Hydrocyklony

Opis

Hydrocyklonymają kształt stożkowo-cylindryczny, ze stycznym wlotem zasilania do części cylindrycznej i wylotem na każdej osi. Wylot w części cylindrycznej nazywany jest wykrywaczem wirów i sięga do cyklonu, aby zmniejszyć przepływ zwarciowy bezpośrednio z wlotu. Na stożkowym końcu znajduje się drugi wylot, czop. W celu separacji wielkości oba wyloty są zazwyczaj otwarte na atmosferę. Hydrocyklony zazwyczaj działają pionowo z czopem na dolnym końcu, stąd produkt gruboziarnisty nazywany jest dołem, a produkt drobny, opuszczający wykrywacz wirów, przelewem. Rysunek 1 schematycznie przedstawia główne cechy przepływu i projektu typowegohydrocyklon: dwa wiry, styczny wlot zasilania i osiowe wyloty. Z wyjątkiem bezpośredniego obszaru stycznego wlotu, ruch płynu w cyklonie ma symetrię promieniową. Jeśli jeden lub oba wyloty są otwarte na atmosferę, strefa niskiego ciśnienia powoduje powstanie rdzenia gazowego wzdłuż osi pionowej, wewnątrz wewnętrznego wiru.

Zasada działania jest prosta: ciecz niosąca zawieszone cząstki wpływa stycznie do cyklonu, spiralnie opada w dół i wytwarza pole odśrodkowe w swobodnym przepływie wirowym. Większe cząstki przemieszczają się przez płyn na zewnątrz cyklonu ruchem spiralnym i wychodzą przez czop z frakcją cieczy. Ze względu na ograniczoną powierzchnię czopa, tworzy się wir wewnętrzny, obracający się w tym samym kierunku co wir zewnętrzny, ale płynący w górę, który opuszcza cyklon przez wykrywacz wirów, niosąc ze sobą większość cieczy i drobniejszych cząstek. Jeśli pojemność króćca zostanie przekroczona, rdzeń powietrzny zostanie zamknięty, a wypływ króćca zmieni się z rozpylacza w kształcie parasola w „linę”, co powoduje utratę gruboziarnistego materiału do przelewu.

Średnica przekroju cylindrycznego jest główną zmienną wpływającą na wielkość cząstek, które można oddzielić, chociaż średnice wylotu można zmieniać niezależnie, aby zmienić uzyskaną separację. Podczas gdy pierwsi pracownicy eksperymentowali z cyklonami o średnicy zaledwie 5 mm, obecnie dostępne na rynku średnice hydrocyklonów wahają się od 10 mm do 2,5 m, przy czym rozmiary oddzielania cząstek o gęstości 2700 kg m-3 wynoszą 1,5–300 µm i maleją wraz ze wzrostem gęstości cząstek. Spadek ciśnienia roboczego waha się od 10 barów dla małych średnic do 0,5 barów dla dużych jednostek. Aby zwiększyć pojemność, wiele małychhydrocyklonymożna rozdzielać z jednego przewodu zasilającego.

Chociaż zasada działania jest prosta, wiele aspektów ich działania jest nadal słabo poznanych, a dobór i przewidywanie hydrocyklonów do zastosowań przemysłowych mają w dużej mierze charakter empiryczny.

Klasyfikacja

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., w: Wills' Mineral Processing Technology (wydanie ósme), 2016

