Hidrocicloni

Descriere

Hidrociclonisunt de formă cono-cilindric, cu o intrare tangenţială de alimentare în secţiunea cilindrică şi o ieşire la fiecare axă. Ieșirea de la secțiunea cilindrică se numește găsitor de vortex și se extinde în ciclon pentru a reduce fluxul de scurtcircuit direct de la intrare. La capătul conic se află a doua ieșire, roșca. Pentru separarea dimensiunilor, ambele ieșiri sunt în general deschise către atmosferă. Hidrocicloanele funcționează în general pe verticală, cu vârful la capătul inferior, de aceea produsul grosier se numește underflow și produsul fin, lăsând găsitorul de vortex, overflow. Figura 1 prezintă schematic fluxul principal și caracteristicile de proiectare ale unui tipichidrociclon: cele două vortexuri, intrarea tangenţială de alimentare şi ieşirile axiale. Cu excepția regiunii imediate a intrării tangențiale, mișcarea fluidului în cadrul ciclonului are simetrie radială. Dacă una sau ambele ieșiri sunt deschise în atmosferă, o zonă de joasă presiune provoacă un miez de gaz de-a lungul axei verticale, în interiorul vortexului interior.

Principiul de funcționare este simplu: fluidul, purtând particulele în suspensie, pătrunde tangențial în ciclon, se spiralează în jos și produce un câmp centrifug în flux liber vortex. Particulele mai mari se deplasează prin fluid către exteriorul ciclonului într-o mișcare în spirală și ies prin robinet cu o fracțiune de lichid. Datorită zonei de limitare a vârfului, se stabilește un vârtej interior, care se rotește în aceeași direcție cu vârtejul exterior, dar curge în sus, și părăsește ciclonul prin găsitorul de vortex, purtând cu el majoritatea lichidului și a particulelor mai fine. Dacă se depășește capacitatea robinetului, miezul de aer este închis și evacuarea robinetului se schimbă de la un spray în formă de umbrelă la o „frânghie” și o pierdere de material grosier la preaplin.

Diametrul secțiunii cilindrice este variabila majoră care afectează dimensiunea particulei care poate fi separată, deși diametrele de ieșire pot fi modificate independent pentru a modifica separarea realizată. În timp ce primii lucrători au experimentat cu cicloni de până la 5 mm diametru, diametrele hidrociclonilor comerciali variază în prezent între 10 mm și 2,5 m, cu dimensiuni de separare pentru particule cu densitatea 2700 kg m−3 de 1,5-300 μm, scăzând odată cu creșterea densității particulelor. Căderea de presiune de funcționare variază de la 10 bari pentru diametre mici până la 0,5 bari pentru unitățile mari. Pentru a crește capacitatea, mai multe micihidrocicloniipot fi colectate dintr-o singură linie de alimentare.

Deși principiul de funcționare este simplu, multe aspecte ale funcționării lor sunt încă puțin înțelese, iar selecția și predicția hidrociclonului pentru funcționarea industrială sunt în mare măsură empirice.

Clasificare

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., în Wills' Mineral Processing Technology (Ediția a opta), 2016

9.4.3 Hidrocicloni versus ecrane

Hidrociclonii au ajuns să domine clasificarea atunci când se ocupă de dimensiunile particulelor fine în circuite închise de măcinare (<200 µm). Cu toate acestea, evoluțiile recente în tehnologia ecranelor (Capitolul 8) au reînnoit interesul pentru utilizarea ecranelor în circuitele de șlefuire. Sitele se separă în funcție de dimensiune și nu sunt direct influențate de densitatea răspândită în mineralele furajere. Acesta poate fi un avantaj. Ecranele nu au, de asemenea, o fracție de bypass și, după cum a arătat Exemplul 9.2, bypass-ul poate fi destul de mare (peste 30% în acest caz). Figura 9.8 prezintă un exemplu de diferență în curba de partiție pentru cicloni și ecrane. Datele provin de la concentratorul El Brocal din Peru cu evaluări înainte și după înlocuirea hidrociclonilor cu un Derrick Stack Sizer® (vezi Capitolul 8) în circuitul de măcinare (Dündar et al., 2014). Conform așteptărilor, în comparație cu ciclonul, ecranul a avut o separare mai accentuată (panta curbei este mai mare) și puțin bypass. O creștere a capacității circuitului de măcinare a fost raportată datorită ratelor mai mari de rupere după implementarea site-ului. Acest lucru a fost atribuit eliminării bypass-ului, reducând cantitatea de material fin trimis înapoi la morile de măcinare, care tinde să atenueze impactul particule-particule.

