Leírás
Hidrociklonokkono-henger alakúak, tangenciális betáplálási nyílással a hengeres szakaszba, és egy-egy kimenettel minden tengelyen. A hengeres szakaszon lévő kimenetet örvénykeresőnek nevezik, és a ciklonba nyúlik, hogy csökkentse a rövidzárlatos áramlást közvetlenül a bemenetből. A kúpos végén található a második kimenet, a csap. A méret szerinti szétválasztáshoz mindkét kimenet általában nyitott a légkör felé. A hidrociklonokat általában függőlegesen, az alsó végén lévő csappal működtetik, ezért a durvaterméket alulfolyónak, a finomterméket pedig az örvénykeresőt, a túlfolyónak nevezik. Az 1. ábra sematikusan mutatja egy tipikus fő áramlási és tervezési jellemzőithidrociklon: a két örvény, a tangenciális betáplálás és az axiális kimenetek. A tangenciális bemenet közvetlen tartományát kivéve a ciklonon belüli folyadékmozgás sugárirányú szimmetriával rendelkezik. Ha az egyik vagy mindkét kimenet nyitva van a légkör felé, egy alacsony nyomású zóna gázmagot hoz létre a függőleges tengely mentén, a belső örvény belsejében.
1. ábra A hidrociklon főbb jellemzői.
A működési elv egyszerű: a lebegő részecskéket hordozó folyadék érintőlegesen bejut a ciklonba, spirálisan lefelé halad, és szabad örvényáramban centrifugális mezőt hoz létre. A nagyobb részecskék a folyadékon keresztül spirális mozgással jutnak el a ciklon külseje felé, és a csapon keresztül a folyadék egy részével távoznak. A csap határterülete miatt a külső örvénnyel azonos irányban forgó, de felfelé áramló belső örvény jön létre, amely az örvénykeresőn keresztül hagyja el a ciklont, és magával viszi a folyadék és a finomabb részecskék nagy részét. Ha a csap kapacitását túllépik, a levegő mag le van zárva, és a csap kibocsátása esernyő alakú permetből „kötéllé” változik, és durva anyag veszteség lép fel a túlfolyóba.
A hengeres szakasz átmérője a fő változó, amely befolyásolja a leválasztható részecske méretét, bár a kimeneti átmérők egymástól függetlenül változtathatók az elért elválasztás megváltoztatása érdekében. Míg a korai munkások 5 mm átmérőjű ciklonokkal kísérleteztek, a kereskedelmi forgalomban lévő hidrociklonok átmérője jelenleg 10 mm és 2,5 m között van, a 2700 kg m-3 sűrűségű részecskék elválasztó méretei 1,5-300 μm, a részecskesűrűség növekedésével csökken. Az üzemi nyomásesés a kis átmérőknél 10 bar-tól a nagy egységeknél 0,5 bar-ig terjed. A kapacitás növelése érdekében több kicsihidrociklonokelosztható egyetlen tápvezetékről.
Bár a működés elve egyszerű, működésük számos aspektusa még mindig kevéssé ismert, és a hidrociklonok kiválasztása és az ipari működésre vonatkozó előrejelzése nagyrészt empirikus.
Osztályozás
Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., Wills' Mineral Processing Technology (nyolcadik kiadás), 2016
9.4.3 Hidrociklonok versus képernyők
A hidrociklonok dominánssá váltak az osztályozásban, amikor zárt őrlőkörben (<200 µm) finom szemcsemérettel foglalkoznak. A szitatechnológia legújabb fejleményei (8. fejezet) azonban újra felkeltették az érdeklődést a sziták köszörülési körökben való alkalmazása iránt. A sziták méretük alapján különülnek el, és nem befolyásolja közvetlenül a takarmány ásványi anyagokban terjedő sűrűsége. Ez előnyt jelenthet. A képernyők szintén nem rendelkeznek bypass frakcióval, és amint a 9.2. példa megmutatta, a bypass meglehetősen nagy lehet (ebben az esetben 30% feletti). A 9.8. ábra példát mutat a megoszlási görbe különbségére ciklonok és képernyők esetén. Az adatok a perui El Brocal koncentrátorból származnak, a hidrociklonok Derrick Stack Sizer®-re történő cseréje előtt és után végzett értékelésekkel (lásd a 8. fejezetet) az őrlőkörben (Dündar et al., 2014). A várakozásoknak megfelelően a képernyőn a ciklonhoz képest élesebb elválasztás (nagyobb a görbe meredeksége) és kevés a bypass. A köszörülési kör kapacitásának növekedéséről számoltak be a szita bevezetése utáni magasabb törési arányok miatt. Ez annak tulajdonítható, hogy megszűnt a bypass, csökkentve az őrlőmalomba visszakerülő finom anyag mennyiségét, amely tompítja a részecske-részecske ütközéseket.