9.4.3 Hydrocyklony a ekrany

W przypadku drobnych cząstek w zamkniętych obiegach mielenia (<200 µm) dominują hydrocyklony. Jednakże ostatnie osiągnięcia w technologii przesiewaczy (rozdział 8) ponownie wzbudziły zainteresowanie zastosowaniem sit w obwodach szlifierskich. Sita rozdzielają się na podstawie wielkości i nie ma na nie bezpośredniego wpływu różnica gęstości w minerałach wsadowych. To może być zaletą. Ekrany również nie mają części obejściowej i jak pokazał przykład 9.2, obejście może być dość duże (w tym przypadku ponad 30%). Rysunek 9.8 pokazuje przykład różnicy w krzywej podziału dla cyklonów i ekranów. Dane pochodzą z koncentratora El Brocal w Peru i obejmują oceny przed i po wymianie hydrocyklonów na Derrick Stack Sizer® (patrz rozdział 8) w obwodzie mielenia (Dündar i in., 2014). Zgodnie z oczekiwaniami, w porównaniu do cyklonu, sito charakteryzowało się ostrzejszą separacją (nachylenie krzywej było większe) i mniejszym obejściem. Odnotowano wzrost wydajności obwodu mielącego w związku z większymi współczynnikami pękania po zastosowaniu przesiewacza. Przypisano to wyeliminowaniu obejścia, zmniejszając ilość drobnego materiału wysyłanego z powrotem do młynów, co ma tendencję do amortyzowania uderzeń cząstek stałych.

Zmiana nie jest jednak możliwa w jedną stronę: niedawnym przykładem jest przejście z przesiewacza na cyklon w celu wykorzystania dodatkowego zmniejszenia rozmiaru gęstszych minerałów płatniczych (Sasseville, 2015).

Proces i projektowanie metalurgiczne

Eoin H. Macdonald, w Podręczniku poszukiwania i oceny złota, 2007

Hydrocyklony

Hydrocyklony są preferowanymi jednostkami do taniego sortowania lub odszlamiania dużych ilości szlamu oraz dlatego, że zajmują bardzo mało miejsca na podłodze lub nad głową. Działają najskuteczniej, gdy są podawane z równym natężeniem przepływu i gęstością masy celulozowej i są stosowane pojedynczo lub w klastrach w celu uzyskania pożądanej całkowitej wydajności przy wymaganych podziałach. Możliwości wymiarowania opierają się na siłach odśrodkowych generowanych przez duże styczne prędkości przepływu przez urządzenie. Główny wir utworzony przez napływającą zawiesinę działa spiralnie w dół wokół wewnętrznej ściany stożka. Substancje stałe są wyrzucane na zewnątrz pod wpływem siły odśrodkowej, tak że w miarę przesuwania się pulpy w dół jej gęstość wzrasta. Pionowe składowe prędkości działają w dół w pobliżu ścian stożka i w górę w pobliżu osi. Mniej gęsta, oddzielona odśrodkowo frakcja szlamu jest wypychana w górę przez wykrywacz wirów i przechodzi przez otwór w górnym końcu stożka. Strefa pośrednia lub otoczka pomiędzy dwoma przepływami ma zerową prędkość pionową i oddziela grubsze cząstki stałe poruszające się w dół od drobniejszych cząstek stałych poruszających się w górę. Większość strumienia przepływa w górę w obrębie mniejszego wiru wewnętrznego, a większe siły odśrodkowe wyrzucają większe z drobniejszych cząstek na zewnątrz, zapewniając w ten sposób skuteczniejsze oddzielanie drobniejszych cząstek. Cząstki te wracają do zewnętrznego wiru i ponownie trafiają do podajnika.

Geometria i warunki pracy w typowym schemacie przepływu spiralnegohydrocyklonopisano na rys. 8.13. Zmiennymi operacyjnymi są gęstość pulpy, natężenie przepływu surowca, charakterystyka substancji stałych, ciśnienie na wlocie surowca i spadek ciśnienia w cyklonie. Zmiennymi cyklonami są powierzchnia wlotu surowca, średnica i długość czujnika wirów oraz średnica króćca wylotowego. Na wartość współczynnika oporu wpływa również kształt; im bardziej cząstka odbiega od kulistości, tym mniejszy jest jej współczynnik kształtu i większy opór osiadania. Krytyczna strefa naprężeń może obejmować niektóre cząstki złota o wielkości nawet 200 mm, dlatego też dokładne monitorowanie procesu klasyfikacji jest niezbędne, aby ograniczyć nadmierny recykling i wynikające z niego gromadzenie się szlamu. Historycznie rzecz biorąc, kiedy niewiele uwagi poświęcano odzyskaniu 150μm ziaren złota, wydaje się, że przeniesienie złota we frakcjach szlamu było w dużej mierze odpowiedzialne za straty złota, które w wielu operacjach umieszczania złota odnotowywano nawet na poziomie 40–60%.

