Hydrocyklony

Opis

HydrocyklonyMają kształt stożkowato-cylindryczny, ze stycznym wlotem zasilającym do sekcji cylindrycznej i wylotem w każdej osi. Wylot w sekcji cylindrycznej nazywany jest wykrywaczem wirów i sięga do cyklonu, aby zmniejszyć przepływ zwarciowy bezpośrednio z wlotu. Na stożkowym końcu znajduje się drugi wylot, kran. W celu separacji wielkościowej oba wyloty są zazwyczaj otwarte do atmosfery. Hydrocyklony są zazwyczaj uruchamiane pionowo z kranem na dolnym końcu, stąd produkt gruboziarnisty nazywany jest dolnym, a produkt drobny, opuszczający wykrywacz wirów, przelewem. Rysunek 1 schematycznie przedstawia główne cechy przepływu i konstrukcji typowegohydrocyklon: dwa wiry, styczny wlot zasilający i osiowe wyloty. Z wyjątkiem bezpośredniego obszaru stycznego wlotu, ruch płynu wewnątrz cyklonu ma symetrię promieniową. Jeśli jeden lub oba wyloty są otwarte do atmosfery, strefa niskiego ciśnienia tworzy jądro gazowe wzdłuż osi pionowej, wewnątrz wewnętrznego wiru.

Zasada działania jest prosta: ciecz, niosąc zawieszone cząstki, wpływa do cyklonu stycznie, spiralnie opada i wytwarza pole odśrodkowe w swobodnym przepływie wirowym. Większe cząstki przemieszczają się przez ciecz na zewnątrz cyklonu ruchem spiralnym i wychodzą przez kran z ułamkiem cieczy. Ze względu na ograniczoną powierzchnię kranu, tworzy się wewnętrzny wir, obracający się w tym samym kierunku co wir zewnętrzny, ale płynący w górę, który opuszcza cyklon przez detektor wirów, niosąc ze sobą większość cieczy i drobniejsze cząstki. Jeśli przepustowość kranu zostanie przekroczona, rdzeń powietrzny zostaje zamknięty, a wypływ z kranu zmienia się z rozpylonej mgiełki w „linę” i następuje utrata grubego materiału do przelewu.

Średnica sekcji cylindrycznej jest głównym czynnikiem wpływającym na wielkość cząstek, które można oddzielić, chociaż średnice wylotów można zmieniać niezależnie, aby zmienić uzyskany stopień separacji. Podczas gdy wcześni pracownicy eksperymentowali z cyklonami o średnicy zaledwie 5 mm, obecnie komercyjne średnice hydrocyklonów wahają się od 10 mm do 2,5 m, przy czym rozmiary separacji dla cząstek o gęstości 2700 kg m−3 wynoszą 1,5–300 μm, malejąc wraz ze wzrostem gęstości cząstek. Spadek ciśnienia roboczego waha się od 10 barów dla małych średnic do 0,5 bara dla dużych jednostek. Aby zwiększyć wydajność, stosuje się wiele małychhydrocyklonymogą być podłączone do pojedynczego przewodu zasilającego.

Mimo że zasada działania jest prosta, wiele aspektów ich działania jest nadal słabo poznanych, a dobór hydrocyklonu i przewidywanie jego przydatności do zastosowań przemysłowych opierają się w dużej mierze na doświadczeniu.