9.8. ábra. Megoszlási görbék ciklonokhoz és szitákhoz az El Brocal koncentrátor csiszolókörében.
(Dündar et al. (2014) adaptálva)
Az átállás azonban nem egy út: egy újabb példa a képernyőről ciklonra való váltás, hogy kihasználják a sűrűbb fizető ásványok további méretcsökkentését (Sasseville, 2015).
Kohászati eljárás és tervezés
Eoin H. Macdonald, Handbook of Gold Exploration and Evaluation, 2007
Hidrociklonok
A hidrociklonok előnyben részesített egységek nagy mennyiségű hígtrágya méretezéséhez vagy víztelenítéséhez, olcsón, és mivel nagyon kis alapterületet vagy belmagasságot foglalnak el. Akkor működnek a leghatékonyabban, ha egyenletes áramlási sebességgel és cellulózsűrűséggel táplálják őket, és külön-külön vagy csoportokban használják őket a kívánt teljes kapacitás eléréséhez a szükséges felosztásoknál. A méretezési képességek az egységen áthaladó nagy tangenciális áramlási sebességek által generált centrifugális erőkön alapulnak. A bejövő zagy által alkotott elsődleges örvény spirálisan lefelé hat a belső kúpfal körül. A szilárd anyagokat centrifugális erő löki kifelé, így ahogy a pép lefelé mozog, a sűrűsége nő. A sebesség függőleges összetevői a kúpfalak közelében lefelé, a tengely közelében felfelé hatnak. A kevésbé sűrű, centrifugálisan leválasztott iszapfrakció az örvénykeresőn keresztül felfelé kényszerül, hogy kimenjen a kúp felső végén lévő nyíláson. A két áramlás közötti közbenső zóna vagy burok függőleges sebessége nulla, és elválasztja a lefelé mozgó durvább szilárd anyagokat a felfelé mozgó finomabb szilárd anyagoktól. Az áramlás nagy része felfelé halad a kisebb belső örvényen belül, és a nagyobb centrifugális erők a finomabb részecskék közül a nagyobbat kifelé dobják, így a finomabb méreteknél hatékonyabb elválasztást biztosítanak. Ezek a részecskék visszatérnek a külső örvénybe, és ismét jelentkeznek a jig betáplálásánál.
A geometria és a működési feltételek egy tipikus spirális áramlási mintán belülhidrociklona 8.13. A működési változók a cellulóz sűrűsége, a betáplálási sebesség, a szilárdanyag-jellemzők, a betáplálási nyomás és a nyomásesés a ciklonon keresztül. A ciklon változók a betáplálás bemenetének területe, az örvénykereső átmérője és hossza, valamint a csap kisülési átmérője. A légellenállási együttható értékét az alak is befolyásolja; minél inkább változik egy részecske gömbszerűsége, annál kisebb az alaktényezője és annál nagyobb az ülepedési ellenállása. A kritikus feszültségi zóna kiterjedhet néhány 200 mm-es aranyrészecskére is, ezért az osztályozási folyamat gondos nyomon követése elengedhetetlen a túlzott újrahasznosítás és az ebből eredő iszapképződés csökkentése érdekében. Történelmileg, amikor kevés figyelmet fordítottak a 150 helyreállításáraμM aranyszemcsék, úgy tűnik, hogy az arany áthordása az iszapfrakciókban nagymértékben felelős az aranyveszteségért, amely számos aranylehelyezési művelet során elérte a 40–60%-ot.
