설명
하이드로사이클론원뿔형 원통형으로, 원통형 부분으로 들어가는 접선 방향의 유입구와 각 축에 배출구가 있습니다. 원통형 부분의 배출구는 와류 탐지기(vortex finder)라고 하며, 유입구에서 직접 발생하는 단락 흐름을 줄이기 위해 사이클론 내부로 확장됩니다. 원뿔형 끝에는 두 번째 배출구인 스피곳(spigot)이 있습니다. 크기 분리를 위해 두 배출구 모두 일반적으로 대기에 개방되어 있습니다. 하이드로사이클론은 일반적으로 스피곳이 아래쪽에 있는 수직 방향으로 작동하므로, 거친 생성물은 언더플로우(underflow), 미세 생성물은 오버플로우(overflow)라고 합니다. 그림 1은 일반적인 사이클론의 주요 흐름과 설계 특징을 개략적으로 보여줍니다.하이드로사이클론: 두 개의 와류, 즉 접선 방향 유입구와 축 방향 유출구. 접선 방향 유입구 바로 옆 영역을 제외하고, 사이클론 내부의 유체 운동은 방사 대칭을 이룹니다. 만약 하나 또는 두 개의 유출구가 대기에 개방되어 있다면, 저압 영역은 내부 와류 내부의 수직축을 따라 가스 핵을 형성합니다.

그림 1. 하이드로사이클론의 주요 특징.
작동 원리는 간단합니다. 부유 입자를 운반하는 유체는 접선 방향으로 사이클론에 유입되어 나선형으로 아래로 흐르면서 자유 와류 흐름 속에서 원심력을 생성합니다. 더 큰 입자는 유체를 통해 사이클론 바깥쪽으로 나선형 운동을 하며 이동하고, 스피곳을 통해 액체의 일부와 함께 배출됩니다. 스피곳의 제한된 면적으로 인해, 바깥쪽 와류와 같은 방향으로 회전하지만 위쪽으로 흐르는 안쪽 와류가 형성되고, 와류 탐지기를 통해 사이클론을 빠져나가면서 대부분의 액체와 미세 입자를 함께 운반합니다. 스피곳 용량을 초과하면 공기 코어가 닫히고 스피곳 배출구는 우산 모양의 분사에서 '로프' 모양으로 바뀌면서 거친 물질이 오버플로우로 배출됩니다.
원통형 부분의 직경은 분리 가능한 입자 크기에 영향을 미치는 주요 변수이지만, 출구 직경을 독립적으로 변경하여 분리 정도를 조절할 수 있습니다. 초기 연구자들은 직경 5mm만큼 작은 사이클론을 실험했지만, 현재 상용 하이드로사이클론 직경은 10mm에서 2.5m까지이며, 밀도 2700kg m−3의 입자에 대한 분리 크기는 1.5~300μm이며, 입자 밀도가 증가함에 따라 감소합니다. 작동 압력 강하는 소직경의 경우 10bar에서 대형 장치의 경우 0.5bar까지입니다. 용량을 늘리려면 여러 개의 소형 사이클론을 사용하십시오.하이드로사이클론단일 공급 라인에서 매니폴드될 수 있습니다.
작동 원리는 간단하지만 작동의 많은 측면이 여전히 잘 이해되지 않고 있으며, 산업용 작동을 위한 수력사이클론 선택 및 예측은 대부분 경험에 의합니다.
