Hidrocikloni

Opis

HidrocikloniKonusno-cilindričnog su oblika, s tangencijalnim ulazom za punjenje u cilindrični dio i izlazom na svakoj osi. Izlaz na cilindričnom dijelu naziva se tražilo vrtloga i proteže se u ciklon kako bi se smanjio protok kratkog spoja izravno iz ulaza. Na konusnom kraju nalazi se drugi izlaz, slavina. Za odvajanje veličine, oba izlaza su općenito otvorena prema atmosferi. Hidrocikloni se općenito rade vertikalno s slavinom na donjem kraju, stoga se grubi proizvod naziva podtok, a fini proizvod, koji napušta tražilo vrtloga, preljev. Slika 1 shematski prikazuje glavne značajke protoka i dizajna tipičnoghidrociklon: dva vrtloga, tangencijalni ulaz za punjenje i aksijalni izlazi. Osim neposrednog područja tangencijalnog ulaza, kretanje fluida unutar ciklona ima radijalnu simetriju. Ako su jedan ili oba izlaza otvorena prema atmosferi, zona niskog tlaka uzrokuje plinsku jezgru duž vertikalne osi, unutar unutarnjeg vrtloga.

Princip rada je jednostavan: tekućina, koja nosi suspendirane čestice, ulazi u ciklon tangencijalno, spiralno se kreće prema dolje i stvara centrifugalno polje u slobodnom vrtložnom toku. Veće čestice kreću se kroz tekućinu prema van iz ciklona spiralnim pokretom i izlaze kroz slavinu s dijelom tekućine. Zbog ograničavajućeg područja slavine, uspostavlja se unutarnji vrtlog, koji se okreće u istom smjeru kao i vanjski vrtlog, ali teče prema gore, i napušta ciklon kroz tražilo vrtloga, noseći sa sobom većinu tekućine i finijih čestica. Ako se prekorači kapacitet slavine, zračna jezgra se zatvara, a ispuštanje slavine mijenja se iz prskanja u obliku kišobrana u 'uže' i gubitak grubog materijala prema preljevu.

Promjer cilindričnog dijela glavna je varijabla koja utječe na veličinu čestica koje se mogu odvojiti, iako se promjeri izlaza mogu neovisno mijenjati kako bi se promijenila postignuta separacija. Dok su rani istraživači eksperimentirali s ciklonima promjera samo 5 mm, promjeri komercijalnih hidrociklona trenutno se kreću od 10 mm do 2,5 m, s veličinama odvajanja za čestice gustoće 2700 kg m−3 od 1,5–300 μm, smanjujući se s povećanjem gustoće čestica. Pad radnog tlaka kreće se od 10 bara za male promjere do 0,5 bara za velike jedinice. Za povećanje kapaciteta, više malihhidrociklonimože se spojiti razdjelnikom iz jedne dovodne linije.

Iako je princip rada jednostavan, mnogi aspekti njihovog rada još uvijek su slabo shvaćeni, a odabir i predviđanje hidrociklona za industrijski rad uglavnom su empirijski.

Klasifikacija

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., u Willsovoj knjigi o tehnologiji obrade minerala (osmo izdanje), 2016.

9.4.3 Hidrocikloni u odnosu na sita

Hidrocikloni su postali dominantna klasifikacija kada se radi o finim česticama u zatvorenim krugovima mljevenja (<200 µm). Međutim, nedavni razvoj tehnologije sita (Poglavlje 8) obnovio je interes za korištenje sita u krugovima mljevenja. Sita se odvajaju na temelju veličine i nisu izravno pod utjecajem gustoće ulaznih minerala. To može biti prednost. Sita također nemaju bypass udio, a kao što je pokazao Primjer 9.2, bypass može biti prilično velik (preko 30% u tom slučaju). Slika 9.8 prikazuje primjer razlike u krivulji particije za ciklone i sita. Podaci su iz koncentratora El Brocal u Peruu s evaluacijama prije i nakon što su hidrocikloni zamijenjeni Derrick Stack Sizer®-om (vidi Poglavlje 8) u krugu mljevenja (Dündar i sur., 2014.). U skladu s očekivanjima, u usporedbi s ciklonom, sito je imalo oštrije odvajanje (nagib krivulje je veći) i mali bypass. Povećanje kapaciteta kruga mljevenja zabilježeno je zbog veće stope loma nakon implementacije sita. To se pripisuje uklanjanju bypassa, smanjujući količinu finog materijala koji se vraća u mlinove za mljevenje, što ublažava udarce čestica o čestice.

