Гидроциклоны

Описание

ГидроциклоныОни имеют коническо-цилиндрическую форму, с тангенциальным входным отверстием в цилиндрическую секцию и выходным отверстием на каждой оси. Выходное отверстие в цилиндрической секции называется вихревым фильтром и выходит внутрь циклона, чтобы уменьшить короткое замыкание потока непосредственно из входного отверстия. На коническом конце находится второе выходное отверстие, патрубок. Для разделения по размеру оба выходных отверстия, как правило, открыты в атмосферу. Гидроциклоны обычно работают вертикально, с патрубком в нижнем конце, поэтому крупнозернистый продукт называется нижним потоком, а мелкозернистый продукт, выходящий из вихревого фильтра, — верхним потоком. На рисунке 1 схематически показаны основные потоковые и конструктивные особенности типичного гидроциклона.гидроциклон: два вихря, тангенциальный входной патрубок и осевые выходные отверстия. За исключением непосредственной области тангенциального входного патрубка, движение жидкости внутри циклона обладает радиальной симметрией. Если одно или оба выходных отверстия 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 тангенциально, спирально опускается вниз и создает центробежное поле в свободном вихревом потоке. Более крупные частицы движутся сквозь жидкость к внешней стороне циклона по спирали и выходят через патрубок вместе с частью жидкости. Из-за ограниченной площади патрубка образуется внутренний вихрь, вращающийся в том же направлении, что и внешний вихрь, но направленный вверх, который выходит из циклона через вихревой фильтр, унося с собой большую часть жидкости и более мелкие частицы. Если пропускная способность патрубка превышена, воздушное ядро перекрывается, и выходное отверстие патрубка меняется с зонтикообразного распыления на «веревочный поток», при этом крупные частицы теряются через перелив.

Диаметр цилиндрической секции является основной переменной, влияющей на размер отделяемых частиц, хотя диаметры выходных отверстий можно изменять независимо друг от друга, чтобы регулировать достигаемую степень разделения. В то время как первые исследователи экспериментировали с циклонами диаметром всего 5 мм, диаметры коммерческих гидроциклонов в настоящее время варьируются от 10 мм до 2,5 м, при этом размеры отделяемых частиц с плотностью 2700 кг·м⁻³ составляют 1,5–300 мкм, уменьшаясь с увеличением плотности частиц. Перепад рабочего давления составляет от 10 бар для малых диаметров до 0,5 бар для больших установок. Для увеличения производительности используются несколько небольших циклонов.гидроциклоныможет быть подключен к одной подающей линии.

Несмотря на простоту принципа работы, многие аспекты их функционирования до сих пор плохо изучены, а выбор и прогнозирование использования гидроциклонов в промышленности в значительной степени основаны на эмпирических данных.

Классификация

Барри А. Уиллс, Джеймс А. Финч FRSC, FCIM, P.Eng., в книге «Технология переработки минералов Уиллса» (восьмое издание), 2016 г.

9.4.3 Гидроциклоны против сит

Гидроциклоны стали доминирующим методом классификации при работе с мелкими частицами в замкнутых измельчительных контурах (<200 мкм). Однако недавние разработки в технологии сит (Глава 8) возобновили интерес к использованию сит в измельчительных контурах. Ситы разделяют частицы по размеру и не подвержены прямому влиянию разброса плотности исходных минералов. Это может быть преимуществом. Кроме того, сита не имеют фракции обхода, и, как показано в Примере 9.2, обход может быть довольно значительным (в этом случае более 30%). На Рисунке 9.8 показан пример различия кривых разделения для циклонов и сит. Данные получены с обогатительной фабрики Эль-Брокаль в Перу, где были проведены оценки до и после замены гидроциклонов на сито Derrick Stack Sizer® (см. Главу 8) в измельчительном контуре (Dündar et al., 2014). В соответствии с ожиданиями, по сравнению с циклоном сито показало более резкое разделение (наклон кривой выше) и меньший обход. Было отмечено увеличение производительности измельчительного контура благодаря повышению степени измельчения после внедрения сита. Это объясняется устранением обходного пути, что уменьшает количество мелкого материала, возвращаемого в измельчительные мельницы, и способствует смягчению ударов между частицами.