Schimbarea nu este, totuși, un singur mod: un exemplu recent este trecerea de la ecran la ciclon, pentru a profita de reducerea suplimentară a dimensiunii mineralelor plătitoare mai dense (Sasseville, 2015).

Procesul și proiectarea metalurgică

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

Hidrocicloni

Hidrociclonii sunt unități preferate pentru dimensionarea sau deslimarea volumelor mari de nămol ieftin și pentru că ocupă foarte puțin spațiu pe podea sau spațiu la cap. Acestea funcționează cel mai eficient atunci când sunt alimentate la un debit uniform și o densitate a pulpei și sunt utilizate individual sau în grupuri pentru a obține capacitățile totale dorite la diviziunile necesare. Capacitățile de dimensionare se bazează pe forțele centrifuge generate de viteze tangențiale mari de curgere prin unitate. Vortexul primar format de nămolul care intră acționează în spirală în jos în jurul peretelui interior al conului. Solidele sunt aruncate în exterior prin forța centrifugă, astfel încât, pe măsură ce pulpa se mișcă în jos, densitatea acesteia crește. Componentele verticale ale vitezei acționează în jos în apropierea pereților conurilor și în sus, în apropierea axei. Fracția de slime mai puțin densă separată centrifug este forțată în sus prin găsitorul de vortex pentru a trece prin deschiderea de la capătul superior al conului. O zonă sau înveliș intermediar dintre cele două fluxuri are o viteză verticală zero și separă solidele mai grosiere care se mișcă în jos de solidele mai fine care se mișcă în sus. Cea mai mare parte a fluxului trece în sus în interiorul vortexului interior mai mic, iar forțele centrifuge mai mari aruncă particulele mai mari spre exterior, oferind astfel o separare mai eficientă în dimensiunile mai fine. Aceste particule revin în vortexul exterior și raportează încă o dată la alimentarea jigului.

Geometria și condițiile de funcționare în cadrul modelului de curgere în spirală a unui tipichidrociclonsunt descrise în Fig. 8.13. Variabilele operaționale sunt densitatea celulozei, debitul de alimentare, caracteristicile solidelor, presiunea de intrare în alimentare și căderea de presiune prin ciclon. Variabilele ciclonului sunt aria admisiei de alimentare, diametrul și lungimea dispozitivului de găsire a vârtejului și diametrul de descărcare a capului. Valoarea coeficientului de rezistență este afectată și de formă; cu cât o particulă diferă mai mult de sfericitate, cu atât factorul ei de formă este mai mic și rezistența ei de decantare este mai mare. Zona critică de stres se poate extinde la unele particule de aur cu dimensiuni de până la 200 mm, iar monitorizarea atentă a procesului de clasificare este, prin urmare, esențială pentru a reduce reciclarea excesivă și acumularea rezultată de slims. Din punct de vedere istoric, când s-a acordat puțină atenție recuperării de 150μm boabe de aur, transferul de aur în fracțiile de slime pare să fi fost în mare parte responsabil pentru pierderile de aur care au fost înregistrate a fi de până la 40-60% în multe operațiuni de plasare de aur.

Figura 8.14 (Diagrama de selecție Warman) este o selecție preliminară de cicloni pentru separarea la diferite dimensiuni D50 de la 9–18 microni până la 33–76 microni. Această diagramă, ca și în cazul altor astfel de diagrame ale performanței ciclonului, se bazează pe o alimentare atent controlată de un anumit tip. Presupune un conținut de solide de 2.700 kg/m3 în apă ca prim ghid de selecție. Cicloanele cu diametru mai mare sunt utilizate pentru a produce separări grosiere, dar necesită volume mari de alimentare pentru o funcționare adecvată. Separările fine la volume mari de alimentare necesită grupuri de cicloni cu diametru mic care funcționează în paralel. Parametrii finali de proiectare pentru dimensionarea apropiată trebuie determinați experimental și este important să selectați un ciclon în jurul mijlocului intervalului, astfel încât orice ajustări minore care pot fi necesare să poată fi făcute la începutul operațiunilor.

Se pretinde că ciclonul CBC (pat circulant) clasifică materialele de alimentare cu aur aluvionar cu diametrul de până la 5 mm și obține o alimentare constantă ridicată a jigului din fluxul inferior. Separarea are loc la aproximativD50/150 microni pe baza de silice cu densitatea 2,65. Debitul inferior al ciclonului CBC se pretinde a fi deosebit de susceptibil de separare prin jig din cauza curbei sale de distribuție a dimensiunilor relativ netede și a eliminării aproape completă a particulelor fine de deșeuri. Cu toate acestea, deși se pretinde că acest sistem produce un concentrat primar de înaltă calitate de minerale equant grele într-o singură trecere dintr-un aliment cu dimensiuni relativ lungi (de exemplu, nisipuri minerale), nu sunt disponibile astfel de cifre de performanță pentru materialul de alimentare aluvionar care conține aur fin și fulgii. . Tabelul 8.5 oferă datele tehnice pentru AKWhidrocicloniipentru punctele de tăiere între 30 și 100 de microni.