Međutim, promjena nije jednosmjerna: nedavni primjer je prelazak s rešetke na ciklon, kako bi se iskoristilo dodatno smanjenje veličine gušćih produktivnih minerala (Sasseville, 2015.).

Metalurški proces i dizajn

Eoin H. Macdonald, u Priručniku za istraživanje i procjenu zlata, 2007.

Hidrocikloni

Hidrocikloni su preferirane jedinice za jeftino dimenzioniranje ili uklanjanje sluzi velikih količina mulja jer zauzimaju vrlo malo prostora na podu ili visine. Najučinkovitije rade kada se dovode ravnomjernom brzinom protoka i gustoćom pulpe te se koriste pojedinačno ili u skupinama kako bi se postigli željeni ukupni kapaciteti pri potrebnim podjelama. Mogućnosti dimenzioniranja oslanjaju se na centrifugalne sile generirane visokim tangencijalnim brzinama protoka kroz jedinicu. Primarni vrtlog koji stvara dolazna suspenzija djeluje spiralno prema dolje oko unutarnje stijenke konusa. Krute tvari centrifugalna sila izbacuje prema van tako da se, kako se pulpa kreće prema dolje, njezina gustoća povećava. Vertikalne komponente brzine djeluju prema dolje blizu stijenki konusa i prema gore blizu osi. Manje gusta centrifugalno odvojena frakcija mulja prisiljava se prema gore kroz tražilo vrtloga kako bi prošla kroz otvor na gornjem kraju konusa. Međuzona ili omotač između dva toka ima nultu vertikalnu brzinu i odvaja grublje krute tvari koje se kreću prema dolje od finijih krutih tvari koje se kreću prema gore. Glavnina toka prolazi prema gore unutar manjeg unutarnjeg vrtloga, a veće centrifugalne sile izbacuju veće finije čestice prema van, čime se osigurava učinkovitije odvajanje finijih čestica. Te se čestice vraćaju u vanjski vrtlog i ponovno se javljaju u dovodni uređaj za jig.

Geometrija i radni uvjeti unutar spiralnog toka tipičnoghidrociklonopisane su na slici 8.13. Operativne varijable su gustoća pulpe, brzina protoka ulazne tvari, karakteristike krutih tvari, tlak ulazne tvari i pad tlaka kroz ciklon. Varijable ciklona su površina ulazne tvari, promjer i duljina tražila vrtloga te promjer ispusnog ventila. Na vrijednost koeficijenta otpora utječe i oblik; što se čestica više razlikuje od sferičnosti, to je manji njezin faktor oblika i veći otpor taloženju. Kritična zona naprezanja može se proširiti na neke čestice zlata veličine i do 200 mm, te je stoga pažljivo praćenje procesa klasifikacije bitno kako bi se smanjilo prekomjerno recikliranje i rezultirajuće nakupljanje mulja. Povijesno gledano, kada se malo pažnje posvećivalo oporabljivanju 150μm zrna zlata, prijenos zlata u frakcijama mulja čini se uvelike odgovornim za gubitke zlata koji su zabilježeni i do 40-60% u mnogim operacijama iskopavanja zlata.

Slika 8.14 (Warmanova tablica odabira) prikazuje preliminarni odabir ciklona za odvajanje pri različitim veličinama D50 od 9–18 mikrona do 33–76 mikrona. Ova tablica, kao i druge slične tablice performansi ciklona, temelji se na pažljivo kontroliranom ulazu određene vrste. Pretpostavlja sadržaj krutih tvari od 2700 kg/m3 u vodi kao prvi vodič za odabir. Cikloni većeg promjera koriste se za grubo odvajanje, ali zahtijevaju velike količine ulaza za pravilan rad. Fino odvajanje pri velikim količinama ulaza zahtijeva skupine ciklona malog promjera koje rade paralelno. Konačni parametri dizajna za blisko dimenzioniranje moraju se eksperimentalno odrediti, a važno je odabrati ciklon oko sredine raspona kako bi se sve manje prilagodbe koje bi mogle biti potrebne mogle izvršiti na početku rada.

Tvrdi se da ciklon CBC (circulating bed) klasificira aluvijalne materijale zlata promjera do 5 mm i dobiva konzistentno visoku količinu sirovog materijala iz donjeg toka. Separacija se odvija na otprilikeD50/150 mikrona na bazi silicijevog dioksida gustoće 2,65. Tvrdi se da je donji tok CBC ciklona posebno pogodan za jig separaciju zbog svoje relativno glatke krivulje raspodjele veličine i gotovo potpunog uklanjanja finih čestica otpada. Međutim, iako se tvrdi da ovaj sustav proizvodi visokokvalitetni primarni koncentrat jednakih teških minerala u jednom prolazu iz relativno velikog raspona veličina ulaznog materijala (npr. mineralni pijesak), takve brojke o performansama nisu dostupne za aluvijalni ulazni materijal koji sadrži fino i ljuskavo zlato. Tablica 8.5 daje tehničke podatke za AKWhidrocikloniza granične vrijednosti između 30 i 100 mikrona.