분류
Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., Wills' Mineral Processing Technology(8판), 2016
9.4.3 하이드로사이클론 대 스크린
하이드로사이클론은 폐쇄형 분쇄 회로(<200µm)에서 미세 입자 크기를 처리할 때 분류에서 지배적인 위치를 차지하게 되었습니다. 그러나 최근 스크린 기술(8장)의 발전으로 분쇄 회로에서 스크린을 사용하는 것에 대한 관심이 다시 높아졌습니다. 스크린은 크기에 따라 분리되며 공급 미네랄의 밀도 분포에 직접적인 영향을 받지 않습니다. 이는 장점이 될 수 있습니다. 또한 스크린에는 우회 분율이 없으며, 예제 9.2에서 보여준 것처럼 우회율이 상당히 높을 수 있습니다(이 경우 30% 이상). 그림 9.8은 사이클론과 스크린의 분배 곡선 차이의 예를 보여줍니다. 이 데이터는 페루의 El Brocal 농축기에서 얻은 것이며, 분쇄 회로에서 하이드로사이클론을 Derrick Stack Sizer®(8장 참조)로 교체하기 전과 후의 평가 결과를 보여줍니다(Dündar et al., 2014). 예상대로, 사이클론과 비교했을 때 스크린은 더 날카로운 분리(곡선 기울기가 더 높음)와 적은 우회율을 보였습니다. 스크린 설치 후 파손율 증가로 인해 분쇄 회로 용량이 증가한 것으로 보고되었습니다. 이는 바이패스가 제거되어 분쇄기로 반송되는 미립자 양이 감소했기 때문으로, 이는 입자 간 충격을 완화하는 효과가 있습니다.

그림 9.8. 엘 브로칼 농축기의 분쇄 회로에 있는 사이클론과 스크린의 분배 곡선.
(Dündar et al.(2014)에서 수정)
그러나 전환은 한 가지 방법이 아닙니다. 최근의 예로는 밀도가 높은 페이미널의 추가적 크기 감소를 활용하기 위해 스크린에서 사이클론으로 전환한 것이 있습니다(Sasseville, 2015).
야금 공정 및 설계
Eoin H. Macdonald, 금 탐사 및 평가 핸드북, 2007
하이드로사이클론
하이드로사이클론은 대용량 슬러리의 사이징 또는 탈슬라임 처리에 저렴하게 사용되며, 바닥 공간이나 헤드룸을 거의 차지하지 않기 때문에 선호되는 장치입니다. 균일한 유량과 펄프 밀도로 공급될 때 가장 효과적으로 작동하며, 필요한 분할량에서 원하는 총 용량을 얻기 위해 개별적으로 또는 클러스터로 사용됩니다. 사이징 기능은 장치를 통과하는 높은 접선 방향 흐름 속도에 의해 발생하는 원심력에 의존합니다. 유입되는 슬러리에 의해 형성되는 1차 와류는 원뿔 내부 벽 주위를 나선형으로 아래로 작용합니다. 고형물은 원심력에 의해 바깥쪽으로 튕겨져 나가 펄프가 아래로 이동함에 따라 밀도가 증가합니다. 속도의 수직 성분은 원뿔 벽 근처에서 아래로, 축 근처에서 위로 작용합니다. 원심력에 의해 분리된 저밀도 슬라임 분획은 와류 탐지기를 통해 위로 밀려나 원뿔 상단의 개구부를 통해 배출됩니다. 두 흐름 사이의 중간 영역 또는 엔벨로프는 수직 속도가 0이며, 아래로 이동하는 거친 고형물과 위로 이동하는 미세한 고형물을 분리합니다. 대부분의 흐름은 작은 내부 와류를 통해 위쪽으로 이동하고, 더 큰 원심력이 더 미세한 입자들을 바깥쪽으로 밀어내어 더 미세한 입자들을 더욱 효율적으로 분리합니다. 이 입자들은 바깥쪽 와류로 돌아와 지그 공급 장치에 다시 보고합니다.
일반적인 나선형 흐름 패턴 내의 기하학 및 작동 조건하이드로사이클론그림 8.13에 설명되어 있습니다. 작동 변수는 펄프 밀도, 공급 유량, 고형물 특성, 공급 입구 압력 및 사이클론을 통한 압력 강하입니다. 사이클론 변수는 공급 입구 면적, 와류 탐지기 직경 및 길이, 그리고 스피곳 배출 직경입니다. 항력 계수 값은 모양에도 영향을 받습니다. 입자의 구형도가 클수록 형상 계수는 작아지고 침강 저항은 커집니다. 임계 응력 영역은 크기가 200mm에 달하는 일부 금 입자까지 확장될 수 있으므로, 과도한 재활용 및 그로 인한 슬라임 축적을 줄이기 위해 분류 과정을 주의 깊게 모니터링하는 것이 필수적입니다. 역사적으로 150의 회수에 거의 관심을 기울이지 않았던μ금 입자의 경우, 슬라임 분획에 금이 잔류한 것이 많은 금 채광 작업에서 기록된 금 손실량의 40~60%에 큰 영향을 미친 것으로 보입니다.