Rysunek 8.14 (Tabela doboru Warmana) przedstawia wstępny wybór cyklonów do separacji przy różnych wielkościach D50 od 9–18 mikronów do 33–76 mikronów. Wykres ten, podobnie jak inne tego typu wykresy wydajności cyklonu, opiera się na dokładnie kontrolowanym zasilaniu określonego typu. Jako pierwszą wskazówkę przy wyborze przyjmuje się, że zawartość substancji stałych w wodzie wynosi 2700 kg/m3. Cyklony o większej średnicy są używane do wytwarzania zgrubnej separacji, ale do prawidłowego działania wymagają dużych ilości surowca. Dokładna separacja przy dużych ilościach surowca wymaga równoległych klastrów cyklonów o małej średnicy. Ostateczne parametry projektowe dla małych rozmiarów należy określić eksperymentalnie i ważne jest, aby wybrać cyklon w okolicach środka zakresu, tak aby na początku operacji można było dokonać wszelkich drobnych korekt, które mogą być wymagane.

Uważa się, że cyklon CBC (z krążącym złożem) klasyfikuje materiały wsadowe złota aluwialnego o średnicy do 5 mm i zapewnia niezmiennie wysoki dopływ osadzaka z dolnego strumienia. Separacja następuje w przybliżeniuD50/150 mikronów na bazie krzemionki o gęstości 2,65. Uważa się, że dolny przepływ cyklonu CBC szczególnie podatny jest na separację osadzającą ze względu na stosunkowo gładką krzywą rozkładu wielkości i prawie całkowite usuwanie drobnych cząstek odpadów. Jednakże, mimo że twierdzi się, że system ten wytwarza wysokiej jakości koncentrat pierwotny równych ilości minerałów ciężkich w jednym przejściu z wsadu o stosunkowo dużym zakresie wielkości (np. piaski mineralne), nie są dostępne żadne takie dane dotyczące wydajności w przypadku materiału wsadowego aluwialnego zawierającego drobne i łuszczące się złoto. . Tabela 8.5 zawiera dane techniczne AKWhydrocyklonydla punktów odcięcia od 30 do 100 mikronów.

Tabela 8.5. Dane techniczne hydrocyklonów AKW

Typ (KRS)	Średnica (mm)	Spadek ciśnienia	Pojemność		Punkt cięcia (mikrony)
Typ (KRS)	Średnica (mm)	Spadek ciśnienia	Gnojowica (m3/godz.)	Substancje stałe (maks. t/h).	Punkt cięcia (mikrony)
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

Rozwój technologii rozdrabniania i klasyfikacji rud żelaza

A. Jankovic, w Iron Ore, 2015

8.3.3.1 Separatory hydrocyklonowe

Hydrocyklon, nazywany także cyklonem, jest urządzeniem klasyfikującym, które wykorzystuje siłę odśrodkową do przyspieszenia szybkości osiadania cząstek zawiesiny i oddzielania cząstek według rozmiaru, kształtu i ciężaru właściwego. Jest szeroko stosowany w przemyśle minerałów, a jego głównym zastosowaniem w przetwarzaniu minerałów jest klasyfikator, który okazał się niezwykle skuteczny przy małych rozmiarach separacji. Jest szeroko stosowany w operacjach mielenia w obiegu zamkniętym, ale znalazł wiele innych zastosowań, takich jak odszlamianie, odpiaszczanie i zagęszczanie.