Tablica 8.5. Tehnički podaci za AKW hidrociklone

Tip (KRS)	Promjer (mm)	Pad tlaka	Kapacitet		Točka rezanja (mikroni)
Tip (KRS)	Promjer (mm)	Pad tlaka	Gnojnica (m3/h)	Krute tvari (t/h max).	Točka rezanja (mikroni)
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

Razvoj tehnologija usitnjavanja i klasifikacije željezne rude

A. Janković, u Željeznoj rudi, 2015.

8.3.3.1 Hidrociklonski separatori

Hidrociklon, također poznat kao ciklon, je uređaj za klasifikaciju koji koristi centrifugalnu silu za ubrzavanje brzine taloženja čestica suspenzije i odvajanje čestica prema veličini, obliku i specifičnoj težini. Široko se koristi u industriji minerala, a njegova glavna upotreba u preradi minerala je kao klasifikator, koji se pokazao izuzetno učinkovitim pri finim veličinama odvajanja. Široko se koristi u operacijama mljevenja u zatvorenom krugu, ali je pronašao mnoge druge primjene, kao što su uklanjanje sluzi, uklanjanje pijeska i zgušnjavanje.

Tipični hidrociklon (slika 8.12a) sastoji se od konusno oblikovane posude, otvorene na vrhu ili donjem dijelu, spojene s cilindričnim dijelom koji ima tangencijalni ulaz za punjenje. Vrh cilindričnog dijela zatvoren je pločom kroz koju prolazi aksijalno postavljena preljevna cijev. Cijev se produžava u tijelo ciklona kratkim, uklonjivim dijelom poznatim kao tražilo vrtloga, koji sprječava kratki spoj ulaza izravno u preljev. Punjenje se uvodi pod tlakom kroz tangencijalni ulaz, što daje vrtložno kretanje pulpi. To stvara vrtlog u ciklonu, s niskotlačnom zonom duž vertikalne osi, kao što je prikazano na slici 8.12b. Zračna jezgra razvija se duž osi, obično povezana s atmosferom kroz vršni otvor, ali djelomično stvorena otopljenim zrakom koji izlazi iz otopine u zoni niskog tlaka. Centrifugalna sila ubrzava brzinu taloženja čestica, čime se čestice odvajaju prema veličini, obliku i specifičnoj težini. Brže taložne čestice kreću se prema stijenci ciklona, gdje je brzina najmanja, i migriraju prema vršnom otvoru (podtok). Zbog djelovanja sile otpora, sporije taložne čestice kreću se prema zoni niskog tlaka duž osi i nose se prema gore kroz tražilo vrtloga do preljeva.

Hidrocikloni se gotovo univerzalno koriste u krugovima mljevenja zbog svog visokog kapaciteta i relativne učinkovitosti. Također mogu klasificirati u vrlo širokom rasponu veličina čestica (obično 5–500 μm), pri čemu se jedinice manjeg promjera koriste za finiju klasifikaciju. Međutim, primjena ciklona u krugovima mljevenja magnetita može uzrokovati neučinkovit rad zbog razlike u gustoći između magnetita i otpadnih minerala (silicijev dioksid). Magnetit ima specifičnu gustoću od oko 5,15, dok silicijev dioksid ima specifičnu gustoću od oko 2,7. Uhidrocikloni, gusti minerali se odvajaju pri finijoj veličini reza od lakših minerala. Stoga se oslobođeni magnetit koncentrira u donjem toku ciklona, što rezultira prekomjernim usitnjavanjem magnetita. Napier-Munn i sur. (2005.) primijetili su da je odnos između korigirane veličine reza (d50c) i gustoća čestica slijedi izraz sljedećeg oblika ovisno o uvjetima toka i drugim čimbenicima:

d50c∝ρs−ρl−n

gdjeρs je gustoća čvrste tvari,ρl je gustoća tekućine, anje između 0,5 i 1,0. To znači da utjecaj gustoće minerala na performanse ciklona može biti prilično značajan. Na primjer, ako jed50c magnetita je 25 μm, tada jed50c čestica silicijevog dioksida bit će 40–65 μm. Slika 8.13 prikazuje krivulje učinkovitosti klasifikacije ciklona za magnetit (Fe3O4) i silicijev dioksid (SiO2) dobivene pregledom kruga mljevenja magnetita u industrijskom kugličnom mlinu. Razdvajanje veličine silicijevog dioksida je mnogo grublje, sd50c za Fe3O4 od 29 μm, dok je za SiO2 68 μm. Zbog ovog fenomena, mlinovi za mljevenje magnetita u zatvorenim krugovima s hidrociklonima su manje učinkoviti i imaju manji kapacitet u usporedbi s drugim krugovima mljevenja rude baznih metala.