8.13. 하이드로사이클론의 일반적인 형상과 작동 조건.
그림 8.14(Warman 선정 차트)는 9~18미크론에서 33~76미크론까지 다양한 D50 크기의 분리를 위한 사이클론의 예비 선정 결과입니다. 이 차트는 다른 사이클론 성능 차트와 마찬가지로 특정 유형의 정밀하게 제어된 공급량을 기반으로 합니다. 이 차트는 선정을 위한 첫 번째 지침으로 물의 고형분 함량이 2,700kg/m³라고 가정합니다. 대구경 사이클론은 거친 분리를 위해 사용되지만, 제대로 작동하려면 많은 공급량이 필요합니다. 높은 공급량에서 미세 분리를 위해서는 여러 개의 작은 구경 사이클론을 병렬로 작동시켜야 합니다. 정밀한 사이징을 위한 최종 설계 변수는 실험을 통해 결정해야 하며, 작업 시작 시 필요한 미세 조정을 할 수 있도록 범위의 중간쯤에 있는 사이클론을 선택하는 것이 중요합니다.

8.14. 워먼 예비 선발 차트.
CBC(순환층) 사이클론은 최대 직경 5mm까지의 충적 금 공급 물질을 분류하고 저류층에서 일정하게 높은 지그 공급량을 얻는다고 합니다. 분리는 약D밀도 2.65의 실리카를 기준으로 50/150 미크론입니다. CBC 사이클론 언더플로우는 비교적 매끄러운 크기 분포 곡선과 미세 폐기물 입자의 거의 완벽한 제거로 인해 지그 분리에 특히 적합하다고 합니다. 그러나 이 시스템은 비교적 긴 크기 범위의 공급원(예: 광물 모래)에서 한 번의 통과로 등량 중광물의 고품질 일차 정광을 생산한다고 주장하지만, 미세하고 편상 금을 함유한 충적 공급원료에 대한 성능 수치는 없습니다. 표 8.5는 AKW의 기술 데이터를 보여줍니다.하이드로사이클론30~100마이크론 사이의 차단점에 대해서.
표 8.5. AKW 하이드로사이클론에 대한 기술 데이터
유형(KRS) | 직경(mm) | 압력 강하 | 용량 | 절단점(마이크론) | |
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슬러리(m3/시간) | 고형물(t/h 최대) | ||||
2118 | 100 | 1–2.5 | 9.27 | 5 | 30~50세 |
2515 | 125 | 1–2.5 | 11시~30분 | 6 | 25–45 |
4118 | 200 | 0.7–2.0 | 18–60 | 15 | 40~60세 |
(RWN)6118 | 300 | 0.5–1.5 | 40–140 | 40 | 50~100 |
철광석 분쇄 및 분류 기술의 발전
A. Jankovic, 철광석, 2015
8.3.3.1 하이드로사이클론 분리기
하이드로사이클론(사이클론이라고도 함)은 원심력을 이용하여 슬러리 입자의 침강 속도를 높이고 크기, 모양, 비중에 따라 입자를 분리하는 분급 장치입니다. 광물 산업에서 널리 사용되며, 광물 처리에서는 주로 분급기로 사용되어 미세 입자 분리에 매우 효율적인 것으로 입증되었습니다. 폐쇄 회로 분쇄 작업에도 널리 사용되지만, 점액질 제거, 사질 제거, 농축 등 다양한 용도로 사용되고 있습니다.
