Hydrosykloner

Beskrivelse

Hydrosyklonerer kono-sylindriske i form, med et tangentielt tilførselsinnløp inn i den sylindriske seksjonen og et utløp ved hver akse. Utløpet ved den sylindriske seksjonen kalles virvelfinneren og strekker seg inn i syklonen for å redusere kortslutningsstrøm direkte fra innløpet. Ved den koniske enden er det andre utløpet, tappen. For størrelsesseparasjon er begge utløpene vanligvis åpne mot atmosfæren. Hydrosykloner drives vanligvis vertikalt med tappen i den nedre enden, derfor kalles det grove produktet understrøm og det fine produktet, slik at virvelfinneren blir overløp. Figur 1 viser skjematisk hovedstrømnings- og designfunksjonene til en typiskhydrosyklon: de to virvlene, det tangentielle tilførselsinnløpet og de aksiale utløpene. Bortsett fra det umiddelbare området rundt det tangentielle innløpet, har væskebevegelsen i syklonen radial symmetri. Hvis ett eller begge utløpene er åpne mot atmosfæren, forårsaker en lavtrykkssone en gasskjerne langs den vertikale aksen, inne i den indre virvelen.

Driftsprinsippet er enkelt: væsken, som bærer de suspenderte partiklene, går tangentielt inn i syklonen, spiralerer nedover og produserer et sentrifugalfelt i fri virvelstrøm. Større partikler beveger seg gjennom væsken til utsiden av syklonen i en spiralbevegelse, og går ut gjennom tappen med en brøkdel av væsken. På grunn av tappens begrensende areal etableres en indre virvel, som roterer i samme retning som den ytre virvelen, men strømmer oppover, og forlater syklonen gjennom virvelfinneren, og bærer med seg mesteparten av væsken og finere partikler. Hvis tappens kapasitet overskrides, stenges luftkjernen av, og tappens utstrømning endres fra en paraplyformet spray til et "tau" og et tap av grovt materiale til overløpet.

Diameteren på den sylindriske seksjonen er den viktigste variabelen som påvirker størrelsen på partikkelen som kan separeres, selv om utløpsdiameterene kan endres uavhengig for å endre den oppnådde separasjonen. Mens tidlige forskere eksperimenterte med sykloner så små som 5 mm i diameter, varierer kommersielle hydrosyklondiametre for tiden fra 10 mm til 2,5 m, med separasjonsstørrelser for partikler med tetthet 2700 kg m−3 på 1,5–300 μm, som avtar med økt partikkeltetthet. Driftstrykkfallet varierer fra 10 bar for små diametre til 0,5 bar for store enheter. For å øke kapasiteten, flere småhydrosyklonerkan manifoldes fra en enkelt tilførselsledning.

Selv om driftsprinsippet er enkelt, er mange aspekter ved driften fortsatt dårlig forstått, og valg og prediksjon av hydrosykloner for industriell drift er i stor grad empirisk.

Klassifikasjon

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

9.4.3 Hydrosykloner versus skjermer

Hydrosykloner har blitt dominerende innen klassifisering når det gjelder fine partikkelstørrelser i lukkede slipekretser (<200 µm). Nyere utvikling innen siktteknologi (kapittel 8) har imidlertid fornyet interessen for bruk av sikter i slipekretser. Sikter separerer på grunnlag av størrelse og påvirkes ikke direkte av tetthetsspredningen i fôrmineralene. Dette kan være en fordel. Sikter har heller ikke en bypass-fraksjon, og som eksempel 9.2 har vist, kan bypass-fraksjonen være ganske stor (over 30 % i så fall). Figur 9.8 viser et eksempel på forskjellen i fordelingskurve for sykloner og sikter. Dataene er fra El Brocal-konsentratoren i Peru med evalueringer før og etter at hydrosyklonene ble erstattet med en Derrick Stack Sizer® (se kapittel 8) i slipekretsen (Dündar et al., 2014). I samsvar med forventningen hadde sikten en skarpere separasjon (kurvens helling er høyere) og lite bypass sammenlignet med syklonen. En økning i slipekretsens kapasitet ble rapportert på grunn av høyere bruddrater etter implementering av sikten. Dette ble tilskrevet elimineringen av bypass-kanalen, noe som reduserte mengden fint materiale som sendes tilbake til kvernmøllene, noe som har en tendens til å dempe partikkel-partikkel-støt.