Klasyfikacja

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

9.4.3 Hydrocyklony kontra sita

Hydrocyklony zdominowały klasyfikację w przypadku drobnych cząstek w zamkniętych obiegach mielenia (<200 µm). Jednak ostatnie osiągnięcia w technologii przesiewania (rozdział 8) ponownie wzbudziły zainteresowanie wykorzystaniem przesiewaczy w obiegach mielenia. Sita rozdzielają się na podstawie wielkości i nie są bezpośrednio zależne od rozkładu gęstości minerałów wsadowych. Może to być zaletą. Sita nie mają również frakcji obejścia, a jak pokazano w przykładzie 9.2, obejście może być dość duże (w takim przypadku ponad 30%). Rysunek 9.8 przedstawia przykład różnicy krzywych podziału dla cyklonów i przesiewaczy. Dane pochodzą z koncentratora El Brocal w Peru i obejmują oceny przeprowadzone przed i po wymianie hydrocyklonów na Derrick Stack Sizer® (patrz rozdział 8) w obiegu mielenia (Dündar i in., 2014). Zgodnie z oczekiwaniami, w porównaniu z cyklonem, przesiewacz charakteryzował się ostrzejszą separacją (wyższe nachylenie krzywej) i mniejszym obejściem. Zaobserwowano wzrost wydajności układu mielącego z powodu wyższej liczby pęknięć po wdrożeniu sita. Wynikało to z wyeliminowania obejścia, co zmniejszyło ilość drobnego materiału kierowanego z powrotem do młynów mielących, co ma tendencję do amortyzowania zderzeń między cząstkami.

Zmiana nie jest jednak jednokierunkowa: niedawnym przykładem jest przejście z sita na cyklon, aby wykorzystać dodatkową redukcję rozmiaru gęstszych minerałów płatniczych (Sasseville, 2015).

Proces i projektowanie metalurgiczne

Eoin H. Macdonald, w Handbook of Gold Exploration and Evaluation, 2007

Hydrocyklony

Hydrocyklony są preferowanymi urządzeniami do sortowania lub odmulania dużych objętości szlamu, zapewniając niskie koszty i zajmując bardzo mało miejsca na podłodze lub wysokości. Działają najefektywniej, gdy są podawane z równomiernym natężeniem przepływu i gęstością pulpy, i są używane pojedynczo lub w grupach, aby uzyskać pożądaną całkowitą wydajność przy wymaganych podziałach. Możliwości sortowania opierają się na siłach odśrodkowych generowanych przez wysokie prędkości styczne przepływu przez urządzenie. Wir główny utworzony przez napływający szlam porusza się spiralnie w dół wokół wewnętrznej ścianki stożka. Ciała stałe są wyrzucane na zewnątrz przez siłę odśrodkową, tak że wraz z ruchem pulpy w dół jej gęstość wzrasta. Pionowe składowe prędkości poruszają się w dół w pobliżu ścianek stożka i w górę w pobliżu osi. Mniej gęsta frakcja szlamu, oddzielona odśrodkowo, jest wypychana w górę przez wizjer wirowy i wydostaje się przez otwór w górnym końcu stożka. Strefa pośrednia lub obwiednia między dwoma przepływami ma zerową prędkość pionową i oddziela grubsze ciała stałe poruszające się w dół od drobniejszych ciał stałych poruszających się w górę. Większość strumienia przepływa w górę w mniejszym, wewnętrznym wirze, a większe siły odśrodkowe wyrzucają większe z drobniejszych cząstek na zewnątrz, zapewniając tym samym bardziej efektywną separację drobniejszych cząstek. Cząstki te powracają do zewnętrznego wiru i ponownie trafiają do podajnika jigowego.

Geometria i warunki pracy w typowej spiralnej strukturze przepływuhydrocyklonsą opisane na rys. 8.13. Zmiennymi operacyjnymi są gęstość pulpy, natężenie przepływu wsadu, charakterystyka ciał stałych, ciśnienie wlotowe wsadu i spadek ciśnienia w cyklonie. Zmiennymi cyklonu są powierzchnia wlotu wsadu, średnica i długość szukacza wirowego oraz średnica wylotu króćca. Wartość współczynnika oporu zależy również od kształtu; im bardziej cząstka odbiega od kulistości, tym mniejszy jest jej współczynnik kształtu i tym większy jest jej opór osadzania. Krytyczna strefa naprężeń może rozciągać się na niektóre cząstki złota o wielkości nawet 200 mm, dlatego staranne monitorowanie procesu klasyfikacji jest niezbędne do ograniczenia nadmiernego recyklingu i wynikającego z tego gromadzenia się szlamów. Historycznie, gdy niewiele uwagi poświęcano odzyskowi 150μm ziaren złota, przenoszenie złota we frakcjach szlamu wydaje się być w dużej mierze przyczyną strat złota, które w wielu operacjach wydobycia złota sięgały nawet 40–60%.