8.13. A hidrociklon normál geometriája és működési feltételei.
A 8.14. ábra (Warman Selection Chart) a ciklonok előzetes válogatása különböző D50-es méreteknél 9–18 mikrontól 33–76 mikronig. Ez a diagram, mint a többi hasonló ciklon teljesítmény diagram, egy bizonyos típusú, gondosan ellenőrzött betápláláson alapul. 2700 kg/m3 víz szilárdanyag-tartalmát feltételezi a kiválasztás első irányadójaként. A nagyobb átmérőjű ciklonokat durva leválasztásra használják, de a megfelelő működéshez nagy adagolási mennyiségre van szükség. A nagy betáplálási mennyiségek finom elválasztásához kis átmérőjű, párhuzamosan működő cikloncsoportokra van szükség. A közeli méretezés végső tervezési paramétereit kísérletileg kell meghatározni, és fontos, hogy a tartomány közepe táján ciklont válasszunk, hogy az esetleges kisebb módosításokat a műveletek megkezdésekor el lehessen végezni.
8.14. Warman előzetes kiválasztási táblázata.
A CBC (cirkuláló ágyas) ciklon állítólag 5 mm átmérőig osztályozza az alluviális arany betáplálási anyagokat, és állandóan magas jig betáplálást biztosít az alulfolyóból. Az elválasztás kbD50/150 mikron 2,65 sűrűségű szilícium-dioxidra vonatkoztatva. A CBC ciklon alulfolyóról azt állítják, hogy különösen alkalmas a fúrós elválasztásra, viszonylag sima méreteloszlási görbéje és a finom hulladékrészecskék szinte teljes eltávolítása miatt. Azonban, bár ez a rendszer állítólag egy menetben megfelelő nehézásványi anyagok kiváló minőségű elsődleges koncentrátumát állítja elő viszonylag nagy mérettartományú takarmányból (pl. ásványi homok), nem állnak rendelkezésre ilyen teljesítményadatok a finom és pelyhes aranyat tartalmazó hordalékanyagokra. . A 8.5. táblázat az AKW műszaki adatait tartalmazzahidrociklonok30 és 100 mikron közötti vágási pontokhoz.
8.5. táblázat. AKW hidrociklonok műszaki adatai
| Típus (KRS) | Átmérő (mm) | Nyomáscsökkenés | Kapacitás | Vágási pont (mikron) | |
|---|---|---|---|---|---|
| Zagy (m3/óra) | Szilárd anyagok (t/h max). | ||||
| 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 |
A vasérc aprítási és osztályozási technológiák fejlődése
A. Jankovic, Vasérc, 2015
8.3.3.1 Hidrociklon szeparátorok
A hidrociklon, más néven ciklon, egy olyan osztályozó eszköz, amely centrifugális erőt használ fel a szuszpenziós részecskék ülepedési sebességének felgyorsítására és a részecskék méretük, alakja és fajsúlya szerint különálló részecskéinek felgyorsítására. Széles körben használják az ásványiparban, az ásványi feldolgozásban főként osztályozóként használják, amely rendkívül hatékonynak bizonyult finom elválasztási méreteknél. Kiterjedten használják zárt láncú őrlési műveletekben, de számos más felhasználási területet is találtak, például víztelenítésre, víztelenítésre és sűrítésre.
Egy tipikus hidrociklon (8.12a. ábra) egy kúpos alakú, csúcsán vagy alulfolyó edényből áll, amely egy hengeres szakaszhoz kapcsolódik, amelynek tangenciális betáplálónyílása van. A hengeres szakasz tetejét egy lemez zárja le, amelyen egy axiálisan szerelt túlfolyócső halad át. A csövet egy rövid, kivehető örvénykereső néven ismert szakasz húzza be a ciklon testébe, amely megakadályozza a betáplálás közvetlenül a túlfolyóba történő rövidzárlatát. A betáplálás nyomás alatt történik a tangenciális bemeneten keresztül, amely örvénylő mozgást kölcsönöz a pépnek. Ez örvényt hoz létre a ciklonban, alacsony nyomású zónával a függőleges tengely mentén, amint az a 8.12b ábrán látható. A tengely mentén légmag alakul ki, amely általában a csúcsnyíláson keresztül kapcsolódik a légkörhöz, részben azonban az alacsony nyomású zónában az oldatból kilépő oldott levegő által jön létre. A centrifugális erő felgyorsítja a részecskék ülepedési sebességét, ezáltal szétválasztja a részecskéket méret, forma és fajsúly szerint. A gyorsabban ülepedő részecskék a ciklon falához vándorolnak, ahol a legkisebb a sebesség, és a csúcsnyílásba (alulfolyás) vándorolnak. A húzóerő hatására a lassabban ülepedő részecskék a tengely mentén az alacsony nyomású zóna felé mozdulnak el, és az örvénykeresőn keresztül felfelé, a túlfolyóhoz jutnak.