Overgang er imidlertid ikke én måte: et nylig eksempel er en overgang fra sikt til syklon, for å dra nytte av den ekstra størrelsesreduksjonen av de tettere paymineralene (Sasseville, 2015).

Metallurgisk prosess og design

Eoin H. Macdonald, i Håndbok for gullleting og evaluering, 2007

Hydrosykloner

Hydrosykloner er foretrukne enheter for å sortere eller avslimme store slamvolumer billig og fordi de tar opp svært lite gulvplass eller takhøyde. De fungerer mest effektivt når de mates med jevn strømningshastighet og massetetthet, og brukes individuelt eller i klynger for å oppnå ønsket totalkapasitet ved nødvendige splittelser. Sorteringsmulighetene er avhengige av sentrifugalkrefter generert av høye tangentielle strømningshastigheter gjennom enheten. Den primære virvelen som dannes av den innkommende slammen virker spiralformet nedover rundt den indre kjegleveggen. Faste stoffer slynges utover av sentrifugalkraften, slik at tettheten øker når massen beveger seg nedover. Vertikale komponenter av hastigheten virker nedover nær kjegleveggene og oppover nær aksen. Den mindre tette sentrifugalseparerte slamfraksjonen tvinges oppover gjennom virvelfinneren for å passere ut gjennom åpningen i den øvre enden av kjeglen. En mellomliggende sone eller konvolutt mellom de to strømningene har null vertikal hastighet og skiller de grovere faste stoffene som beveger seg nedover fra de finere faste stoffene som beveger seg oppover. Hoveddelen av strømmen passerer oppover i den mindre indre virvelen, og høyere sentrifugalkrefter kaster de større av de finere partiklene utover, noe som gir en mer effektiv separasjon i de finere størrelsene. Disse partiklene går tilbake til den ytre virvelen og rapporterer igjen til jigmatingen.

Geometrien og driftsforholdene innenfor det spiralformede strømningsmønsteret til en typiskhydrosykloner beskrevet i figur 8.13. Operasjonelle variabler er massetetthet, strømningshastighet for mating, faststoffkarakteristikker, innløpstrykk for mating og trykkfall gjennom syklonen. Syklonvariabler er arealet av innløpet for mating, diameter og lengde på virvelfinneren, og diameteren på tappeutløpet. Verdien av luftmotstandskoeffisienten påvirkes også av formen; jo mer en partikkel varierer fra sfærisitet, desto mindre er formfaktoren og desto større er sedimentasjonsmotstanden. Den kritiske spenningssonen kan strekke seg til noen gullpartikler så store som 200 mm, og nøye overvåking av klassifiseringsprosessen er derfor viktig for å redusere overdreven resirkulering og den resulterende oppbyggingen av slim. Historisk sett, da det ble viet lite oppmerksomhet til utvinningen av 150μm gullkorn ser det ut til at overføring av gull i slimfraksjonene i stor grad var ansvarlig for gulltap som ble registrert til å være så høye som 40–60 % i mange gullplasseringsoperasjoner.

Figur 8.14 (Warman-utvalgstabell) er et foreløpig utvalg av sykloner for separering ved ulike D50-størrelser fra 9–18 mikron opp til 33–76 mikron. Dette diagrammet, som andre slike diagrammer over sykloners ytelse, er basert på en nøye kontrollert tilførsel av en spesifikk type. Det antar et faststoffinnhold på 2700 kg/m3 i vann som en første veiledning for valg. Sykloner med større diameter brukes til å produsere grove separasjoner, men krever høye tilførselsvolumer for riktig funksjon. Fine separasjoner ved høye tilførselsvolumer krever klynger av sykloner med liten diameter som opererer parallelt. De endelige designparametrene for tett dimensjonering må bestemmes eksperimentelt, og det er viktig å velge en syklon rundt midten av området, slik at eventuelle mindre justeringer som kan være nødvendige, kan gjøres ved oppstart av driften.