Rysunek 8.14 (Wykres doboru Warmana) przedstawia wstępny dobór cyklonów do separacji przy różnych wielkościach D50, od 9–18 mikronów do 33–76 mikronów. Ten wykres, podobnie jak inne wykresy wydajności cyklonów, opiera się na starannie kontrolowanym dopływie określonego typu. Przyjmuje się zawartość ciał stałych w wodzie na poziomie 2700 kg/m3 jako pierwszy punkt odniesienia przy doborze. Cyklony o większej średnicy są używane do separacji zgrubnej, ale wymagają dużych objętości dopływu dla prawidłowego działania. Separacje drobne przy dużych objętościach dopływu wymagają klastrów cyklonów o małej średnicy pracujących równolegle. Ostateczne parametry projektowe dla bliskiego doboru wielkości muszą zostać określone eksperymentalnie, a ważne jest, aby wybrać cyklon w okolicach środka zakresu, tak aby wszelkie drobne korekty, które mogą być wymagane, mogły zostać wprowadzone na początku pracy.

Cyklon CBC (złożem cyrkulacyjnym) ma za zadanie klasyfikować aluwialne złoża złota o średnicy do 5 mm i uzyskiwać stale wysoką ilość materiału z osadnika. Separacja odbywa się w temperaturze okołoD50/150 mikronów na bazie krzemionki o gęstości 2,65. Uważa się, że dolny strumień cyklonu CBC jest szczególnie podatny na separację osadową ze względu na stosunkowo gładką krzywą rozkładu wielkości cząstek i niemal całkowite usunięcie drobnych cząstek odpadów. Jednakże, chociaż system ten rzekomo wytwarza wysokiej jakości koncentrat pierwotny ekwantowych minerałów ciężkich w jednym przejściu z wsadu o stosunkowo dużym zakresie wielkości cząstek (np. piasków mineralnych), nie są dostępne takie dane dotyczące wydajności dla materiału wsadowego aluwialnego zawierającego drobne i płatkowe złoto. Tabela 8.5 przedstawia dane techniczne dla AKW.hydrocyklonydla punktów odcięcia pomiędzy 30 i 100 mikronów.

Tabela 8.5. Dane techniczne hydrocyklonów AKW

Typ (KRS)	Średnica (mm)	Spadek ciśnienia	Pojemność		Punkt przecięcia (mikrony)
Typ (KRS)	Średnica (mm)	Spadek ciśnienia	Gnojowica (m3/godz.)	Ciała stałe (t/h maks.).	Punkt przecięcia (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 rudy żelaza

A. Jankovic, w Rudzie żelaza, 2015

8.3.3.1 Separatory hydrocyklonowe

Hydrocyklon, zwany również cyklonem, to urządzenie klasyfikujące, które wykorzystuje siłę odśrodkową do przyspieszenia opadania cząstek szlamu i rozdzielania ich według wielkości, kształtu i ciężaru właściwego. Jest szeroko stosowany w przemyśle mineralnym, a jego głównym zastosowaniem w przetwórstwie minerałów jest klasyfikator, który okazał się niezwykle wydajny w przypadku separacji drobnych cząstek. Jest szeroko stosowany w procesach mielenia w obiegu zamkniętym, ale znalazł również wiele innych zastosowań, takich jak odmulanie, usuwanie piasku i zagęszczanie.

