. Driftstrykfaldet varierer fra 10 bar for små diametre til 0,5 bar for store enheder. For at øge kapaciteten, flere småhydrocyklonerkan manifoldes fra en enkelt fødeledning.

Selvom princippet om drift er enkelt, er mange aspekter af deres drift stadig dårligt forstået, og hydrocyklonvalg og forudsigelse for industriel drift er stort set empirisk.

Klassifikation

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., i Wills' Mineral Processing Technology (ottende udgave), 2016

9.4.3 Hydrocykloner versus skærme

Hydrocykloner er kommet til at dominere klassificeringen, når det drejer sig om fine partikelstørrelser i lukkede slibekredsløb (<200 µm). Den seneste udvikling inden for skærmteknologi (kapitel 8) har dog fornyet interessen for at bruge skærme i slibekredsløb. Sigter adskilles på basis af størrelse og er ikke direkte påvirket af tæthedsspredningen i fodermineralerne. Dette kan være en fordel. Skærme har heller ikke en bypass-fraktion, og som eksempel 9.2 har vist, kan bypass være ret stor (over 30 % i så fald). Figur 9.8 viser et eksempel på forskellen i partitionskurve for cykloner og skærme. Dataene er fra El Brocal-koncentratoren i Peru med evalueringer før og efter at hydrocyklonerne blev erstattet med en Derrick Stack Sizer® (se kapitel 8) i slibekredsløbet (Dündar et al., 2014). I overensstemmelse med forventningen, sammenlignet med cyklonen havde skærmen en skarpere adskillelse (kurvens hældning er højere) og lidt bypass. En stigning i slibekredsløbskapacitet blev rapporteret på grund af højere brudhastigheder efter implementering af skærmen. Dette blev tilskrevet elimineringen af bypasset, hvilket reducerede mængden af fint materiale, der sendes tilbage til slibemøllerne, hvilket har en tendens til at afbøde partikel-partikel-påvirkninger.

Skift er dog ikke én måde: Et nyligt eksempel er et skifte fra skærm til cyklon for at drage fordel af den yderligere størrelsesreduktion af de tættere betalingsmineraler (Sasseville, 2015).

Metallurgisk proces og design

Eoin H. Macdonald, i Handbook of Gold Exploration and Evaluation, 2007

Hydrocykloner

Hydrocykloner er foretrukne enheder til at dimensionere eller afslanke store gyllevolumener billigt, og fordi de optager meget lidt gulvplads eller frihøjde. De fungerer mest effektivt, når de tilføres med en jævn strømningshastighed og massefylde og bruges individuelt eller i klynger for at opnå den ønskede samlede kapacitet ved påkrævede opdelinger. Dimensioneringsevner er afhængige af centrifugalkræfter genereret af høje tangentielle strømningshastigheder gennem enheden. Den primære hvirvel dannet af den indkommende gylle virker spiralformet nedad omkring den indre keglevæg. Faste stoffer slynges udad ved hjælp af centrifugalkraften, så dens massefylde øges, når massen bevæger sig nedad. Lodrette komponenter af hastigheden virker nedad nær keglevæggene og opad nær aksen. Den mindre tætte centrifugalseparerede slimfraktion tvinges opad gennem hvirvelsøgeren for at passere ud gennem åbningen i den øvre ende af keglen. En mellemzone eller hylster mellem de to strømme har nul lodret hastighed og adskiller de grovere faste stoffer, der bevæger sig nedad, fra de finere faste stoffer, der bevæger sig opad. Størstedelen af strømmen passerer opad inden for den mindre indre hvirvel, og højere centrifugalkræfter kaster de største af de finere partikler udad, hvilket giver en mere effektiv adskillelse i de finere størrelser. Disse partikler vender tilbage til den ydre hvirvel og rapporterer endnu en gang til jigfoderet.