일반적인 하이드로사이클론(그림 8.12a)은 꼭대기가 열린 원뿔 모양의 용기, 즉 언더플로우(underflow)와 접선 방향의 공급 입구가 있는 원통형 부분으로 구성됩니다. 원통형 부분의 상단은 축 방향으로 설치된 오버플로우 파이프가 통과하는 판으로 막혀 있습니다. 이 파이프는 와류 탐지기(vortex finder)라고 하는 짧고 분리 가능한 부분에 의해 사이클론 본체 내부로 연장되어 공급물이 오버플로우로 직접 단락되는 것을 방지합니다. 공급물은 접선 방향의 입구를 통해 가압 상태로 유입되어 펄프에 소용돌이 운동을 부여합니다. 이로 인해 사이클론 내부에 소용돌이가 발생하고, 그림 8.12b와 같이 수직축을 따라 저압 영역이 형성됩니다. 공기 코어(air-core)가 축을 따라 형성되며, 일반적으로 꼭대기 개구부를 통해 대기와 연결되지만, 부분적으로는 저압 영역에서 용액에서 용존 공기가 빠져나와 형성됩니다. 원심력은 입자의 침강 속도를 가속화하여 크기, 모양, 그리고 비중에 따라 입자를 분리합니다. 더 빨리 침강하는 입자는 속도가 가장 낮은 사이클론 벽으로 이동하여 정점 개구부(언더플로우)로 이동합니다. 항력의 작용으로 인해, 침강 속도가 느린 입자는 축을 따라 저압 영역으로 이동하여 와류 탐지기를 통해 위쪽으로 이동하여 오버플로우로 이동합니다.
그림 8.12. 하이드로사이클론(https://www.aeroprobe.com/applications/examples/australian-mining-industry-uses-aeroprobe-equipment-to-study-hydro-cyclone) 및 하이드로사이클론 배터리. Cavex 하이드로사이클론 개요 브로셔, https://www.weirminerals.com/products_services/cavex.aspx.
하이드로사이클론은 높은 용량과 상대적인 효율로 인해 분쇄 회로에서 거의 보편적으로 사용됩니다. 또한 매우 광범위한 입자 크기(일반적으로 5~500μm)를 분류할 수 있으며, 더 미세한 분류에는 더 작은 직경의 유닛이 사용됩니다. 그러나 자철광 분쇄 회로에 사이클론을 적용하면 자철광과 폐광물(실리카) 간의 밀도 차이로 인해 비효율적인 작동이 발생할 수 있습니다. 자철광의 비중은 약 5.15이고 실리카의 비중은 약 2.7입니다.하이드로사이클론밀도가 높은 광물은 가벼운 광물보다 더 미세한 절단 크기로 분리됩니다. 따라서, 분리된 자철광은 사이클론 하부 흐름에 농축되어 자철광의 과분쇄를 초래합니다. Napier-Munn 외(2005)는 보정된 절단 크기(d50c) 및 입자 밀도는 흐름 조건 및 기타 요인에 따라 다음 형태의 표현식을 따릅니다.
어디ρs는 고체 밀도입니다.ρl은 액체 밀도이고n0.5에서 1.0 사이입니다. 이는 미네랄 밀도가 사이클론 성능에 미치는 영향이 상당히 클 수 있음을 의미합니다. 예를 들어,d자철광의 50c가 25 μm이면d실리카 입자 50c는 40~65μm입니다. 그림 8.13은 산업용 볼밀 자철광 분쇄 회로를 조사하여 얻은 자철광(Fe3O4)과 실리카(SiO2)의 사이클론 분류 효율 곡선을 보여줍니다. 실리카의 크기 분리는 훨씬 더 굵으며,dFe3O4의 경우 29μm의 경우 50c인 반면, SiO2의 경우 68μm입니다. 이러한 현상으로 인해, 하이드로사이클론을 사용하는 폐쇄 회로 방식의 자철광 분쇄기는 다른 비철금속 분쇄 회로에 비해 효율이 낮고 용량도 작습니다.

그림 8.13. 자철광 Fe3O4와 실리카 SiO2에 대한 사이클론 효율 - 산업 조사.
고압 공정 기술: 기본 및 응용 분야
MJ Cocero 박사, 산업화학 도서관, 2001
고형물 분리 장치
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하이드로사이클론
이것은 가장 간단한 유형의 고형물 분리기 중 하나입니다. 고효율 분리 장치로 고온 고압에서 고형물을 효과적으로 제거하는 데 사용할 수 있습니다. 움직이는 부품이 없고 유지 보수가 거의 필요 없어 경제적입니다.