Typowy hydrocyklon (rysunek 8.12a) składa się ze stożkowatego zbiornika, otwartego w wierzchołku, czyli dolnego, połączonego z cylindryczną sekcją, która posiada styczny wlot zasilający. Górna część cylindrycznej sekcji jest zamknięta płytą, przez którą przechodzi osiowo zamontowana rura przelewowa. Rura jest przedłużona do korpusu cyklonu krótką, wyjmowalną sekcją, zwaną wykrywaczem wirów, która zapobiega zwarciu wsadu bezpośrednio do przelewu. Wsad jest wprowadzany pod ciśnieniem przez styczny wlot, co nadaje pulpie ruch wirowy. Powoduje to powstanie wiru w cyklonie ze strefą niskiego ciśnienia wzdłuż osi pionowej, jak pokazano na rysunku 8.12b. Wzdłuż osi rozwija się rdzeń powietrzny, zazwyczaj połączony z atmosferą przez otwór w wierzchołku, ale częściowo tworzony przez rozpuszczone powietrze wydobywające się z roztworu w strefie niskiego ciśnienia. Siła odśrodkowa przyspiesza opadanie cząstek, rozdzielając je według rozmiaru, kształtu i ciężaru właściwego. Szybciej opadające cząstki przemieszczają się do ściany cyklonu, gdzie prędkość jest najniższa, i migrują do otworu szczytowego (dolnego). Pod wpływem siły oporu, wolniej opadające cząstki przemieszczają się w kierunku strefy niskiego ciśnienia wzdłuż osi i są przenoszone w górę przez sondę wirową do górnego otworu przelewowego.

Hydrocyklony są niemal powszechnie stosowane w układach mielenia ze względu na swoją wysoką wydajność i względną sprawność. Mogą one również klasyfikować bardzo szeroki zakres wielkości cząstek (zwykle 5–500 μm), a jednostki o mniejszej średnicy służą do drobniejszej klasyfikacji. Jednak zastosowanie cyklonów w układach mielenia magnetytu może prowadzić do nieefektywnej pracy ze względu na różnicę gęstości między magnetytem a minerałami odpadowymi (krzemionką). Magnetyt ma gęstość właściwą około 5,15, podczas gdy krzemionka ma gęstość właściwą około 2,7.hydrocyklony, gęste minerały oddzielają się przy drobniejszym przekroju niż minerały lżejsze. W związku z tym uwolniony magnetyt jest zagęszczany w osadzie cyklonu, co prowadzi do jego nadmiernego rozdrobnienia. Napier-Munn i in. (2005) zauważyli, że zależność między skorygowanym rozmiarem przekroju (d50c) i gęstość cząstek podlegają wyrażeniu o następującej formie, w zależności od warunków przepływu i innych czynników:

d50c∝ρs−ρl−n

Gdzieρs jest gęstością ciał stałych,ρl to gęstość cieczy, anwynosi od 0,5 do 1,0. Oznacza to, że wpływ gęstości mineralnej na wydajność cyklonu może być dość znaczący. Na przykład, jeślid50c magnetytu wynosi 25 μm, więcd50c cząstek krzemionki będzie miało średnicę 40–65 μm. Rysunek 8.13 przedstawia krzywe wydajności klasyfikacji cyklonów dla magnetytu (Fe3O4) i krzemionki (SiO2) uzyskane na podstawie badania obwodu mielenia magnetytu w przemysłowym młynie kulowym. Separacja wielkościowa krzemionki jest znacznie grubsza, zd50c dla Fe3O4 o średnicy 29 μm, a dla SiO2 o średnicy 68 μm. Z tego powodu młyny magnetytowe w obiegach zamkniętych z hydrocyklonami są mniej wydajne i mają mniejszą wydajność w porównaniu z innymi obiegami mielenia rud metali nieszlachetnych.

Technologia procesów wysokociśnieniowych: podstawy i zastosowania

MJ Cocero, doktorat w Bibliotece Chemii Przemysłowej, 2001

Urządzenia do separacji ciał stałych

•

Hydrocyklon

To jeden z najprostszych typów separatorów ciał stałych. Jest to urządzenie separujące o wysokiej wydajności, które może być używane do efektywnego usuwania ciał stałych w wysokich temperaturach i ciśnieniach. Jest ekonomiczny, ponieważ nie posiada ruchomych części i wymaga minimalnej konserwacji.