Geometrien og driftsbetingelserne inden for spiralstrømningsmønsteret for en typiskhydrocykloner beskrevet i fig. 8.13. Driftsvariabler er pulpdensitet, fødestrømningshastighed, faststofkarakteristika, fødeindløbstryk og trykfald gennem cyklonen. Cyklonvariabler er arealet af foderindløb, hvirvelfinderdiameter og -længde og studsudløbsdiameter. Værdien af modstandskoefficienten påvirkes også af formen; jo mere en partikel varierer fra sfæricitet, jo mindre er dens formfaktor og jo større modstandsdygtighed over for bundfældning. Den kritiske spændingszone kan strække sig til nogle guldpartikler så store som 200 mm i størrelse, og omhyggelig overvågning af klassificeringsprocessen er derfor afgørende for at reducere overdreven genanvendelse og den deraf følgende opbygning af slim. Historisk set, hvor lidt opmærksomhed blev givet til genopretningen af 150μm guldkorn synes overførsel af guld i slimfraktionerne i vid udstrækning at have været skyld i guldtab, der blev registreret til at være så høje som 40-60 % i mange guldplaceringsoperationer.

Figur 8.14 (Warman Selection Chart) er et foreløbigt udvalg af cykloner til adskillelse ved forskellige D50-størrelser fra 9-18 mikron op til 33-76 mikron. Dette diagram, som med andre sådanne diagrammer over cyklonydelse, er baseret på en omhyggeligt kontrolleret tilførsel af en bestemt type. Det forudsætter et tørstofindhold på 2.700 kg/m3 i vand som en første guide til udvælgelse. Cykloner med større diameter bruges til at producere grove separationer, men kræver høje fødevolumener for korrekt funktion. Fine adskillelser ved høje fødevolumener kræver klynger af cykloner med lille diameter, der arbejder parallelt. De endelige designparametre for tæt dimensionering skal bestemmes eksperimentelt, og det er vigtigt at vælge en cyklon omkring midten af området, så eventuelle mindre justeringer, der måtte være nødvendige, kan foretages ved opstart af operationer.

CBC-cyklonen (cirkulerende bed) hævdes at klassificere alluviale guldfødematerialer op til 5 mm diameter og opnå en konsekvent høj jig-tilførsel fra underløbet. Adskillelse sker caD50/150 mikron baseret på silica med densitet 2,65. CBC-cyklonunderløbet hævdes at være særligt modtageligt for jigseparering på grund af dens relativt glatte størrelsesfordelingskurve og næsten fuldstændige fjernelse af fine affaldspartikler. Men selvom dette system hævdes at producere et højkvalitets primært koncentrat af tilsvarende tunge mineraler i én passage fra et foder med relativt lang størrelse (f.eks. mineralsand), er der ingen sådanne ydelsestal tilgængelige for alluvialt fodermateriale indeholdende fint og flaget guld . Tabel 8.5 giver de tekniske data for AKWhydrocyklonerfor afskæringspunkter mellem 30 og 100 mikron.

Tabel 8.5. Tekniske data for AKW hydrocykloner

Type (KRS)	Diameter (mm)	Trykfald	Kapacitet		Skærepunkt (mikron)
Type (KRS)	Diameter (mm)	Trykfald	Gylle (m3/time)	Faste stoffer (maks. t/h).	Skærepunkt (mikron)
2118	100	1-2,5	9,27	5	30-50
2515	125	1-2,5	11-30	6	25-45
4118	200	0,7-2,0	18-60	15	40-60
(RWN)6118	300	0,5-1,5	40-140	40	50-100

Udviklingen inden for jernmalmsformning og klassificeringsteknologier

A. Jankovic, i Iron Ore, 2015

8.3.3.1 Hydrocyklonseparatorer

Hydrocyklonen, også kaldet cyklon, er en klassificeringsanordning, der anvender centrifugalkraft til at accelerere bundfældningshastigheden af slampartikler og adskille partikler i henhold til størrelse, form og vægtfylde. Det er meget udbredt i mineralindustrien, hvor dets hovedanvendelse i mineralforarbejdning er som en klassificering, hvilket har vist sig ekstremt effektivt ved fine separationsstørrelser. Det er flittigt brugt i lukkede kredsløbsslibeoperationer, men har fundet mange andre anvendelser, såsom afslibning, afslibning og fortykkelse.