Tehnologija visokotlačnih procesa: Osnove i primjena

MJ Cocero, doktor znanosti, u Knjižnici industrijske kemije, 2001.

Uređaji za odvajanje krutih tvari

•

Hidrociklon

Ovo je jedan od najjednostavnijih tipova separatora krutih tvari. To je visokoučinkovit uređaj za separaciju i može se koristiti za učinkovito uklanjanje krutih tvari pri visokim temperaturama i tlakovima. Ekonomičan je jer nema pokretnih dijelova i zahtijeva malo održavanja.

Učinkovitost odvajanja krutih tvari snažno ovisi o veličini čestica i temperaturi. Bruto učinkovitost odvajanja blizu 80% može se postići za silicijev dioksid i temperature iznad 300 °C, dok je u istom temperaturnom rasponu bruto učinkovitost odvajanja za gušće čestice cirkona veća od 99% [29].

Glavni nedostatak rada hidrociklona je tendencija nekih soli da se prilijepe za stijenke ciklona.

•

Križna mikrofiltracija

Filtri s križnim protokom ponašaju se slično onome što se normalno opaža kod filtracije s križnim protokom u ambijentalnim uvjetima: povećane brzine smicanja i smanjena viskoznost fluida rezultiraju povećanim brojem filtrata. Križna mikrofiltracija primijenjena je za odvajanje istaloženih soli kao krutih tvari, dajući učinkovitost odvajanja čestica koja obično prelazi 99,9%. Goemansi dr.[30] proučavali su odvajanje natrijevog nitrata iz superkritične vode. U uvjetima studije, natrijev nitrat bio je prisutan kao rastaljena sol i bio je sposoban proći kroz filter. Postignute su učinkovitosti odvajanja koje su varirale s temperaturom, budući da se topljivost smanjuje s porastom temperature, u rasponu od 40% do 85%, za 400 °C odnosno 470 °C. Ovi istraživači objasnili su mehanizam odvajanja kao posljedicu različite propusnosti filtracijskog medija prema superkritičnoj otopini, za razliku od rastaljene soli, na temelju njihovih jasno različitih viskoziteta. Stoga bi bilo moguće ne samo filtrirati istaložene soli samo kao krutine, već i filtrirati one soli s niskim talištem koje su u rastaljenom stanju.

Problemi u radu uglavnom su bili uzrokovani korozijom filtera uzrokovanom solima.

Papir: Recikliranje i reciklirani materijali

MR Doshi, JM Dyer, u Referentnom modulu iz znanosti o materijalima i inženjerstva materijala, 2016.

3.3 Čišćenje

Čistači ilihidrocikloniuklanjaju onečišćujuće tvari iz pulpe na temelju razlike u gustoći između onečišćujuće tvari i vode. Ovi uređaji sastoje se od konusne ili cilindrično-konusne tlačne posude u koju se pulpa tangencijalno dovodi na kraju velikog promjera (slika 6). Tijekom prolaska kroz čistač, pulpa razvija vrtložni uzorak toka, sličan onome kod ciklona. Tok se okreće oko središnje osi dok se udaljava od ulaza i prema vrhu, ili otvoru za donji protok, duž unutarnje strane stijenke čistača. Brzina rotacijskog toka ubrzava se kako se promjer konusa smanjuje. Blizu vršnog kraja, otvor malog promjera sprječava ispuštanje većine toka koji se umjesto toga okreće u unutarnjem vrtlogu u jezgri čistača. Tok u unutarnjoj jezgri teče od vršnog otvora dok se ne ispusti kroz tražilo vrtloga, smješteno na kraju velikog promjera u središtu čistača. Materijal veće gustoće, nakon što je koncentriran na stijenci čistača zbog centrifugalne sile, ispušta se na vrhu konusa (Bliss, 1994, 1997).