고체의 분리 효율은 입자 크기와 온도에 크게 좌우됩니다. 실리카의 경우 300°C 이상의 온도에서 80%에 가까운 총 분리 효율을 얻을 수 있으며, 같은 온도 범위에서 밀도가 높은 지르콘 입자의 총 분리 효율은 99% 이상입니다[29].
하이드로사이클론 작동의 주요 문제점은 일부 염분이 사이클론 벽에 달라붙는 경향이 있다는 것입니다.
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교차 미세 여과
교차 흐름 필터는 주변 조건에서 교차 흐름 여과에서 일반적으로 관찰되는 것과 유사한 방식으로 작동합니다. 전단 속도가 증가하고 유체 점도가 감소하면 여과액 수가 증가합니다. 교차 미세 여과는 침전된 염을 고체로 분리하는 데 적용되어 일반적으로 99.9%를 초과하는 입자 분리 효율을 제공합니다. Goemans등[30]은 초임계수에서 질산나트륨을 분리하는 방법을 연구했습니다. 연구 조건에서 질산나트륨은 용융염으로 존재했으며 필터를 통과할 수 있었습니다. 용해도는 온도가 증가함에 따라 감소하기 때문에 분리 효율은 온도에 따라 달랐으며 400°C와 470°C에서 각각 40%에서 85% 사이였습니다. 이들은 용융염과 달리 초임계 용액에 대한 여과 매체의 뚜렷한 투과성으로 인해 분리 메커니즘이 설명되었으며, 이는 명확히 다른 점도 때문입니다. 따라서 침전된 염을 단순히 고체로 여과할 수 있을 뿐만 아니라 용융 상태의 저융점 염도 여과할 수 있습니다.
작동 문제는 주로 염분으로 인한 필터 부식으로 인해 발생했습니다.
종이: 재활용 및 재활용 재료
MR Doshi, JM Dyer, 재료 과학 및 재료 공학 참조 모듈, 2016
3.3 청소
청소부 또는하이드로사이클론오염 물질과 물의 밀도 차이를 기반으로 펄프에서 오염 물질을 제거합니다. 이 장치는 원뿔형 또는 원통형-원뿔형 압력 용기로 구성되며, 펄프는 큰 직경 끝에서 접선 방향으로 공급됩니다(그림 6). 세척기를 통과하는 동안 펄프는 사이클론과 유사한 와류 유동 패턴을 형성합니다. 유동은 입구에서 멀어지고 세척기 벽 안쪽을 따라 정점 또는 하부 유동 개구부를 향해 중심축을 중심으로 회전합니다. 회전 유속은 원뿔의 직경이 감소함에 따라 가속됩니다. 정점 끝 근처의 작은 직경 개구부는 대부분의 유동이 배출되는 것을 막고, 대신 세척기 중심부의 내부 와류에서 회전합니다. 내부 중심부의 유동은 정점 개구부에서 멀어지다가 세척기 중심부의 큰 직경 끝에 위치한 와류 탐지기를 통해 배출됩니다. 원심력으로 인해 청소기의 벽에 집중된 고밀도 물질은 원뿔의 정점에서 배출됩니다(Bliss, 1994, 1997).
그림 6. 수력사이클론의 구성 요소, 주요 흐름 패턴 및 분리 추세.
세척기는 제거되는 오염물의 밀도와 크기에 따라 고밀도, 중밀도, 저밀도로 분류됩니다. 직경 15~50cm(6~20인치)의 고밀도 세척기는 부랑금속, 종이 클립, 스테이플을 제거하는 데 사용되며, 일반적으로 펄퍼 바로 뒤에 설치됩니다. 세척기 직경이 작을수록 작은 오염물 제거 효율이 높아집니다. 실용적이고 경제적인 이유로, 직경 75mm(3인치)의 사이클론이 일반적으로 제지 산업에서 사용되는 가장 작은 세척기입니다.