En typisk hydrocyklon (figur 8.12a) består af en konisk formet beholder, åben ved spidsen eller underløbet, forbundet med en cylindrisk sektion, som har et tangentielt fødeindløb. Toppen af den cylindriske sektion er lukket med en plade, hvorigennem et aksialt monteret overløbsrør passerer. Røret forlænges ind i cyklonens krop med en kort, aftagelig sektion kendt som vortexfinderen, som forhindrer kortslutning af foder direkte ind i overløbet. Foderet indføres under tryk gennem den tangentielle indgang, som bibringer en hvirvlende bevægelse til pulpen. Dette genererer en hvirvel i cyklonen, med en lavtrykszone langs den lodrette akse, som vist i figur 8.12b. En luftkerne udvikler sig langs aksen, normalt forbundet med atmosfæren gennem apex-åbningen, men til dels skabt af opløst luft, der kommer ud af opløsningen i lavtrykszonen. Centrifugalkraften accelererer partiklernes bundfældningshastighed og adskiller derved partikler efter størrelse, form og vægtfylde. Hurtigere sedimenterende partikler bevæger sig til cyklonens væg, hvor hastigheden er lavest, og migrerer til topåbningen (underløb). På grund af trækkraftens virkning bevæger de langsommere bundfældende partikler sig mod lavtrykszonen langs aksen og føres opad gennem hvirvelsøgeren til overløbet.

Hydrocykloner er næsten universelt brugt i slibekredsløb på grund af deres høje kapacitet og relative effektivitet. De kan også klassificere over et meget bredt udvalg af partikelstørrelser (typisk 5-500 μm), idet enheder med mindre diameter bruges til finere klassificering. Imidlertid kan cyklonanvendelse i magnetit-slibekredsløb forårsage ineffektiv drift på grund af densitetsforskellen mellem magnetit og affaldsmineraler (silica). Magnetit har en specifik densitet på omkring 5,15, mens silica har en specifik densitet på omkring 2,7. Ihydrocykloner, tætte mineraler adskilles i en finere snitstørrelse end lettere mineraler. Derfor opkoncentreres frigjort magnetit i cyklonens underløb med deraf følgende overslibning af magnetitten. Napier-Munn et al. (2005) bemærkede, at forholdet mellem den korrigerede snitstørrelse (d50c) og partikeltæthed følger et udtryk af følgende form afhængig af strømningsforhold og andre faktorer:

d50c∝ρs−ρl−n

hvorρs er faststofdensiteten,ρl er væskedensiteten, ogner mellem 0,5 og 1,0. Dette betyder, at virkningen af mineraltæthed på cyklonens ydeevne kan være ret betydelig. For eksempel, hvisd50c af magnetitten er 25 μm, derefterd50c silicapartikler vil være 40-65 μm. Figur 8.13 viser cyklonklassificeringens effektivitetskurver for magnetit (Fe3O4) og silica (SiO2) opnået fra undersøgelsen af en industriel kuglemølles magnetitformalingskreds. Størrelsesadskillelsen for silica er meget grovere, med end50c for Fe3O4 på 29 μm, mens det for SiO2 er 68 μm. På grund af dette fænomen er magnetit-slibemøllerne i lukkede kredsløb med hydrocykloner mindre effektive og har lavere kapacitet sammenlignet med andre basismetalor-slibekredsløb.