Typowy hydrocyklon (Rysunek 8.12a) składa się ze stożkowego zbiornika, otwartego na wierzchołku, czyli dolnego, połączonego z cylindryczną częścią, która ma styczny wlot zasilający. Od góry część cylindryczną zamyka płyta, przez którą przechodzi osiowo zamontowana rura przelewowa. Rura jest przedłużona do korpusu cyklonu za pomocą krótkiego, wyjmowanego odcinka zwanego wykrywaczem wirów, który zapobiega zwarciu nadawy bezpośrednio do przelewu. Surowiec jest wprowadzany pod ciśnieniem przez styczny wlot, który powoduje ruch wirowy miazgi. Powoduje to wytworzenie wiru w cyklonie ze strefą niskiego ciśnienia wzdłuż osi pionowej, jak pokazano na rysunku 8.12b. Wzdłuż osi rozwija się rdzeń powietrzny, zwykle połączony z atmosferą przez otwór wierzchołkowy, ale częściowo utworzony przez rozpuszczone powietrze wydobywające się z roztworu w strefie niskiego ciśnienia. Siła odśrodkowa przyspiesza osadzanie się cząstek, oddzielając w ten sposób cząstki według rozmiaru, kształtu i ciężaru właściwego. Szybciej sedymentujące cząstki przemieszczają się w stronę ściany cyklonu, gdzie prędkość jest najmniejsza, i migrują do otworu wierzchołkowego (podciek). Na skutek działania siły oporu wolniej opadające cząstki przesuwają się wzdłuż osi w kierunku strefy niskiego ciśnienia i są przenoszone w górę przez sondę wirową do przelewu.

Hydrocyklony są niemal powszechnie stosowane w obiegach mielących ze względu na ich dużą wydajność i względną wydajność. Mogą również klasyfikować w bardzo szerokim zakresie rozmiarów cząstek (zwykle 5–500 μm), przy czym w celu dokładniejszej klasyfikacji stosuje się jednostki o mniejszej średnicy. Jednakże zastosowanie cyklonu w obwodach mielenia magnetytu może powodować nieefektywną pracę ze względu na różnicę gęstości pomiędzy magnetytem i minerałami odpadowymi (krzemionką). Magnetyt ma gęstość właściwą około 5,15, podczas gdy krzemionka ma gęstość właściwą około 2,7. Whydrocyklony, gęste minerały oddzielają się przy mniejszym rozmiarze cięcia niż lżejsze minerały. Dlatego też uwolniony magnetyt gromadzi się w dolnym strumieniu cyklonu, co w konsekwencji prowadzi do nadmiernego rozdrobnienia magnetytu. Napier-Munn i in. (2005) zauważyli, że związek pomiędzy skorygowaną wielkością cięcia (d50c) i gęstość cząstek wyraża się w następującej postaci w zależności od warunków przepływu i innych czynników:

d50c∝ρs−ρl−n

Gdzieρs to gęstość ciał stałych,ρl jest gęstością cieczy, oraznwynosi od 0,5 do 1,0. Oznacza to, że wpływ gęstości minerałów na wydajność cyklonu może być dość znaczący. Na przykład, jeślid50c magnetytu wynosi 25 μm, wówczasd50c cząstek krzemionki będzie miało wielkość 40–65 µm. Rysunek 8.13 przedstawia krzywe efektywności klasyfikacji cyklonów dla magnetytu (Fe3O4) i krzemionki (SiO2) uzyskane z badania obwodu mielenia magnetytu w przemysłowym młynie kulowym. Oddzielenie wielkości w przypadku krzemionki jest znacznie grubsze, z ad50c dla Fe3O4 wynosi 29 µm, natomiast dla SiO2 wynosi 68 µm. Z powodu tego zjawiska młyny magnetytu w obiegach zamkniętych z hydrocyklonami są mniej wydajne i mają mniejszą wydajność w porównaniu do innych obiegów mielenia metali nieszlachetnych.

Technologia procesowa wysokociśnieniowa: podstawy i zastosowania

Doktor MJ Cocero, Biblioteka Chemii Przemysłowej, 2001

Urządzenia do separacji ciał stałych

•

Hydrocyklon

Jest to jeden z najprostszych typów separatorów substancji stałych. Jest to wysokowydajne urządzenie separujące, które może być stosowane do skutecznego usuwania ciał stałych w wysokich temperaturach i ciśnieniach. Jest ekonomiczny, ponieważ nie ma ruchomych części i wymaga niewielkiej konserwacji.

Skuteczność separacji ciał stałych jest silną funkcją wielkości cząstek i temperatury. Całkowita skuteczność separacji bliska 80% jest osiągalna dla krzemionki i temperatur powyżej 300°C, podczas gdy w tym samym zakresie temperatur całkowita skuteczność separacji dla gęstszych cząstek cyrkonu jest większa niż 99% [29].