Wydajność separacji ciał stałych jest silną funkcją wielkości cząstek i temperatury. W przypadku krzemionki i temperatur powyżej 300°C możliwe jest osiągnięcie całkowitej wydajności separacji na poziomie 80%, podczas gdy w tym samym zakresie temperatur całkowita wydajność separacji dla gęstszych cząstek cyrkonu przekracza 99% [29].

Główną wadą hydrocyklonu jest tendencja niektórych soli do przylegania do jego ścian.

•

Mikrofiltracja krzyżowa

Filtry krzyżowe zachowują się podobnie do filtracji krzyżowej w warunkach otoczenia: zwiększone szybkości ścinania i obniżona lepkość cieczy skutkują zwiększoną liczbą filtratu. Mikrofiltracja krzyżowa została zastosowana do separacji wytrąconych soli w postaci ciał stałych, zapewniając wydajność separacji cząstek zazwyczaj przekraczającą 99,9%. Goemansi wsp.[30] badali separację azotanu sodu z wody nadkrytycznej. W warunkach badania azotan sodu występował w postaci stopionej soli i był zdolny do przenikania przez filtr. Uzyskano wydajności separacji, które zmieniały się wraz z temperaturą, ponieważ rozpuszczalność spada wraz ze wzrostem temperatury, wahając się od 40% do 85%, odpowiednio dla 400°C i 470°C. Ci pracownicy wyjaśnili mechanizm separacji jako konsekwencję odrębnej przepuszczalności medium filtrującego w kierunku roztworu nadkrytycznego, w przeciwieństwie do stopionej soli, na podstawie ich wyraźnie odmiennych lepkości. Dlatego możliwe byłoby nie tylko filtrowanie wytrąconych soli jako samych ciał stałych, ale także filtrowanie soli o niskiej temperaturze topnienia, które są w stanie stopionym.

Problemy eksploatacyjne spowodowane były głównie korozją filtrów spowodowaną solami.

Papier: Recykling i materiały pochodzące z recyklingu

MR Doshi, JM Dyer, w module referencyjnym z zakresu nauki o materiałach i inżynierii materiałowej, 2016

3.3 Czyszczenie

Sprzątaczki lubhydrocyklonyUsuwanie zanieczyszczeń z pulpy w oparciu o różnicę gęstości między zanieczyszczeniem a wodą. Urządzenia te składają się ze stożkowego lub cylindryczno-stożkowego zbiornika ciśnieniowego, do którego pulpa jest podawana stycznie do końca o większej średnicy (rysunek 6). Podczas przepływu przez oczyszczacz pulpa rozwija wirowy wzór przepływu, podobny do tego w cyklonie. Przepływ obraca się wokół centralnej osi, oddalając się od wlotu i kierując się do wierzchołka lub otworu dolnego, wzdłuż wewnętrznej strony ścianki oczyszczacza. Prędkość obrotowa przepływu przyspiesza wraz ze zmniejszaniem się średnicy stożka. W pobliżu wierzchołka otwór o małej średnicy zapobiega wypływowi większości przepływu, który zamiast tego obraca się w wewnętrznym wirze w rdzeniu oczyszczacza. Przepływ w wewnętrznym rdzeniu odpływa od otworu wierzchołkowego, aż do wypływu przez wykrywacz wirów, znajdujący się na końcu o większej średnicy w środku oczyszczacza. Materiał o większej gęstości, który został skoncentrowany przy ściance odkurzacza na skutek działania siły odśrodkowej, jest wyładowywany na wierzchołku stożka (Bliss, 1994, 1997).

Urządzenia czyszczące klasyfikuje się jako o wysokiej, średniej lub niskiej gęstości, w zależności od gęstości i wielkości usuwanych zanieczyszczeń. Urządzenie czyszczące o wysokiej gęstości, o średnicy od 15 do 50 cm (6–20 cali), jest używane do usuwania drobnych zanieczyszczeń metalowych, spinaczy i zszywek i jest zazwyczaj umieszczane bezpośrednio za rozwłókniaczem. Wraz ze zmniejszaniem się średnicy urządzenia czyszczącego, wzrasta jego skuteczność w usuwaniu zanieczyszczeń o małych rozmiarach. Ze względów praktycznych i ekonomicznych, cyklon o średnicy 75 mm (3 cale) jest zazwyczaj najmniejszym urządzeniem czyszczącym stosowanym w przemyśle papierniczym.