8.12. ábra. Hidrociklon (https://www.aeroprobe.com/applications/examples/australian-mining-industry-uses-aeroprobe-equipment-to-study-hydro-cyclone) és hidrociklon akkumulátor. Cavex hidrociklon áttekintése brosúra, https://www.weirminerals.com/products_services/cavex.aspx.
A hidrociklonokat nagy kapacitásuk és viszonylagos hatékonyságuk miatt szinte univerzálisan használják a köszörülési körökben. A részecskeméret nagyon széles tartományába (tipikusan 5-500 μm) is besorolhatók, a finomabb osztályozáshoz kisebb átmérőjű egységeket használnak. A ciklon alkalmazása azonban a magnetit köszörülési körökben nem hatékony működést okozhat a magnetit és a hulladék ásványok (szilícium-dioxid) közötti sűrűségkülönbség miatt. A magnetit fajlagos sűrűsége körülbelül 5,15, míg a szilícium-dioxid fajlagos sűrűsége körülbelül 2,7. Inhidrociklonok, a sűrű ásványok finomabb vágott méretben válnak el, mint a könnyebb ásványok. Emiatt a felszabaduló magnetit a ciklon alulfolyójában koncentrálódik, és ennek következtében a magnetit túlcsiszolódik. Napier-Munn et al. (2005) megjegyezte, hogy a korrigált vágási méret (d50c) és a részecskesűrűség a következő formájú kifejezést követi az áramlási feltételektől és egyéb tényezőktől függően:
aholρs a szilárdanyag sűrűsége,ρl a folyadék sűrűsége, ésn0,5 és 1,0 között van. Ez azt jelenti, hogy az ásványsűrűség hatása a ciklonok teljesítményére meglehetősen jelentős lehet. Például, ha adA magnetit 50c-je 25 μm, akkor ad50 c szilícium-dioxid részecskék 40-65 μm méretűek lesznek. A 8.13. ábra a magnetit (Fe3O4) és a szilícium-dioxid (SiO2) ciklon osztályozási hatékonysági görbéit mutatja be, amelyeket egy ipari golyósmalom magnetit őrlőkörének felméréséből kaptunk. A szilícium-dioxid méret szerinti szétválasztása sokkal durvább, ad50c Fe3O4 esetén 29 μm, míg SiO2 esetében 68 μm. Ennek a jelenségnek köszönhetően a hidrociklonos zárt körben működő magnetitőrlő malmok kevésbé hatékonyak és kisebb a kapacitásuk, mint a többi nemesfém őrlőkör.
8.13. ábra. Ciklonhatékonyság magnetit Fe3O4 és szilícium-dioxid SiO2 esetében – ipari felmérés.
Nagynyomású folyamattechnológia: alapok és alkalmazások
MJ Cocero PhD, Ipari Kémiai Könyvtár, 2001
Szilárdanyag-leválasztó eszközök
- •
-
Hidrociklon
Ez az egyik legegyszerűbb típusú szilárdanyag-leválasztó. Ez egy nagy hatékonyságú elválasztó berendezés, és magas hőmérsékleten és nyomáson hatékonyan használható szilárd anyagok eltávolítására. Gazdaságos, mert nincsenek mozgó alkatrészei, és kevés karbantartást igényel.
