Гидроциклоны

Описание

Гидроциклоныимеют коноцилиндрическую форму с тангенциальным входом питания в цилиндрическую часть и выходом на каждой оси. Выходное отверстие в цилиндрической секции называется вихревым искателем и проходит в циклон, чтобы уменьшить поток короткого замыкания непосредственно из входного отверстия. На коническом конце находится второй выпуск — патрубок. Для разделения по размерам оба выхода обычно открыты в атмосферу. Гидроциклоны обычно работают вертикально с патрубком на нижнем конце, поэтому грубый продукт называется нижним потоком, а тонкий продукт, выходящий из вихревого искателя, - переливом. На рис. 1 схематически показаны основные характеристики потока и конструкции типичногогидроциклон: два вихря, тангенциальный вход подачи и осевые выходы. За исключением непосредственной области тангенциального входа, движение жидкости внутри циклона имеет радиальную симметрию. Если один или оба выхода открыты в атмосферу, зона низкого давления создает газовое ядро вдоль вертикальной оси внутри внутреннего вихря.

Принцип работы прост: жидкость, несущая взвешенные частицы, поступает в циклон по касательной, закручивается по спирали вниз и создает центробежное поле в свободном вихревом потоке. Более крупные частицы движутся через жидкость за пределы циклона по спирали и выходят через патрубок вместе с частью жидкости. Из-за ограниченной площади патрубка создается внутренний вихрь, вращающийся в том же направлении, что и внешний вихрь, но текущий вверх, и покидает циклон через вихревой искатель, унося с собой большую часть жидкости и более мелкие частицы. Если пропускная способность патрубка превышена, воздушный сердечник перекрывается, и выпуск патрубка меняется с зонтичной струи на «веревку», а потеря крупного материала переходит в перелив.

Диаметр цилиндрической секции является основной переменной, влияющей на размер частиц, которые можно отделить, хотя диаметры выпускных отверстий можно изменять независимо, чтобы изменить достигнутое разделение. В то время как первые исследователи экспериментировали с циклонами диаметром всего 5 мм, диаметр коммерческих гидроциклонов в настоящее время колеблется от 10 мм до 2,5 м, при этом размеры разделения частиц плотностью 2700 кг м-3 составляют 1,5–300 мкм, уменьшаясь с увеличением плотности частиц. Падение рабочего давления варьируется от 10 бар для малых диаметров до 0,5 бар для больших агрегатов. Чтобы увеличить емкость, несколько небольшихгидроциклонымогут быть объединены в одну линию подачи.

Хотя принцип работы прост, многие аспекты их работы до сих пор плохо изучены, а выбор и прогнозирование гидроциклонов для промышленной эксплуатации в значительной степени являются эмпирическими.

Классификация

Барри А. Уиллс, Джеймс А. Финч FRSC, FCIM, P.Eng., в «Технологии переработки полезных ископаемых Уиллса» (восьмое издание), 2016 г.

9.4.3 Гидроциклоны и грохоты

Гидроциклоны стали доминировать в классификации при работе с мелкими частицами в закрытых циклах измельчения (<200 мкм). Однако недавние разработки в области ситовой технологии (глава 8) возобновили интерес к использованию сит в схемах измельчения. Сита разделяются по размеру и не зависят напрямую от распределения плотности загружаемых минералов. Это может быть преимуществом. Экраны также не имеют доли обхода, и, как показал пример 9.2, обход может быть довольно большим (в данном случае более 30%). На рис. 9.8 показан пример разницы в кривых распределения циклонов и экранов. Данные взяты из обогатительной фабрики Эль-Брокаль в Перу с оценками до и после замены гидроциклонов на Derrick Stack Sizer® (см. главу 8) в контуре измельчения (Dündar et al., 2014). Как и ожидалось, по сравнению с циклоном экран имел более резкое разделение (наклон кривой выше) и небольшой обход. Сообщалось об увеличении производительности контура измельчения из-за более высокой степени поломки после установки грохота. Это было связано с устранением байпаса, что позволило уменьшить количество мелкодисперсного материала, отправляемого обратно в мельницы, что имеет тенденцию смягчать удары между частицами.