Højtryksprocesteknologi: Grundlæggende og applikationer

MJ Cocero PhD, i Industrial Chemistry Library, 2001

Enheder til adskillelse af faste stoffer

•

Hydrocyklon

Dette er en af de enkleste typer faststofseparatorer. Det er en højeffektiv separationsenhed og kan bruges til effektivt at fjerne faste stoffer ved høje temperaturer og tryk. Det er økonomisk, fordi det ikke har nogen bevægelige dele og kræver lidt vedligeholdelse.

Separationseffektiviteten for faste stoffer er en stærk funktion af partikelstørrelsen og temperaturen. Bruttoadskillelseseffektiviteter i nærheden af 80 % kan opnås for silica og temperaturer over 300°C, mens bruttoseparationseffektiviteten for tættere zirkonpartikler i samme temperaturområde er større end 99 % [29].

Det største handicap ved hydrocyklondrift er tendensen hos nogle salte til at klæbe til cyklonens vægge.

•

Kryds mikrofiltrering

Krydsstrømsfiltre opfører sig på en måde, der svarer til den, der normalt observeres ved krydsstrømsfiltrering under omgivende forhold: øgede forskydningshastigheder og reduceret væskeviskositet resulterer i et øget filtratantal. Krydsmikrofiltrering er blevet anvendt til adskillelse af udfældede salte som faste stoffer, hvilket giver partikelseparationseffektiviteter, der typisk overstiger 99,9 %. Goemanset al.[30] undersøgte separation af natriumnitrat fra superkritisk vand. Under undersøgelsens betingelser var natriumnitrat til stede som det smeltede salt og var i stand til at krydse filteret. Separationseffektiviteter blev opnået, som varierede med temperaturen, eftersom opløseligheden falder, når temperaturen stiger, i området mellem 40% og 85%, for henholdsvis 400°C og 470°C. Disse arbejdere forklarede separationsmekanismen som en konsekvens af en tydelig permeabilitet af filtreringsmediet mod den superkritiske opløsning, i modsætning til det smeltede salt, baseret på deres klart distinkte viskositeter. Derfor ville det være muligt ikke blot at filtrere udfældede salte blot som faste stoffer, men også at filtrere de salte med lavt smeltepunkt, som er i smeltet tilstand.

Driftsproblemerne skyldtes hovedsageligt filterkorrosion fra saltene.

Papir: Genbrug og genbrugsmaterialer

MR Doshi, JM Dyer, i referencemodul i materialevidenskab og materialeteknik, 2016

3.3 Rengøring

Rengøringsmidler elhydrocyklonerfjerne forurenende stoffer fra papirmasse baseret på densitetsforskellen mellem forureningen og vand. Disse anordninger består af konisk eller cylindrisk-konisk trykbeholder, ind i hvilken pulp tilføres tangentielt ved ende med stor diameter (figur 6). Under passage gennem renseren udvikler pulpen et hvirvelstrømsmønster, der ligner det for en cyklon. Strømmen roterer rundt om den centrale akse, når den passerer væk fra indløbet og mod spidsen eller underløbsåbningen langs indersiden af rensevæggen. Rotationsstrømningshastigheden accelererer, når keglens diameter falder. Nær spidsenden forhindrer åbningen med lille diameter udledning af det meste af strømmen, som i stedet roterer i en indre hvirvel ved renserens kerne. Strømningen ved den indvendige kerne flyder væk fra apex-åbningen, indtil den løber ud gennem hvirvelsøgeren, der er placeret ved den store diameter i midten af renseren. Materialet med højere densitet, der er blevet koncentreret ved renserens væg på grund af centrifugalkraften, udledes ved keglens top (Bliss, 1994, 1997).

Rengøringsmidler er klassificeret som høj, medium eller lav densitet afhængigt af densiteten og størrelsen af de forurenende stoffer, der fjernes. Et rengøringsmiddel med høj densitet med en diameter på mellem 15 og 50 cm (6-20 tommer) bruges til at fjerne trampet metal, papirclips og hæfteklammer og placeres normalt umiddelbart efter pulpmaskinen. Efterhånden som renserens diameter falder, øges dens effektivitet til at fjerne små forurenende stoffer. Af praktiske og økonomiske årsager er cyklonen med en diameter på 75 mm (3 tommer) generelt det mindste rensemiddel, der bruges i papirindustrien.