A szilárd anyagok elválasztási hatékonysága erősen függ a részecskemérettől és a hőmérséklettől. A bruttó elválasztási hatékonyság közel 80%-os szilícium-dioxid és 300 °C feletti hőmérséklet esetén érhető el, míg ugyanabban a hőmérséklet-tartományban a sűrűbb cirkon részecskék bruttó elválasztási hatékonysága meghaladja a 99%-ot [29].
A hidrociklon működésének fő hátránya az, hogy egyes sók a ciklon falaihoz tapadnak.
- •
-
Kereszt mikroszűrés
A keresztáramú szűrők a környezeti körülmények között szokásosan megfigyelt keresztáramú szűréshez hasonlóan viselkednek: a megnövekedett nyírási sebesség és a csökkent folyadékviszkozitás a szűrletszám növekedését eredményezi. Kereszt-mikroszűrést alkalmaztak a kicsapódott sók szilárd anyagként történő elválasztására, így a részecske-leválasztási hatékonyság jellemzően meghaladja a 99,9%-ot. Goemanset al.[30] a nátrium-nitrát elválasztását tanulmányozta szuperkritikus vízből. A vizsgálat körülményei között a nátrium-nitrát olvadt sóként volt jelen, és képes volt átjutni a szűrőn. Az elválasztási hatásfok a hőmérséklet függvényében változott, mivel az oldhatóság csökken a hőmérséklet emelkedésével, 40% és 85% között mozog 400 °C-on, illetve 470 °C-on. Ezek a munkások az elválasztási mechanizmust a szűrőközegnek a szuperkritikus oldattal szembeni eltérő permeabilitásának következményeként magyarázták, szemben az olvadt sóval, egyértelműen eltérő viszkozitásuk alapján. Ezért nemcsak a kicsapódott sók szilárd anyagként való szűrése lehetséges, hanem az alacsony olvadáspontú, olvadt állapotban lévő sók szűrése is.
A működési zavarok elsősorban a sók által okozott szűrőkorrózióból adódnak.
Papír: Újrahasznosítás és újrahasznosított anyagok
MR Doshi, JM Dyer, az anyagtudományi és anyagmérnöki referenciamodulban, 2016
3.3 Tisztítás
Tisztítószerek illhidrociklonoktávolítsa el a szennyeződéseket a pépből a szennyezőanyag és a víz közötti sűrűségkülönbség alapján. Ezek az eszközök kúpos vagy hengeres-kúpos nyomástartó edényekből állnak, amelyekbe a pépet a nagy átmérőjű végén érintőlegesen adagolják (6. ábra). A tisztítón való áthaladás során a pép egy ciklonhoz hasonló örvényszerű áramlási mintát fejleszt ki. Az áramlás a központi tengely körül forog, ahogy elhalad a bemenettől, és a csúcs vagy az alulfolyó nyílás felé halad a tisztító falának belső oldalán. A forgási áramlási sebesség a kúp átmérőjének csökkenésével gyorsul. A csúcsvég közelében a kis átmérőjű nyílás megakadályozza az áramlás nagy részének kiürülését, amely ehelyett egy belső örvényben forog a tisztító magjában. A belső magnál lévő áramlás a csúcsnyílásból kiáramlik, amíg ki nem távozik az örvénykeresőn keresztül, amely a tisztítógép közepén, a nagy átmérőjű végén található. A nagyobb sűrűségű anyag, amely a centrifugális erő hatására a tisztító falánál koncentrálódott, a kúp csúcsán távozik (Bliss, 1994, 1997).
6. ábra: A hidrociklon részei, főbb áramlási minták és elválasztási trendek.
Az eltávolított szennyeződések sűrűségétől és méretétől függően a tisztítószereket nagy, közepes vagy alacsony sűrűségűek közé sorolják. A 15–50 cm (6–20 hüvelyk) átmérőjű, nagy sűrűségű tisztítószert használják a fém, gemkapcsok és kapcsok eltávolítására, és általában közvetlenül a pépesítő után helyezik el. A tisztító átmérőjének csökkenésével a kis méretű szennyeződések eltávolításának hatékonysága nő. Gyakorlati és gazdasági okokból a 75 mm (3 hüvelyk) átmérőjű ciklon általában a papíriparban használt legkisebb tisztítószer.