Однако переход на другой метод не является односторонним: недавний пример — это переход от сита к циклону, чтобы воспользоваться преимуществами дополнительного уменьшения размера более плотных минеральных отложений (Сассевиль, 2015).

Металлургический процесс и проектирование

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

Гидроциклоны

Гидроциклоны являются предпочтительными установками для сортировки или обесшламливания больших объемов пульпы, поскольку они занимают очень мало места на полу и в высоту. Они работают наиболее эффективно при равномерной подаче пульпы и плотности и используются как по отдельности, так и группами для достижения желаемой общей производительности при требуемом разделении потоков. Возможности сортировки основаны на центробежных силах, создаваемых высокими тангенциальными скоростями потока через установку. Первичный вихрь, образующийся при поступлении пульпы, движется по спирали вниз вокруг внутренней стенки конуса. Твердые частицы выбрасываются наружу центробежной силой, так что по мере движения пульпы вниз ее плотность увеличивается. Вертикальные компоненты скорости действуют вниз вблизи стенок конуса и вверх вблизи оси. Менее плотная центробежно отделенная фракция шлама выталкивается вверх через вихревой фильтр и выходит через отверстие в верхней части 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 выталкивают более крупные из более мелких частиц наружу, обеспечивая тем самым более эффективное разделение на более мелкие фракции. Эти частицы возвращаются во внешний вихрь и снова поступают в загрузочное устройство отсадочной машины.

Геометрия и условия эксплуатации в рамках спиральной модели потока типичного устройства.гидроциклонОписаны на рис. 8.13. Эксплуатационные параметры включают плотность пульпы, скорость потока подаваемого сырья, характеристики твердых частиц, давление на входе сырья и перепад давления в циклоне. Параметры циклона включают площадь входного отверстия для сырья, диаметр и длину вихревого искателя, а также диаметр выходного патрубка. На значение коэффициента сопротивления также влияет форма; чем больше частица отклоняется от сферичности, тем меньше ее коэффициент формы и тем больше сопротивление осаждению. Критическая зона напряжения может распространяться на некоторые частицы золота размером до 200 мм, поэтому тщательный мониторинг процесса классификации необходим для снижения чрезмерной переработки и, как следствие, образования шламов. Исторически сложилось так, что извлечению 150% уделялось мало внимания.μПеренос золота в зернышках золота, по-видимому, в значительной степени был причиной потерь золота, которые, по данным многих золотодобывающих предприятий, достигали 40–60%.

Рисунок 8.14 (диаграмма выбора Вармана) представляет собой предварительный выбор циклонов для разделения частиц различного размера D50 от 9–18 микрон до 33–76 микрон. Эта диаграмма, как и другие подобные диаграммы производительности циклонов, основана на тщательно контролируемом объеме подаваемого материала определенного типа. В качестве первого ориентира для выбора предполагается содержание твердых частиц в воде 2700 кг/м³. Циклоны большего диаметра используются для грубого разделения, но требуют больших объемов подаваемого материала для правильной работы. Для тонкого разделения при больших объемах подаваемого материала требуются группы циклонов малого диаметра, работающих параллельно. Окончательные параметры проектирования для мелкого разделения должны быть определены экспериментально, и важно выбрать циклон примерно в середине диапазона, чтобы любые незначительные корректировки, которые могут потребоваться, можно было внести в начале работы.