Tabelul 8.5. Date tehnice pentru hidrocicloanele AKW

Tip (KRS)	Diametru (mm)	Căderea de presiune	Capacitate		Punct de tăiere (microni)
Tip (KRS)	Diametru (mm)	Căderea de presiune	Suspensie (m3/h)	Solide (t/h max).	Punct de tăiere (microni)
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

Evoluții în tehnologiile de mărunțire și clasificare a minereului de fier

A. Jankovic, în Iron Ore, 2015

8.3.3.1 Separatoare de hidrocicloni

Hidrociclonul, denumit și ciclon, este un dispozitiv de clasificare care utilizează forța centrifugă pentru a accelera viteza de decantare a particulelor de suspensie și a separa particulele în funcție de dimensiune, formă și greutate specifică. Este utilizat pe scară largă în industria mineralelor, utilizarea sa principală în prelucrarea mineralelor fiind ca clasificator, care sa dovedit extrem de eficient la dimensiuni fine de separare. Este utilizat pe scară largă în operațiunile de șlefuire în circuit închis, dar a găsit multe alte utilizări, cum ar fi dezlimarea, desgrasarea și îngroșarea.

Un hidrociclon obișnuit (Figura 8.12a) constă dintr-un vas de formă conică, deschis la vârf sau sub debit, îmbinat cu o secțiune cilindrică, care are un orificiu de alimentare tangențial. Partea superioară a secțiunii cilindrice este închisă cu o placă prin care trece o țeavă de preaplin montată axial. Conducta este extinsă în corpul ciclonului printr-o secțiune scurtă, detașabilă, cunoscută sub numele de găsitor de vortex, care previne scurtcircuitarea alimentării direct în preaplin. Furajul este introdus sub presiune prin intrarea tangenţială, care conferă o mişcare turbionară pulpei. Acest lucru generează un vortex în ciclon, cu o zonă de joasă presiune de-a lungul axei verticale, așa cum se arată în Figura 8.12b. De-a lungul axei se dezvoltă un miez de aer, conectat în mod normal la atmosferă prin deschiderea apexului, dar parțial creat de aerul dizolvat care iese din soluție în zona de joasă presiune. Forța centrifugă accelerează viteza de decantare a particulelor, separând astfel particulele în funcție de dimensiune, formă și greutate specifică. Particulele cu decantare mai rapidă se deplasează către peretele ciclonului, unde viteza este cea mai scăzută, și migrează către deschiderea apexului (debit inferior). Datorită acțiunii forței de antrenare, particulele cu sedimentare mai lentă se deplasează spre zona de presiune scăzută de-a lungul axei și sunt transportate în sus prin găsitorul de vortex până la preaplin.

Hidrociclonii sunt utilizați aproape universal în circuitele de măcinare datorită capacității lor ridicate și eficienței relative. De asemenea, ele pot clasifica într-o gamă foarte largă de dimensiuni ale particulelor (de obicei 5-500 μm), unități cu diametru mai mic fiind folosite pentru o clasificare mai fină. Cu toate acestea, aplicarea ciclonului în circuitele de măcinare a magnetitului poate provoca o funcționare ineficientă din cauza diferenței de densitate dintre magnetit și mineralele reziduale (silice). Magnetitul are o densitate specifică de aproximativ 5,15, în timp ce silicea are o densitate specifică de aproximativ 2,7. Înhidrociclonii, mineralele dense se separă la o dimensiune de tăiere mai fină decât mineralele mai ușoare. Prin urmare, magnetita eliberată este concentrată în fluxul inferior al ciclonului, cu o supra-măcinare a magnetitei. Napier-Munn şi colab. (2005) au observat că relația dintre dimensiunea tăieturii corectate (d50c), iar densitatea particulelor urmează o expresie a următoarei forme, în funcție de condițiile de curgere și de alți factori:

d50c∝ρs−ρl−n

undeρs este densitatea solidelor,ρl este densitatea lichidului șineste între 0,5 și 1,0. Aceasta înseamnă că efectul densității minerale asupra performanței ciclonului poate fi destul de semnificativ. De exemplu, dacăd50c de magnetit este de 25 μm, apoid50c de particule de silice vor fi de 40–65 μm. Figura 8.13 prezintă curbele de eficiență de clasificare a ciclonilor pentru magnetită (Fe3O4) și silice (SiO2) obținute în urma studiului unui circuit de măcinare a magnetitei de moara cu bile industriale. Separarea mărimii pentru silice este mult mai grosieră, cu ad50c pentru Fe3O4 de 29 μm, în timp ce cel pentru SiO2 este de 68 μm. Datorita acestui fenomen, morile de macinare de magnetita in circuite inchise cu hidrocicloni sunt mai putin eficiente si au o capacitate mai mica in comparatie cu alte circuite de macinare a metalelor de baza.

Tehnologia proceselor de înaltă presiune: elemente fundamentale și aplicații

Dr. MJ Cocero, în Biblioteca de chimie industrială, 2001

Dispozitive de separare a solidelor

•

Hidrociclon

Acesta este unul dintre cele mai simple tipuri de separatoare de solide. Este un dispozitiv de separare de înaltă eficiență și poate fi folosit pentru a îndepărta eficient solidele la temperaturi și presiuni ridicate. Este economic deoarece nu are piese mobile și necesită puțină întreținere.

Eficiența separării solidelor este o funcție puternică a dimensiunii particulelor și a temperaturii. Eficiențe brute de separare de aproape 80% sunt realizabile pentru silice și temperaturi peste 300°C, în timp ce în același interval de temperatură, eficiența brută de separare pentru particulele de zircon mai dense este mai mare de 99% [29].

Principalul handicap al funcționării hidrociclonului este tendința unor săruri de a adera la pereții ciclonului.

•

Microfiltrare încrucișată

Filtrele cu flux încrucișat se comportă într-un mod similar cu cel observat în mod normal în filtrarea cu flux încrucișat în condiții ambientale: viteze de forfecare crescute și vâscozitate redusă a fluidului au ca rezultat un număr crescut de filtrat. Microfiltrarea încrucișată a fost aplicată la separarea sărurilor precipitate sub formă de solide, dând eficiențe de separare a particulelor depășind de obicei 99,9%. Goemanset al.[30] a studiat separarea azotatului de sodiu din apa supercritică. În condițiile studiului, azotatul de sodiu a fost prezent ca sare topită și a fost capabil să traverseze filtrul. S-au obținut eficiențe de separare care au variat cu temperatura, deoarece solubilitatea scade pe măsură ce temperatura crește, variind între 40% și 85%, pentru 400 °C și, respectiv, 470 °C. Acești lucrători au explicat mecanismul de separare ca o consecință a unei permeabilități distincte a mediului de filtrare față de soluția supercritică, spre deosebire de sarea topită, pe baza vâscozităților lor clar distincte. Prin urmare, ar fi posibil nu numai să se filtreze sărurile precipitate doar ca solide, ci și să se filtreze acele săruri cu punct de topire scăzut care sunt în stare topită.

Problemele de funcționare s-au datorat în principal coroziunii filtrului de către săruri.

Hartie: Reciclare si materiale reciclate

MR Doshi, JM Dyer, în modulul de referință în știința materialelor și ingineria materialelor, 2016

3.3 Curățare

Curățători sauhidrocicloniiîndepărtați contaminanții din pulpă pe baza diferenței de densitate dintre contaminant și apă. Aceste dispozitive constau dintr-un vas sub presiune conic sau cilindric-conic în care pulpa este alimentată tangenţial la capătul cu diametru mare (Figura 6). În timpul trecerii prin agent de curățare, pulpa dezvoltă un model de curgere vortex, similar cu cel al unui ciclon. Fluxul se rotește în jurul axei centrale pe măsură ce trece dinspre orificiu de admisie și spre vârf, sau deschiderea de sub curgere, de-a lungul interiorului peretelui de curățare. Viteza de rotație a curgerii se accelerează pe măsură ce diametrul conului scade. Aproape de capătul vârfului, deschiderea cu diametru mic împiedică descărcarea majorității fluxului care, în schimb, se rotește într-un vârtej interior la miezul curățătorului. Fluxul de la miezul interior se îndepărtează de deschiderea apexului până când se descarcă prin dispozitivul de găsire a vortexului, situat la capătul cu diametru mare în centrul dispozitivului de curățare. Materialul cu densitate mai mare, fiind concentrat la peretele curățătorului datorită forței centrifuge, este descărcat la vârful conului (Bliss, 1994, 1997).