역세척기와 관통형 세척기는 왁스, 폴리스티렌, 스티키와 같은 저밀도 오염물질을 제거하도록 설계되었습니다. 역세척기는 수용액이 세척기 정점에서 모이고 불합격액은 오버플로우에서 배출되기 때문에 이러한 이름이 붙었습니다. 관통형 세척기에서는 수용액과 불합격액이 세척기의 같은 끝에서 배출되며, 그림 7과 같이 세척기 벽 근처의 수용액과 세척기 중심부 근처의 중앙 튜브를 통해 불합격액이 분리됩니다.

그림 7. 관통형 세척기의 개략도.
1920년대와 1930년대에 펄프에서 모래를 제거하기 위해 사용되었던 연속 원심분리기는 하이드로사이클론 개발 이후 사용이 중단되었습니다. 프랑스 그르노블의 Centre Technique du Papier에서 개발된 자이로클린(Gyroclean)은 1,200~1,500rpm으로 회전하는 실린더로 구성되어 있습니다(Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). 비교적 긴 체류 시간과 높은 원심력의 조합은 저밀도 오염물질이 세척기 중심부로 이동하여 중심부의 와류 배출구를 통해 배출될 수 있도록 충분한 시간을 제공합니다.
MT Thew, 분리 과학 백과사전, 2000
개요
고체-액체하이드로사이클론20세기 대부분 동안 확립되어 왔지만, 만족스러운 액체-액체 분리 성능은 1980년대가 되어서야 비로소 실현되었습니다. 해양 석유 산업은 물에서 미세하게 분리된 오염유를 제거하기 위한 소형, 견고하고 신뢰할 수 있는 장비가 필요했습니다. 이러한 요구는 움직이는 부품이 없는 상당히 다른 유형의 하이드로사이클론으로 충족되었습니다.
이러한 필요성을 보다 자세히 설명하고 이를 광물 처리에서 사용되는 고체-액체 사이클론 분리와 비교한 후, 이전에 해당 의무를 충족하기 위해 설치된 장비 유형보다 하이드로사이클론이 제공하는 이점이 설명됩니다.
분리 성능 평가 기준은 공급 구성, 운영자 제어 및 필요한 에너지(즉, 압력 강하와 유량의 곱) 측면에서 성능을 논의하기에 앞서 나열됩니다.
석유 생산 환경은 재료에 몇 가지 제약을 가하며, 여기에는 미립자 침식 문제가 포함됩니다. 일반적으로 사용되는 재료가 언급됩니다. 자본 및 순환 유분리 플랜트 유형에 대한 상대 비용 데이터가 간략하게 설명되지만, 출처는 제한적입니다. 마지막으로, 석유 산업이 해저 또는 시추공 바닥에 설치된 장비를 검토함에 따라 향후 개발에 대한 몇 가지 지침을 제시합니다.
샘플링, 제어 및 질량 균형
Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., Wills' Mineral Processing Technology(8판), 2016
3.7.1 입자 크기 사용
다음과 같은 많은 단위하이드로사이클론중력 분리기는 일정 수준의 크기 분리를 생성하며, 입자 크기 데이터는 질량 균형에 사용될 수 있습니다(예 3.15).
예제 3.15는 노드 불균형 최소화의 예입니다. 예를 들어, 일반화 최소제곱 최소화의 초기값을 제공합니다. 이러한 그래픽 접근 방식은 "과잉" 구성 요소 데이터가 있는 경우 언제든지 사용할 수 있습니다. 예제 3.9에서도 사용할 수 있었습니다.
예시 3.15는 사이클론을 노드로 사용합니다. 두 번째 노드는 섬프입니다. 이는 두 개의 입력(신선 공급 및 볼 밀 배출)과 하나의 출력(사이클론 공급)을 갖는 예시입니다. 이는 또 다른 물질 수지(예시 3.16)를 제공합니다.
9장에서는 조정된 데이터를 사용하여 사이클론 분배 곡선을 결정하는 이 분쇄 회로 예제로 돌아갑니다.
게시 시간: 2019년 5월 7일