CBC-syklonen (sirkulerende sjikt) skal klassifisere alluviale gulltilførselsmaterialer opptil 5 mm i diameter og oppnå en jevnt høy jiggtilførsel fra understrømmen. Separasjonen skjer ved omtrentD50/150 mikron basert på silika med tetthet 2,65. CBC-syklonunderstrømningen hevdes å være spesielt egnet for jiggeseparasjon på grunn av dens relativt jevne størrelsesfordelingskurve og nesten fullstendige fjerning av fine avfallspartikler. Selv om dette systemet hevdes å produsere et høyverdig primært konsentrat av like tunge mineraler i én omgang fra en relativt lang størrelsesrekkevidde (f.eks. mineralsand), finnes ingen slike ytelsestall for alluvialt tilførselsmateriale som inneholder fint og flakaktig gull. Tabell 8.5 gir de tekniske dataene for AKW.hydrosyklonerfor grenseverdier mellom 30 og 100 mikron.

Tabell 8.5. Tekniske data for AKW-hydrosykloner

Type (KRS)	Diameter (mm)	Trykkfall	Kapasitet		Skjærepunkt (mikron)
Type (KRS)	Diameter (mm)	Trykkfall	Slam (m3/time)	Faste stoffer (t/t maks).	Skjærepunkt (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

Utviklingen innen teknologier for knusing og klassifisering av jernmalm

A. Jankovic, i Jernmalm, 2015

8.3.3.1 Hydrosyklonseparatorer

Hydrosyklonen, også referert til som syklon, er en klassifiseringsenhet som bruker sentrifugalkraft til å akselerere sedimenteringshastigheten til slampartikler og separere partikler i henhold til størrelse, form og spesifikk vekt. Den er mye brukt i mineralindustrien, med hovedbruk i mineralforedling som en klassifiseringsenhet, som har vist seg ekstremt effektiv ved fine separasjonsstørrelser. Den er mye brukt i lukkede kretsløpsslipeoperasjoner, men har funnet mange andre bruksområder, for eksempel avsliming, avsmuldring og fortykning.

En typisk hydrosyklon (figur 8.12a) består av en konisk formet beholder, åpen i toppen, eller underløpet, koblet til en sylindrisk seksjon, som har et tangensielt tilførselsinnløp. Toppen av den sylindriske seksjonen er lukket med en plate gjennom hvilken et aksialt montert overløpsrør passerer. Røret er forlenget inn i syklonens kropp av en kort, avtakbar seksjon kjent som virvelfinneren, som forhindrer kortslutning av tilførsel direkte inn i overløpet. Tilførselen føres inn under trykk gjennom den tangensielle inngangen, som gir massen en virvlende bevegelse. Dette genererer en virvel i syklonen, med en lavtrykkssone langs den vertikale aksen, som vist i figur 8.12b. En luftkjerne utvikler seg langs aksen, normalt koblet til atmosfæren gjennom toppåpningen, men delvis skapt av oppløst luft som kommer ut av løsningen i sonen med lavt trykk. Sentrifugalkraften akselererer partiklenes sedimentasjonshastighet, og separerer dermed partikler i henhold til størrelse, form og spesifikk vekt. Raskere sedimenterende partikler beveger seg til syklonens vegg, der hastigheten er lavest, og migrerer til apeksåpningen (understrømningen). På grunn av dragkraftens virkning beveger de saktere sedimenterende partiklene seg mot lavtrykkssonen langs aksen og føres oppover gjennom virvelfinneren til overløpet.

Hydrosykloner brukes nesten universelt i slipekretser på grunn av deres høye kapasitet og relative effektivitet. De kan også klassifisere over et svært bredt spekter av partikkelstørrelser (vanligvis 5–500 μm), der enheter med mindre diameter brukes for finere klassifisering. Imidlertid kan syklonbruk i magnetitt-slipekretser føre til ineffektiv drift på grunn av tetthetsforskjellen mellom magnetitt og avfallsmineraler (silika). Magnetitt har en spesifikk tetthet på omtrent 5,15, mens silika har en spesifikk tetthet på omtrent 2,7. Ihydrosykloner, tette mineraler separeres med en finere kuttstørrelse enn lettere mineraler. Derfor konsentreres frigjort magnetitt i syklonunderstrømmen, med påfølgende overmaling av magnetitten. Napier-Munn et al. (2005) bemerket at forholdet mellom den korrigerte kuttstørrelsen (d50c) og partikkeltettheten følger et uttrykk av følgende form avhengig av strømningsforhold og andre faktorer:

d50c∝ρs−ρl−n

hvorρs er faststoffets tetthet,ρl er væsketettheten, ogner mellom 0,5 og 1,0. Dette betyr at effekten av mineraltetthet på syklonens ytelse kan være ganske betydelig. For eksempel, hvisd50c av magnetitten er 25 μm, såd50c av silikapartikler vil være 40–65 μm. Figur 8.13 viser syklonklassifiseringseffektivitetskurvene for magnetitt (Fe3O4) og silika (SiO2) hentet fra undersøkelsen av en industriell kulemøllemagnetittkvernkrets. Størrelsesseparasjonen for silika er mye grovere, med end50c for Fe3O4 på 29 μm, mens den for SiO2 er 68 μm. På grunn av dette fenomenet er magnetittkvernene i lukkede kretser med hydrosykloner mindre effektive og har lavere kapasitet sammenlignet med andre kretser for kvern av basismetallmalm.

Høytrykksprosessteknologi: Grunnleggende og anvendelser

MJ Cocero PhD, i industriell kjemibibliotek, 2001

Faststoffseparasjonsenheter

•

Hydrosyklon

Dette er en av de enkleste typene faststoffseparatorer. Det er en høyeffektiv separasjonsenhet og kan brukes til å effektivt fjerne faste stoffer ved høye temperaturer og trykk. Den er økonomisk fordi den ikke har bevegelige deler og krever lite vedlikehold.

Separasjonseffektiviteten for faste stoffer er en sterk funksjon av partikkelstørrelse og temperatur. Brutto separasjonseffektiviteter på nær 80 % er oppnåelige for silika og temperaturer over 300 °C, mens brutto separasjonseffektiviteten for tettere zirkonpartikler er større enn 99 % i samme temperaturområde [29].

Det største handikapet ved hydrosyklondrift er tendensen til at noen salter fester seg til syklonveggene.

•

Kryssmikrofiltrering

Kryssstrømsfiltre oppfører seg på en måte som ligner på det som normalt observeres i kryssstrømsfiltrering under omgivelsesforhold: økte skjærhastigheter og redusert væskeviskositet resulterer i et økt filtratantall. Kryssmikrofiltrering har blitt brukt til separasjon av utfelte salter som faste stoffer, noe som gir partikkelseparasjonseffektiviteter som vanligvis overstiger 99,9 %. Goemansm.fl.[30] studerte separasjon av natriumnitrat fra superkritisk vann. Under studiens forhold var natriumnitrat tilstede som smeltet salt og var i stand til å krysse filteret. Separasjonseffektiviteter ble oppnådd som varierte med temperaturen, siden løseligheten avtar når temperaturen øker, mellom 40 % og 85 %, for henholdsvis 400 °C og 470 °C. Disse forskerne forklarte separasjonsmekanismen som en konsekvens av en distinkt permeabilitet av filtermediet mot den superkritiske løsningen, i motsetning til det smeltede saltet, basert på deres tydelig distinkte viskositeter. Derfor ville det være mulig ikke bare å filtrere utfelte salter kun som faste stoffer, men også å filtrere de lavtsmeltende saltene som er i smeltet tilstand.

Driftsproblemene skyldtes hovedsakelig filterkorrosjon forårsaket av saltene.

Papir: Resirkulering og resirkulerte materialer

MR Doshi, JM Dyer, i Referansemodul i materialvitenskap og materialteknikk, 2016

3.3 Rengjøring

Rengjøringsmidler ellerhydrosyklonerfjerne forurensninger fra masse basert på tetthetsforskjellen mellom forurensningen og vann. Disse enhetene består av koniske eller sylindrisk-koniske trykkbeholdere der massen mates tangentielt inn i enden med stor diameter (figur 6). Under passasjen gjennom renseren utvikler massen et virvelstrømningsmønster, likt en syklons. Strømmen roterer rundt den sentrale aksen når den passerer bort fra innløpet og mot toppunktet, eller understrømningsåpningen, langs innsiden av renseveggen. Rotasjonsstrømningshastigheten akselererer når diameteren på kjeglen avtar. Nær toppunktet forhindrer åpningen med liten diameter utstrømning av mesteparten av strømmen, som i stedet roterer i en indre virvel i kjernen av renseren. Strømmen ved den indre kjernen strømmer bort fra toppunktets åpning til den tømmes ut gjennom virvelfinneren, som er plassert i enden med stor diameter i midten av renseren. Materialet med høyere tetthet, som har blitt konsentrert ved veggen av renseren på grunn av sentrifugalkraft, tømmes ut ved toppunktet av kjeglen (Bliss, 1994, 1997).