Однако переход не является односторонним: недавним примером является переход от грохота к циклону, чтобы воспользоваться дополнительным уменьшением размера более плотных полезных ископаемых (Sasseville, 2015).

Металлургический процесс и проектирование

Эоин Х. Макдональд, в Справочнике по разведке и оценке золота, 2007 г.

Гидроциклоны

Гидроциклоны являются предпочтительными устройствами для калибровки или обесшламливания больших объемов шлама, поскольку они занимают очень мало площади или свободного пространства. Они работают наиболее эффективно при подаче с равномерным расходом и плотностью пульпы и используются индивидуально или в группах для достижения желаемой общей производительности при требуемых разделениях. Возможности определения размеров зависят от центробежных сил, создаваемых высокими тангенциальными скоростями потока через устройство. Первичный вихрь, образованный поступающей суспензией, действует по спирали вниз вокруг внутренней стенки конуса. Твердые частицы выбрасываются наружу под действием центробежной силы, поэтому по мере движения пульпы вниз ее плотность увеличивается. Вертикальные составляющие скорости действуют вниз у стенок конуса и вверх у оси. Менее плотная фракция шлама, отделенная центрифугой, вытесняется вверх через вихревой фильтр и выходит через отверстие в верхнем конце конуса. Промежуточная зона или оболочка между двумя потоками имеет нулевую вертикальную скорость и отделяет более крупные твердые частицы, движущиеся вниз, от более мелких твердых частиц, движущихся вверх. Основная часть потока проходит вверх внутри меньшего внутреннего вихря, а более высокие центробежные силы выбрасывают более крупные из более мелких частиц наружу, обеспечивая тем самым более эффективное разделение более мелких частиц. Эти частицы возвращаются во внешний вихрь и снова поступают на устройство подачи приспособления.

Геометрия и условия эксплуатации в рамках спиральной схемы течения типичногогидроциклонописаны на рис. 8.13. Рабочими переменными являются плотность пульпы, скорость потока сырья, характеристики твердых частиц, давление на входе сырья и перепад давления в циклоне. Переменными циклона являются площадь входного отверстия, диаметр и длина завихрителя, а также диаметр выпускного патрубка. На значение коэффициента лобового сопротивления также влияет форма; чем больше частица отличается от сферичности, тем меньше ее коэффициент формы и тем больше ее сопротивление осаждению. Зона критического напряжения может распространяться на некоторые частицы золота размером до 200 мм, поэтому тщательный мониторинг процесса классификации необходим для уменьшения чрезмерной переработки и, как следствие, накопления шламов. Исторически, когда мало внимания уделялось восстановлению 150μм золотых зерен, перенос золота во фракциях шлама, по-видимому, в значительной степени ответственен за потери золота, которые, как было зарегистрировано, достигали 40–60% во многих золотороссыпных операциях.

На рисунке 8.14 (таблица выбора Warman) представлен предварительный выбор циклонов для сепарации с различными размерами D50 от 9–18 микрон до 33–76 микрон. Эта диаграмма, как и другие подобные диаграммы производительности циклонов, основана на тщательно контролируемой подаче определенного типа. В качестве первого ориентира при выборе предполагается содержание твердых частиц в воде 2700 кг/м3. Циклоны большего диаметра используются для грубого разделения, но для правильной работы требуются большие объемы подачи. Для тонкого разделения при больших объемах сырья требуются группы циклонов малого диаметра, работающих параллельно. Окончательные параметры конструкции для точного размера должны быть определены экспериментально, и важно выбрать циклон примерно в середине диапазона, чтобы любые незначительные корректировки, которые могут потребоваться, можно было внести в начале эксплуатации.