Omvendte rengøringsmidler og gennemløbsrensere er designet til at fjerne forurenende stoffer med lav densitet, såsom voks, polystyren og klæbrer. Omvendte rengøringsmidler er således navngivet, fordi accept-strømmen opsamles ved renere apex, mens rejekterne kommer ud ved overløbet. I gennemløbsrenseren, accepterer og afviser udgangen i samme ende af renseren, med accepter nær renserens væg adskilt fra rejekterne af et centralt rør nær kernen af renseren, som vist i figur 7.

Kontinuerlige centrifuger brugt i 1920'erne og 1930'erne til at fjerne sand fra papirmasse blev afbrudt efter udviklingen af hydrocykloner. Gyroclean, udviklet ved Centre Technique du Papier, Grenoble, Frankrig, består af en cylinder, der roterer med 1200-1500 rpm (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). Kombinationen af relativt lang opholdstid og høj centrifugalkraft tillader forurenende stoffer med lav densitet tilstrækkelig tid til at migrere til renserens kerne, hvor de afvises gennem den midterste hvirveludledning.

MT Thew, i Encyclopedia of Separation Science, 2000

Synopsis

Selvom det fast-flydendehydrocyklonhar været etableret i det meste af det 20. århundrede, kom tilfredsstillende væske-væske-separationsydelse først i 1980'erne. Offshore olieindustrien havde et behov for kompakt, robust og pålideligt udstyr til at fjerne findelt forurenende olie fra vand. Dette behov blev opfyldt af en væsentlig anden type hydrocyklon, som naturligvis ikke havde nogen bevægelige dele.

Efter at have forklaret dette behov mere fuldstændigt og sammenlignet med faststof-væske cyklonadskillelse i mineralforarbejdning, gives de fordele, som hydrocyklonen gav i forhold til typer udstyr, der er installeret tidligere for at opfylde pligten.

Kriterierne for vurdering af separationspræstationsevnen er oplistet, før ydeevnen diskuteres med hensyn til fodersammensætning, operatørkontrol og den nødvendige energi, dvs. produktet af trykfald og flowhastighed.

Miljøet for olieproduktion sætter nogle begrænsninger for materialer, og dette inkluderer problemet med partikelerosion. Typiske anvendte materialer er nævnt. Relative omkostningsdata for typer af olieseparationsanlæg, både kapital og tilbagevendende, er skitseret, selvom kilderne er sparsomme. Til sidst beskrives nogle pejlemærker til yderligere udvikling, da olieindustrien ser på udstyr installeret på havbunden eller endda i bunden af brøndboringen.

Prøveudtagning, kontrol og massebalancering

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., i Wills' Mineral Processing Technology (ottende udgave), 2016

3.7.1 Brug af partikelstørrelse

Mange enheder, som f.ekshydrocyklonerog gravitationsseparatorer, producerer en grad af størrelsesseparation, og partikelstørrelsesdataene kan bruges til massebalancering (eksempel 3.15).

Eksempel 3.15 er et eksempel på minimering af knudeubalance; den giver f.eks. startværdien for den generaliserede mindste kvadraters minimering. Denne grafiske tilgang kan bruges, når der er "overskydende" komponentdata; i eksempel 3.9 kunne det have været brugt.

Eksempel 3.15 bruger cyklonen som knudepunkt. En anden knude er sumpen: dette er et eksempel på 2 input (frisk foder og kuglemølleudledning) og en udgang (cyklonføde). Dette giver endnu en massebalance (eksempel 3.16).

I kapitel 9 vender vi tilbage til dette slibekredsløbseksempel ved at bruge justerede data til at bestemme cyklonpartitionskurven.

Indlægstid: maj-07-2019