A fordított tisztítószereket és az átfolyó tisztítószereket az alacsony sűrűségű szennyeződések, például viasz, polisztirol és ragacsok eltávolítására tervezték. A fordított tisztítószereket azért nevezték el így, mert az átvett sugár a tisztító csúcsán gyűlik össze, míg a selejt a túlfolyónál távozik. Az átfolyó tisztítóban az elfogadó- és a selejtkimenet a tisztítószer ugyanazon a végén található, a tisztító fala közelében lévő befogadók pedig a tisztító magjához közeli központi csővel vannak elválasztva a selejtektől, amint az a 7. ábrán látható.
7. ábra Egy átfolyó tisztító vázlata.
Az 1920-as és 1930-as években a homok pépből való eltávolítására használt folyamatos centrifugák a hidrociklonok kifejlesztése után megszűntek. A grenoble-i Centre Technique du Papier-ben (Franciaország) kifejlesztett Gyroclean egy hengerből áll, amely 1200-1500 fordulat/perc sebességgel forog (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). A viszonylag hosszú tartózkodási idő és a nagy centrifugális erő kombinációja lehetővé teszi, hogy az alacsony sűrűségű szennyeződések elegendő időt vándoroljanak a tisztító magjába, ahol a központi örvénykisülésen keresztül kilökődnek.
MT Thew, Encyclopedia of Separation Science, 2000
Szinopszis
Bár a szilárd-folyékonyhidrociklonszázad nagy részében kialakult, a kielégítő folyadék-folyadék elválasztási teljesítmény csak az 1980-as években érkezett meg. Az offshore olajiparnak szüksége volt kompakt, robusztus és megbízható berendezésekre a finom eloszlású szennyező olajok vízből történő eltávolításához. Ezt az igényt egy lényegesen eltérő típusú hidrociklon elégítette ki, amelynek természetesen nem volt mozgó alkatrésze.
Miután ezt az igényt részletesebben kifejtettük, és összehasonlítottuk az ásványi feldolgozás során alkalmazott szilárd-folyadék ciklonos elválasztással, láthatóak azok az előnyök, amelyeket a hidrociklon nyújtott a feladat teljesítésére korábban telepített berendezésekkel szemben.
Az elválasztási teljesítmény értékelési kritériumait a teljesítmény megvitatása előtt felsoroljuk a betáplálás, a kezelői vezérlés és a szükséges energia tekintetében, azaz a nyomásesés és az áramlási sebesség szorzata.
A kőolajtermelés környezete bizonyos korlátokat állít az anyagok számára, és ez magában foglalja a részecskék eróziójának problémáját is. Megemlítjük a tipikusan használt anyagokat. Az olajleválasztó üzemek típusainak relatív költségadatai – mind a tőke, mind a visszatérő – körvonalazódnak, bár a források szűkösek. Végül néhány további fejlődésre utaló támpontot ismertetünk, mivel az olajipar a tengerfenékre vagy akár a fúrólyuk aljára telepített berendezésekre tekint.
Mintavétel, ellenőrzés és tömegkiegyenlítés
Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., Wills' Mineral Processing Technology (nyolcadik kiadás), 2016
3.7.1 A részecskeméret használata
Sok egység, mint plhidrociklonokés gravitációs szeparátorok, bizonyos fokú méret szerinti elválasztást produkálnak, és a részecskeméret-adatok tömegkiegyenlítésre használhatók (3.15. példa).
A 3.15. példa egy példa a csomóponti egyensúlyhiány minimalizálására; megadja például a kezdeti értéket az általánosított legkisebb négyzetek minimalizálásához. Ez a grafikus megközelítés akkor használható, ha „felesleges” komponens adat van; a 3.9 példában lehetett volna használni.
A 3.15. példa a ciklont használja csomópontként. A második csomópont az olajteknő: ez egy példa 2 bemenetre (friss betáplálás és golyós malom-kisütés) és egy kimenetre (ciklon előtolás). Ez egy másik tömegmérleget ad (3.16. példa).
A 9. fejezetben visszatérünk ehhez a köszörülési áramköri példához, korrigált adatok felhasználásával a ciklon megoszlási görbéjének meghatározásához.
Feladás időpontja: 2019. május 07