Утверждается, что циклон CBC (циркуляционный слой) классифицирует аллювиальные золотоносные материалы диаметром до 5 мм и обеспечивает стабильно высокую подачу отсадочного станка из нижнего потока. Разделение происходит примерно черезD50/150 микрон на основе кремнезема плотностью 2,65. Утверждается, что нижний поток циклона CBC особенно удобен для отделения отстойников из-за его относительно плавной кривой распределения по размерам и почти полного удаления мелких частиц отходов. Однако, хотя заявлено, что эта система производит высококачественный первичный концентрат из большого количества тяжелых минералов за один проход из сырья относительно большого диапазона размеров (например, минеральных песков), такие показатели производительности недоступны для аллювиального сырья, содержащего мелкое и чешуйчатое золото. . В Таблице 8.5 приведены технические данные AKW.гидроциклоныдля точек отсечки от 30 до 100 микрон.

Таблица 8.5. Технические данные гидроциклонов AKW

Тип (КРС)	Диаметр (мм)	Падение давления	Емкость		Точка разреза (микрон)
Тип (КРС)	Диаметр (мм)	Падение давления	Навоз (м3/час)	Твердые вещества (т/ч макс.).	Точка разреза (микрон)
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

Разработки в области технологий измельчения и классификации железной руды

А. Янкович, в «Железной руде», 2015 г.

8.3.3.1 Гидроциклонные сепараторы

Гидроциклон, также называемый циклоном, представляет собой классифицирующее устройство, которое использует центробежную силу для ускорения скорости осаждения частиц суспензии и отдельных частиц в зависимости от размера, формы и удельного веса. Он широко используется в горнодобывающей промышленности, причем в основном при переработке полезных ископаемых он используется в качестве классификатора, который оказался чрезвычайно эффективным при разделении мелких фракций. Он широко используется в операциях измельчения в замкнутом цикле, но нашел и множество других применений, таких как обесшламление, удаление песка и сгущение.

Типичный гидроциклон (рис. 8.12а) состоит из резервуара конической формы, открытого на вершине или нижней части, соединенного с цилиндрической секцией, имеющей тангенциальное входное отверстие. Верх цилиндрической секции закрыт пластиной, через которую проходит аксиально установленная переливная труба. Труба проходит в корпус циклона с помощью короткой съемной секции, известной как вихревой искатель, которая предотвращает короткое замыкание подачи непосредственно в перелив. Сырье подается под давлением через тангенциальный вход, который придает пульпе вихревое движение. Это создает вихрь в циклоне с зоной низкого давления вдоль вертикальной оси, как показано на рисунке 8.12b. Вдоль оси развивается воздушное ядро, обычно связанное с атмосферой через верхнее отверстие, но частично созданное растворенным воздухом, выходящим из раствора в зоне низкого давления. Центробежная сила ускоряет скорость осаждения частиц, тем самым разделяя частицы по размеру, форме и удельному весу. Более быстро оседающие частицы перемещаются к стенке циклона, где скорость наименьшая, и мигрируют к верхушечному отверстию (нижнему потоку). За счет действия силы сопротивления более медленно оседающие частицы движутся в сторону зоны пониженного давления вдоль оси и уносятся через вихревой искатель вверх к переливу.

Гидроциклоны практически повсеместно используются в схемах измельчения из-за их высокой производительности и относительной эффективности. Они также могут классифицировать частицы в очень широком диапазоне размеров (обычно 5–500 мкм), причем для более точной классификации используются единицы меньшего диаметра. Однако применение циклонов в контурах измельчения магнетита может привести к неэффективной работе из-за разницы плотностей между магнетитом и отходами минералов (кремнезема). Магнетит имеет удельную плотность около 5,15, а кремнезем — около 2,7. ВгидроциклоныПлотные минералы отделяются при более мелкой огранке, чем более легкие минералы. Таким образом, выделившийся магнетит концентрируется в нижней части циклона с последующим переизмельчением магнетита. Нэпьер-Манн и др. (2005) отметили, что взаимосвязь между скорректированным размером отруба (d50в), а плотность частиц следует выражению следующего вида в зависимости от условий течения и других факторов:

d50c∝ρs−ρl−n

гдеρs – плотность твердого вещества,ρl - плотность жидкости, аnнаходится между 0,5 и 1,0. Это означает, что влияние плотности минералов на производительность циклона может быть весьма значительным. Например, еслиd50c магнетита составляет 25 мкм, тоd50c частицы кремнезема будут иметь размер 40–65 мкм. На рисунке 8.13 показаны кривые эффективности циклонной классификации магнетита (Fe3O4) и кремнезема (SiO2), полученные в результате обследования контура измельчения магнетита в промышленной шаровой мельнице. Разделение по размерам кремнезема гораздо более грубое, сd50в для Fe3O4 составляет 29 мкм, а для SiO2 – 68 мкм. Из-за этого явления мельницы для измельчения магнетита в закрытых схемах с гидроциклонами менее эффективны и имеют меньшую производительность по сравнению с другими схемами измельчения недрагоценных металлов.

Технология процессов высокого давления: основы и применение

MJ Cocero, доктор философии, Библиотека промышленной химии, 2001 г.

Устройства для разделения твердых частиц

•

Гидроциклон

Это один из простейших типов сепараторов твердых частиц. Это высокоэффективное сепараторное устройство, которое можно использовать для эффективного удаления твердых частиц при высоких температурах и давлениях. Он экономичен, поскольку не имеет движущихся частей и требует минимального обслуживания.

Эффективность разделения твердых веществ сильно зависит от размера частиц и температуры. Общая эффективность разделения около 80% достижима для кремнезема и температур выше 300°C, тогда как в том же температурном диапазоне общая эффективность разделения для более плотных частиц циркона превышает 99% [29].

Основным недостатком работы гидроциклона является склонность некоторых солей прилипать к стенкам циклона.

•

Перекрестная микрофильтрация

Фильтры с поперечным потоком ведут себя аналогично тому, что обычно наблюдается при фильтрации с поперечным потоком в условиях окружающей среды: увеличение скорости сдвига и снижение вязкости жидкости приводят к увеличению количества фильтрата. Перекрестная микрофильтрация применялась для отделения осажденных солей в виде твердых веществ, что давало эффективность разделения частиц, обычно превышающую 99,9%. Гоеманси др.[30] изучали выделение нитрата натрия из сверхкритической воды. В условиях исследования нитрат натрия находился в виде расплавленной соли и был способен проникать через фильтр. Была получена эффективность разделения, которая изменялась в зависимости от температуры, поскольку растворимость снижается с повышением температуры и составляет от 40% до 85% для 400 °C и 470 °C соответственно. Эти исследователи объяснили механизм разделения следствием выраженной проницаемости фильтрующей среды по отношению к сверхкритическому раствору, в отличие от расплавленной соли, исходя из их явно различной вязкости. Следовательно, можно было бы фильтровать не только выпавшие в осадок соли только в твердом виде, но и те легкоплавкие соли, которые находятся в расплавленном состоянии.

Проблемы в эксплуатации были в основном связаны с коррозией фильтра солями.

Бумага: переработка и переработанные материалы

М. Р. Доши, Дж. М. Дайер, справочный модуль по материаловедению и материаловедению, 2016 г.

3.3 Очистка

Чистящие средства илигидроциклоныудаление загрязнений из целлюлозы за счет разницы плотностей между загрязнением и водой. Эти устройства состоят из конического или цилиндро-конического резервуара под давлением, в который пульпа подается тангенциально со стороны большого диаметра (рис. 6). При прохождении через очиститель пульпа образует вихревой поток, подобный циклонному. Поток вращается вокруг центральной оси, проходя от впускного отверстия к вершине или нижнему отверстию вдоль внутренней части стенки очистителя. Скорость вращения потока увеличивается по мере уменьшения диаметра конуса. Около вершинного конца отверстие небольшого диаметра предотвращает выпуск большей части потока, который вместо этого вращается во внутреннем вихре в центре очистителя. Поток во внутреннем сердечнике течет из верхушечного отверстия до тех пор, пока не выйдет через вихревой искатель, расположенный на конце большого диаметра в центре очистителя. Материал с более высокой плотностью, сконцентрированный у стенок очистителя под действием центробежной силы, выбрасывается в вершину конуса (Bliss, 1994, 1997).