Główną wadą działania hydrocyklonu jest tendencja niektórych soli do przylegania do ścianek cyklonu.

•

Mikrofiltracja krzyżowa

Filtry z przepływem krzyżowym zachowują się w sposób podobny do tego, który zwykle obserwuje się w filtracji z przepływem krzyżowym w warunkach otoczenia: zwiększone szybkości ścinania i zmniejszona lepkość płynu powodują zwiększoną liczbę filtratu. Do oddzielania wytrąconych soli w postaci substancji stałych zastosowano mikrofiltrację krzyżową, uzyskując skuteczność oddzielania cząstek zwykle przekraczającą 99,9%. Goemansai in.[30] badali separację azotanu sodu z wody nadkrytycznej. W warunkach badań azotan sodu występował w postaci stopionej soli i miał zdolność przenikania przez filtr. Uzyskano wydajności rozdzielania zmieniające się wraz z temperaturą, ponieważ rozpuszczalność maleje wraz ze wzrostem temperatury, w zakresie od 40% do 85%, odpowiednio dla 400°C i 470°C. Pracownicy ci wyjaśnili mechanizm separacji jako konsekwencję wyraźnej przepuszczalności ośrodka filtrującego dla roztworu nadkrytycznego, w przeciwieństwie do stopionej soli, w oparciu o ich wyraźnie różne lepkości. W związku z tym możliwe byłoby nie tylko odfiltrowanie wytrąconych soli jedynie jako substancji stałych, ale także odfiltrowanie soli o niskiej temperaturze topnienia, które są w stanie stopionym.

Problemy w działaniu wynikały głównie z korozji filtra przez sole.

Papier: Recykling i materiały pochodzące z recyklingu

MR Doshi, JM Dyer, w module referencyjnym w zakresie inżynierii materiałowej i inżynierii materiałowej, 2016

3.3 Czyszczenie

Sprzątaczki lubhydrocyklonyusuwa zanieczyszczenia z masy celulozowej w oparciu o różnicę gęstości pomiędzy zanieczyszczeniem a wodą. Urządzenia te składają się ze stożkowego lub cylindryczno-stożkowego zbiornika ciśnieniowego, do którego pulpa jest podawana stycznie na końcu o dużej średnicy (Rysunek 6). Podczas przejścia przez oczyszczacz miazga tworzy wirowy przepływ, podobny do cyklonu. Strumień obraca się wokół osi środkowej, gdy przechodzi od wlotu w kierunku wierzchołka lub otworu dolnego, wzdłuż wewnętrznej strony ścianki oczyszczacza. Prędkość przepływu obrotowego wzrasta wraz ze zmniejszaniem się średnicy stożka. W pobliżu wierzchołkowego końca otwór o małej średnicy zapobiega wypływowi większości strumienia, który zamiast tego obraca się w wewnętrznym wirze w rdzeniu odkurzacza. Strumień w rdzeniu wewnętrznym wypływa z otworu wierzchołkowego, aż do wypływu przez czujnik wirów, umieszczony na końcu o dużej średnicy, w środku odkurzacza. Materiał o większej gęstości, skoncentrowany na ściance odkurzacza pod wpływem siły odśrodkowej, jest odprowadzany na wierzchołku stożka (Bliss, 1994, 1997).

Środki czyszczące klasyfikuje się jako o wysokiej, średniej lub niskiej gęstości, w zależności od gęstości i wielkości usuwanych zanieczyszczeń. Środek czyszczący o dużej gęstości o średnicy od 15 do 50 cm (6–20 cali) służy do usuwania metalu obcego, spinaczy biurowych i zszywek i zwykle umieszcza się go bezpośrednio za rozwłókniaczem. W miarę zmniejszania się średnicy oczyszczacza wzrasta jego skuteczność w usuwaniu zanieczyszczeń o niewielkich rozmiarach. Ze względów praktycznych i ekonomicznych cyklon o średnicy 75 mm (3 cale) jest na ogół najmniejszym urządzeniem czyszczącym stosowanym w przemyśle papierniczym.