Detergenții sunt clasificați ca densitate mare, medie sau scăzută, în funcție de densitatea și dimensiunea contaminanților care sunt îndepărtați. Un agent de curățare de înaltă densitate, cu diametrul cuprins între 15 și 50 cm (6-20 inchi) este utilizat pentru a îndepărta metalul de scăpare, agrafele de hârtie și capsele și este de obicei poziționat imediat după pulper. Pe măsură ce diametrul de curățare scade, crește eficiența acestuia în îndepărtarea contaminanților de dimensiuni mici. Din motive practice și economice, ciclonul cu diametrul de 75 mm (3 inchi) este, în general, cel mai mic agent de curățare utilizat în industria hârtiei.

Agenții de curățare inversă și de curățare sunt concepute pentru a îndepărta contaminanții cu densitate scăzută, cum ar fi ceara, polistirenul și lipiciurile. Aparatele de curățare inversă sunt denumite astfel deoarece fluxul de accept este colectat la vârful mai curat, în timp ce rebuturile ies la depășire. În dispozitivul de curățare, acceptă și respinge ieșirea la același capăt al dispozitivului de curățare, cu acceptele în apropierea peretelui dispozitivului de curățare separate de refuzurile printr-un tub central lângă miezul dispozitivului de curățare, așa cum se arată în Figura 7.

Centrifugele continue utilizate în anii 1920 și 1930 pentru a îndepărta nisipul din celuloză au fost întrerupte după dezvoltarea hidrociclonilor. Gyroclean, dezvoltat la Centre Technique du Papier, Grenoble, Franța, constă dintr-un cilindru care se rotește la 1200–1500 rpm (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). Combinația dintre timpul de rezidență relativ lung și forța centrifugă mare permite contaminanților cu densitate scăzută suficient timp pentru a migra în miezul dispozitivului de curățare, unde sunt respinși prin descărcarea vortexului central.

MT Thew, în Encyclopedia of Separation Science, 2000

Rezumat

Deși solid-lichidhidrociclona fost stabilit pentru cea mai mare parte a secolului al XX-lea, performanța satisfăcătoare de separare lichid-lichid nu a ajuns până în anii 1980. Industria petrolieră offshore avea nevoie de echipamente compacte, robuste și fiabile pentru îndepărtarea uleiului contaminant fin divizat din apă. Această nevoie a fost satisfăcută de un tip semnificativ diferit de hidrociclon, care, desigur, nu avea părți mobile.

După ce am explicat mai pe deplin această nevoie și am comparat-o cu separarea ciclonică solid-lichid în prelucrarea mineralelor, sunt prezentate avantajele pe care le-a conferit hidrociclonul față de tipurile de echipamente instalate mai devreme pentru a îndeplini obligația.

Criteriile de evaluare a performanței de separare sunt enumerate înainte de a discuta performanța în ceea ce privește constituția furajului, controlul operatorului și energia necesară, adică produsul căderii de presiune și debitului.

Mediul pentru producția de petrol impune anumite constrângeri pentru materiale și aceasta include problema eroziunii particulelor. Sunt menționate materialele tipice utilizate. Sunt prezentate date privind costurile relative pentru tipurile de instalații de separare a petrolului, atât de capital, cât și recurente, deși sursele sunt rare. În cele din urmă, sunt descrise câteva indicii către dezvoltarea ulterioară, deoarece industria petrolieră caută echipamente instalate pe fundul mării sau chiar pe fundul sondei.

Eșantionarea, controlul și echilibrarea masei

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., în Wills' Mineral Processing Technology (Ediția a opta), 2016

3.7.1 Utilizarea dimensiunii particulelor

Multe unități, cum ar fihidrocicloniiși separatoarele gravitaționale, produc un grad de separare a dimensiunilor, iar datele privind dimensiunea particulelor pot fi utilizate pentru echilibrarea masei (Exemplul 3.15).

Exemplul 3.15 este un exemplu de minimizare a dezechilibrului nodului; oferă, de exemplu, valoarea inițială pentru minimizarea generalizată a celor mai mici pătrate. Această abordare grafică poate fi utilizată ori de câte ori există „exces” de date componente; în Exemplul 3.9 ar fi putut fi folosit.

Exemplul 3.15 folosește ciclonul ca nod. Un al doilea nod este rezervorul: acesta este un exemplu de 2 intrări (alimentare proaspătă și descărcare moara cu bile) și o ieșire (alimentare ciclon). Acest lucru dă un alt bilanț de masă (Exemplul 3.16).

În capitolul 9 revenim la acest exemplu de circuit de măcinare folosind date ajustate pentru a determina curba de partiție a ciclonului.

Ora postării: mai-07-2019