Очистители подразделяются на высокую, среднюю и низкую плотность в зависимости от плотности и размера удаляемых загрязнений. Очиститель высокой плотности диаметром от 15 до 50 см (6–20 дюймов) используется для удаления металлических примесей, скрепок и скоб и обычно располагается сразу после разрывателя. По мере уменьшения диаметра очистителя увеличивается его эффективность в удалении мелких загрязнений. По практическим и экономическим причинам циклон диаметром 75 мм (3 дюйма) обычно является самым маленьким очистителем, используемым в бумажной промышленности.

Очистители реверсивного и проточного типа предназначены для удаления загрязнений низкой плотности, таких как воск, полистирол и липкие вещества. Обратные очистители названы так потому, что поток приема собирается на вершине очистителя, а отходы выходят через перелив. В проточном очистителе приемный и отбраковочный выходы находятся на одном и том же конце очистителя, при этом приемные устройства находятся рядом со стенкой очистителя и отделены от отходов центральной трубкой рядом с сердцевиной очистителя, как показано на рисунке 7.

Центрифуги непрерывного действия, использовавшиеся в 1920-х и 1930-х годах для удаления песка из пульпы, были сняты с производства после разработки гидроциклонов. Gyroclean, разработанный в Centre Technique du Papier, Гренобль, Франция, состоит из цилиндра, который вращается со скоростью 1200–1500 об/мин (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). Сочетание относительно длительного времени пребывания и высокой центробежной силы позволяет загрязнениям низкой плотности достаточно времени мигрировать в сердцевину очистителя, где они выбрасываются через центральный вихревой выпуск.

М. Тью, в Энциклопедии науки о разделении, 2000 г.

Краткое содержание

Хотя твердое тело-жидкостьгидроциклонбыло установлено на протяжении большей части 20-го века, удовлетворительные характеристики разделения жидкость-жидкость были достигнуты только в 1980-х годах. Морская нефтяная промышленность нуждалась в компактном, прочном и надежном оборудовании для удаления мелкодисперсной примеси нефти из воды. Эту потребность удовлетворял существенно иной тип гидроциклона, который, естественно, не имел движущихся частей.

После более полного объяснения этой необходимости и сравнения ее с циклонным разделением твердой и жидкой фаз при переработке полезных ископаемых приводятся преимущества, которые гидроциклон давал по сравнению с типами оборудования, установленными ранее для выполнения этой задачи.

Критерии оценки эффективности сепарации перечислены до обсуждения характеристик с точки зрения состава сырья, управления оператором и требуемой энергии, т.е. произведения падения давления и расхода.

Условия добычи нефти налагают некоторые ограничения на материалы, включая проблему эрозии твердых частиц. Упоминаются типичные используемые материалы. Приведены данные об относительных затратах для типов установок разделения нефти, как капитальных, так и периодических, хотя источники скудны. Наконец, описаны некоторые направления дальнейшего развития, поскольку нефтяная промышленность ориентируется на оборудование, установленное на морском дне или даже на забое скважины.

Отбор проб, контроль и массовая балансировка

3.7.1 Использование размера частиц

Многие агрегаты, такие какгидроциклоныи гравитационные сепараторы обеспечивают определенную степень разделения по размерам, а данные о размере частиц можно использовать для балансировки массы (пример 3.15).

Пример 3.15 представляет собой пример минимизации дисбаланса узла; он обеспечивает, например, начальное значение для минимизации обобщенного метода наименьших квадратов. Этот графический подход можно использовать всякий раз, когда имеются «лишние» данные о компонентах; в примере 3.9 его можно было использовать.

В примере 3.15 в качестве узла используется циклон. Второй узел — это отстойник: это пример двух входов (свежее сырье и выпуск шаровой мельницы) и одного выхода (питание циклона). Это дает еще один баланс масс (Пример 3.16).

В главе 9 мы вернемся к этому примеру схемы измельчения, используя скорректированные данные для определения кривой разделения циклона.

Время публикации: 07 мая 2019 г.