Rensere klassifiseres som høy, middels eller lav tetthet, avhengig av tettheten og størrelsen på forurensningene som fjernes. En renser med høy tetthet, med en diameter fra 15 til 50 cm (6–20 tommer), brukes til å fjerne gjenværende metall, binders og stifter, og plasseres vanligvis rett etter pulperen. Etter hvert som renserens diameter reduseres, øker effektiviteten i å fjerne små forurensninger. Av praktiske og økonomiske årsaker er syklonen med en diameter på 75 mm (3 tommer) vanligvis den minste renseren som brukes i papirindustrien.

Reversrensere og gjennomstrømningsrensere er utviklet for å fjerne forurensninger med lav tetthet, som voks, polystyren og klebrige partikler. Reversrensere er kalt dette fordi akseptstrømmen samles opp ved renserens toppunkt, mens rejektmaterialet kommer ut ved overløpet. I gjennomstrømningsrenseren kommer akseptmaterialet og rejektmaterialet ut i samme ende av renseren, med akseptmaterialet nær renserens vegg atskilt fra rejektmaterialet av et sentralt rør nær kjernen av renseren, som vist i figur 7.

Kontinuerlige sentrifuger som ble brukt på 1920- og 1930-tallet for å fjerne sand fra masse, ble avviklet etter utviklingen av hydrosykloner. Gyroclean, utviklet ved Centre Technique du Papier, Grenoble, Frankrike, består av en sylinder som roterer med 1200–1500 o/min (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). Kombinasjonen av relativt lang oppholdstid og høy sentrifugalkraft gir forurensninger med lav tetthet tilstrekkelig tid til å migrere til kjernen av renseren, hvor de avvises gjennom den sentrale virvelutladningen.

MT Thew, i Encyclopedia of Separation Science, 2000

Synopsis

Selv om det faste–væskehydrosyklonhar vært etablert gjennom mesteparten av 1900-tallet, men tilfredsstillende væske-væske-separasjonsytelse kom ikke før på 1980-tallet. Offshore oljeindustrien hadde behov for kompakt, robust og pålitelig utstyr for å fjerne finfordelt forurensende olje fra vann. Dette behovet ble dekket av en vesentlig annen type hydrosyklon, som selvfølgelig ikke hadde bevegelige deler.

Etter å ha forklart dette behovet mer fullstendig og sammenlignet det med syklonisk separasjon av fast-væske-materiale i mineralprosessering, presenteres fordelene som hydrosyklonen ga i forhold til utstyrstyper som ble installert tidligere for å oppfylle plikten.

Kriterier for vurdering av separasjonsytelse er listet opp før ytelse diskuteres med tanke på tilførselsstruktur, operatørkontroll og nødvendig energi, dvs. produktet av trykkfall og strømningshastighet.

Miljøet for petroleumsproduksjon setter noen begrensninger for materialer, og dette inkluderer problemet med partikkelerosjon. Typiske materialer som brukes er nevnt. Relative kostnadsdata for typer oljeseparasjonsanlegg, både kapitalbaserte og tilbakevendende, er skissert, selv om kildene er sparsomme. Til slutt beskrives noen pekere til videre utvikling, ettersom oljeindustrien ser mot utstyr installert på havbunnen eller til og med på bunnen av brønnhullet.

Prøvetaking, kontroll og massebalansering

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

3.7.1 Bruk av partikkelstørrelse

Mange enheter, som f.eks.hydrosyklonerog gravitasjonsseparatorer, produserer en viss grad av størrelsesseparasjon, og partikkelstørrelsesdataene kan brukes til massebalansering (eksempel 3.15).

Eksempel 3.15 er et eksempel på minimering av nodeubalanse; det gir for eksempel startverdien for den generaliserte minste kvadraters minimering. Denne grafiske tilnærmingen kan brukes når det er "overskudd" av komponentdata; i eksempel 3.9 kunne den ha blitt brukt.

Eksempel 3.15 bruker syklonen som node. En annen node er sumpen: dette er et eksempel på to innganger (fersk mating og kulemølleutløp) og én utgang (syklonmating). Dette gir en annen massebalanse (eksempel 3.16).

I kapittel 9 går vi tilbake til dette eksemplet på slipekretsen ved å bruke justerte data for å bestemme syklonfordelingskurven.

Publisert: 07. mai 2019