Odwrócone i przepływowe oczyszczacze ssące są przeznaczone do usuwania zanieczyszczeń o niskiej gęstości, takich jak wosk, polistyren i zanieczyszczenia lepkie. Nazwa oczyszczaczy przepływowych wynika z faktu, że strumień akceptowanych zanieczyszczeń gromadzi się na szczycie oczyszczacza, a odrzuty wypływają przez przelew. W oczyszczaczu przepływowym akceptowane i odrzuty wychodzą z tego samego końca oczyszczacza, a akceptowane zanieczyszczenia przy ściance oczyszczacza są oddzielone od odrzutów centralną rurą w pobliżu rdzenia oczyszczacza, jak pokazano na rysunku 7.

Wirówki ciągłe używane w latach 20. i 30. XX wieku do usuwania piasku z pulpy zostały wycofane z użytku po opracowaniu hydrocyklonów. Wirówka Gyroclean, opracowana 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 migrację do rdzenia urządzenia czyszczącego, gdzie są one odrzucane przez centralny wir wyładowczy.

MT Thew, w Encyklopedii Nauk o Separacji, 2000

Streszczenie

Chociaż ciało stałe-cieczhydrocyklonChociaż technologia ta była stosowana przez większość XX wieku, zadowalająca wydajność separacji ciecz-ciecz pojawiła się dopiero w latach 80. XX wieku. Morski przemysł naftowy potrzebował kompaktowego, wytrzymałego i niezawodnego sprzętu do usuwania drobno rozdrobnionego oleju zanieczyszczającego wodę. Potrzebę tę zaspokoił zupełnie inny typ hydrocyklonu, który oczywiście nie posiadał ruchomych części.

Po dokładniejszym wyjaśnieniu tej potrzeby i porównaniu jej z separacją cyklonową fazy stałej i ciekłej w przetwórstwie minerałów, podano zalety, jakie zapewnia hydrocyklon w porównaniu z typami urządzeń instalowanymi wcześniej w celu spełnienia tego zadania.

Kryteria oceny wydajności separacji podano przed omówieniem wydajności pod kątem składu wsadu, 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 cząsteczkowej. Wymieniono typowe stosowane materiały. Przedstawiono dane dotyczące względnych kosztów dla różnych typów instalacji separacji ropy naftowej, zarówno kapitałowych, jak i cyklicznych, choć źródła są skąpe. Na koniec opisano kilka wskazówek dotyczących dalszego rozwoju, ponieważ przemysł naftowy korzysta z urządzeń instalowanych na dnie morskim, a nawet na dnie odwiertu.

Pobieranie próbek, kontrola i bilansowanie masy

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

3.7.1 Wykorzystanie wielkości cząstek

Wiele jednostek, takich jakhydrocyklonyi separatory grawitacyjne zapewniają pewien stopień rozdzielenia wielkości cząstek, a dane dotyczące wielkości cząstek można wykorzystać do bilansowania masy (przykład 3.15).

Przykład 3.15 jest przykładem minimalizacji nierównowagi węzłów; podaje on na przykład wartość początkową dla minimalizacji metodą uogólnionych najmniejszych kwadratów. To podejście graficzne można zastosować w przypadku „nadmiaru” danych składowych; w Przykładzie 3.9 można było je zastosować.

Przykład 3.15 wykorzystuje cyklon jako węzeł. Drugim węzłem jest studzienka: jest to przykład dwóch wejść (świeże zasilanie i wylot z młyna kulowego) i jednego wyjścia (zasilanie cyklonu). Daje to kolejny bilans masowy (przykład 3.16).

W rozdziale 9 powrócimy do przykładu układu mielącego, wykorzystując skorygowane dane w celu wyznaczenia krzywej podziału cyklonu.

Czas publikacji: 07-05-2019