Čistači se klasificiraju kao visoke, srednje ili niske gustoće ovisno o gustoći i veličini onečišćujućih tvari koje se uklanjaju. Čistač visoke gustoće, promjera od 15 do 50 cm (6–20 in) koristi se za uklanjanje neiskorištenog metala, spajalica i klamerica te se obično postavlja neposredno nakon pulpera. Kako se promjer čistača smanjuje, njegova učinkovitost u uklanjanju malih onečišćujućih tvari raste. Iz praktičnih i ekonomskih razloga, ciklon promjera 75 mm (3 in) općenito je najmanji čistač koji se koristi u industriji papira.

Obrnuti čistači i protočni čistači dizajnirani su za uklanjanje onečišćujućih tvari niske gustoće poput voska, polistirena i ljepljivih tvari. Obrnuti čistači su tako nazvani jer se prihvaćeni tok skuplja na vrhu čistača, dok otpadni materijal izlazi na preljevu. U protočnom čistaču, prihvaćeni i otpadni materijal izlaze na istom kraju čistača, s prihvaćenim materijalom blizu stijenke čistača odvojenim od otpadnog središnjom cijevi blizu jezgre čistača, kao što je prikazano na slici 7.

Kontinuirane centrifuge koje su se koristile 1920-ih i 1930-ih za uklanjanje pijeska iz pulpe ukinute su nakon razvoja hidrociklona. Gyroclean, razvijen u Centre Technique du Papier, Grenoble, Francuska, sastoji se od cilindra koji se okreće brzinom od 1200–1500 okretaja u minuti (Bliss, 1997.; Julien Saint Amand, 1998., 2002.). Kombinacija relativno dugog vremena zadržavanja i velike centrifugalne sile omogućuje onečišćujućim tvarima niske gustoće dovoljno vremena za migraciju u jezgru čistača gdje se odbacuju kroz središnji vrtložni ispust.

MT Thew, u Enciklopediji separacijske znanosti, 2000.

Sinopsis

Iako čvrsto-tekućinahidrociklonIako je sustav odvajanja tekućina-tekućina uspostavljen većim dijelom 20. stoljeća, zadovoljavajuće performanse odvajanja tekućina-tekućina nisu postignute sve do 1980-ih. Naftna industrija na moru trebala je kompaktnu, robusnu i pouzdanu opremu za uklanjanje fino usitnjenog onečišćujućeg ulja iz vode. Ovu potrebu zadovoljio je znatno drugačiji tip hidrociklona, koji naravno nije imao pokretnih dijelova.

Nakon što je ova potreba detaljnije objašnjena i usporedena s ciklonskim odvajanjem krutih tvari i tekućina u preradi minerala, navedene su prednosti koje je hidrociklon pružao u odnosu na vrste opreme instalirane ranije za ispunjavanje tog zadatka.

Kriteriji za procjenu učinkovitosti odvajanja navedeni su prije rasprave o učinkovitosti u smislu sastava ulazne smjese, kontrole operatera i potrebne energije, tj. umnožka pada tlaka i protoka.

Okruženje za proizvodnju nafte postavlja neka ograničenja za materijale, a to uključuje i problem erozije čestica. Spominju se tipični korišteni materijali. Navedeni su podaci o relativnim troškovima za vrste postrojenja za odvajanje nafte, kako kapitalnih tako i rekurentnih, iako su izvori rijetki. Konačno, opisani su neki pokazatelji za daljnji razvoj, budući da naftna industrija traži opremu instaliranu na morskom dnu ili čak na dnu bušotine.

Uzorkovanje, kontrola i uravnoteženje mase

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., u Willsovoj knjigi o tehnologiji obrade minerala (osmo izdanje), 2016.

3.7.1 Korištenje veličine čestica

Mnoge jedinice, kao što suhidrociklonii gravitacijski separatori, proizvode određeni stupanj odvajanja veličine, a podaci o veličini čestica mogu se koristiti za uravnoteženje mase (primjer 3.15).

Primjer 3.15 je primjer minimizacije neravnoteže čvorova; on pruža, na primjer, početnu vrijednost za generaliziranu minimizaciju najmanjih kvadrata. Ovaj grafički pristup može se koristiti kad god postoji "višak" podataka o komponentama; u primjeru 3.9 mogao se koristiti.

Primjer 3.15 koristi ciklon kao čvor. Drugi čvor je sabirna jama: ovo je primjer 2 ulaza (svježi ulaz i ispust kugličnog mlina) i jednog izlaza (napajanje ciklona). To daje još jednu bilancu mase (primjer 3.16).

U 9. poglavlju vraćamo se na ovaj primjer kruga mljevenja koristeći prilagođene podatke za određivanje krivulje participacije ciklona.

Vrijeme objave: 07.05.2019.