Urządzenia do czyszczenia wstecznego i środki czyszczące przepływowe są przeznaczone do usuwania zanieczyszczeń o małej gęstości, takich jak wosk, polistyren i substancje lepkie. Odwrotne urządzenia czyszczące zostały tak nazwane, ponieważ strumień akceptacji jest zbierany na wierzchołku oczyszczacza, podczas gdy odrzuty wypływają przez przelew. W oczyszczaczu przepływowym wyloty przyjęć i odrzutów znajdują się na tym samym końcu oczyszczacza, z przyjęciami w pobliżu ściany oczyszczacza, oddzielonymi od odrzutów centralną rurą w pobliżu rdzenia oczyszczacza, jak pokazano na rysunku 7.

Wirówki ciągłe stosowane w latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku do usuwania piasku z masy celulozowej zaprzestano po opracowaniu hydrocyklonów. Gyroclean, opracowany w Centre Technique du Papier w Grenoble we Francji, składa się z cylindra obracającego się z prędkością 1200–1500 obr./min (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). Połączenie stosunkowo długiego czasu przebywania i dużej siły odśrodkowej pozwala zanieczyszczeniom o niskiej gęstości na wystarczającą ilość czasu na migrację do rdzenia odkurzacza, gdzie są one odrzucane przez centralny wypływ wirowy.

MT Thew, w: Encyklopedia nauki o separacji, 2000

Streszczenie

Choć ciało stałe – cieczhydrocyklonzostała ustalona przez większą część XX wieku, zadowalająca skuteczność separacji ciecz-ciecz została uzyskana dopiero w latach 80-tych. Morski przemysł naftowy potrzebował kompaktowego, solidnego i niezawodnego sprzętu do usuwania drobno rozdrobnionego oleju zanieczyszczającego z wody. Potrzebę tę zaspokajał znacznie odmienny typ hydrocyklonu, który oczywiście nie posiadał części ruchomych.

Po pełniejszym wyjaśnieniu tej potrzeby i porównaniu jej z separacją cyklonową ciało stałe-ciecz w przeróbce minerałów, podano zalety, jakie hydrocyklon zapewnił w stosunku do typów urządzeń zainstalowanych wcześniej w celu spełnienia tego zadania.

Kryteria oceny wydajności separacji są wymienione przed omówieniem wydajności pod względem składu surowca, kontroli operatora i wymaganej energii, tj. iloczynu spadku ciśnienia i natężenia przepływu.

Środowisko produkcji ropy naftowej nakłada pewne ograniczenia na materiały, w tym problem erozji cząstek. Wymieniono typowe użyte materiały. Zarysowano względne dane dotyczące kosztów typów instalacji do separacji oleju, zarówno kapitałowych, jak i okresowych, chociaż źródła są nieliczne. Na koniec opisano pewne wskazówki dotyczące dalszego rozwoju, ponieważ przemysł naftowy zwraca uwagę na sprzęt zainstalowany na dnie morskim lub nawet na dnie odwiertu.

Próbkowanie, kontrola i równoważenie masy

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., w: Wills' Mineral Processing Technology (wydanie ósme), 2016

3.7.1 Stosowanie rozmiaru cząstek

Wiele jednostek, jak nphydrocyklonyi separatory grawitacyjne zapewniają pewien stopień separacji wielkości, a dane dotyczące wielkości cząstek można wykorzystać do bilansowania masy (Przykład 3.15).

Przykład 3.15 jest przykładem minimalizacji nierównowagi węzłów; zapewnia na przykład wartość początkową dla uogólnionej minimalizacji metodą najmniejszych kwadratów. To podejście graficzne można zastosować zawsze, gdy występuje „nadmiar” danych komponentów; w przykładzie 3.9 można było go zastosować.

Przykład 3.15 wykorzystuje cyklon jako węzeł. Drugim węzłem jest studzienka ściekowa: jest to przykład 2 wejść (świeży surowiec i wyładunek z młyna kulowego) i jednego wyjścia (zasilanie cyklonu). Daje to kolejny bilans masowy (Przykład 3.16).

W Rozdziale 9 wracamy do tego przykładu obwodu szlifowania, wykorzystując dostosowane dane do określenia krzywej podziału cyklonu.

Czas publikacji: 7 maja 2019 r