Утверждается, что циклон с циркулирующим слоем (CBC) способен классифицировать аллювиальные золотоносные материалы диаметром до 5 мм и обеспечивать стабильно высокую производительность отсадочной машины из нижнего потока. Разделение происходит приблизительно при температуре...D50/150 микрон на основе кремнезема плотностью 2,65. Утверждается, что нижний поток циклона CBC особенно хорошо подходит для отсадочной сепарации благодаря относительно плавной кривой распределения частиц по размерам и почти полному удалению мелких отходов. Однако, хотя утверждается, что эта система позволяет получить высококачественный первичный концентрат равнозернистых тяжелых минералов за один проход из сырья с относительно большим диапазоном размеров частиц (например, минеральных песков), данные о производительности для аллювиального сырья, содержащего мелкое и чешуйчатое золото, отсутствуют. В таблице 8.5 приведены технические данные для AKW.гидроциклоныдля пороговых значений от 30 до 100 микрон.

Таблица 8.5. Технические данные гидроциклонов AKW.

Тип (KRS)	Диаметр (мм)	Падение давления	Емкость		Порог среза (микроны)
Тип (KRS)	Диаметр (мм)	Падение давления	Шламовая суспензия (м3/час)	Содержание твердых веществ (т/ч макс.).	Порог среза (микроны)
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

Развитие технологий измельчения и классификации железной руды.

А. Янкович, в книге «Железная руда», 2015 г.

8.3.3.1 Гидроциклонные сепараторы

Гидроциклон, также называемый циклоном, — это классификационное устройство, использующее центробежную силу для ускорения осаждения частиц суспензии и разделения частиц по размеру, форме и удельной плотности. Он широко используется в горнодобывающей промышленности, причем его основное применение в переработке минералов — в качестве классификатора, который доказал свою чрезвычайную эффективность при разделении частиц на мелкие фракции. Он широко используется в замкнутых циклах измельчения, но нашел множество других применений, таких как обесшламливание, удаление осадка и сгущение.

Типичный гидроциклон (рис. 8.12а) состоит из конического сосуда, открытого в верхней части, или нижней части, соединенного с цилиндрической секцией, имеющей тангенциальный вход для подачи сырья. Верхняя часть цилиндрической секции закрыта пластиной, через которую проходит осевая переливная труба. Труба удлиняется в корпус циклона коротким съемным участком, известным как вихревой искатель, который предотвращает прямое попадание сырья в переливное отверстие. Сырье подается под давлением через тангенциальный вход, что придает пульпе вихревое движение. Это создает вихрь в циклоне с зоной низкого давления вдоль вертикальной оси, как показано на рис. 8.12б. Вдоль оси образуется воздушное ядро, обычно соединенное с атмосферой через верхнее отверстие, но частично создаваемое растворенным воздухом, выходящим из раствора в зоне низкого давления. Центробежная сила ускоряет скорость осаждения частиц, тем самым разделяя их по размеру, форме и удельной плотности. Более быстро оседающие частицы перемещаются к стенке циклона, где скорость наименьшая, и мигрируют к верхнему отверстию (нижний поток). Под действием силы сопротивления медленно оседающие частицы движутся к зоне низкого давления вдоль оси и поднимаются вверх через вихревой фильтр к верхнему потоку.

Гидроциклоны практически повсеместно используются в измельчительных установках благодаря своей высокой производительности и относительной эффективности. Они также могут классифицировать частицы в очень широком диапазоне размеров (обычно 5–500 мкм), при этом для более тонкой классификации используются установки меньшего диаметра. Однако применение циклонов в измельчительных установках для магнетита может привести к неэффективной работе из-за разницы в плотности между магнетитом и отходами минералов (кремнеземом). Удельная плотность магнетита составляет около 5,15, а кремнезема — около 2,7.гидроциклоныПлотные минералы отделяются с меньшим размером частиц, чем более легкие минералы. Следовательно, высвобожденный магнетит концентрируется в нижнем потоке циклона, что приводит к его чрезмерному измельчению. Напьер-Манн и др. (2005) отметили, что соотношение между скорректированным размером частиц (d50c), а плотность частиц подчиняется выражению следующего вида в зависимости от условий потока и других факторов:

d50c∝ρs−ρl−n

гдеρs — плотность твердых частиц.ρl — плотность жидкости, иnнаходится в диапазоне от 0,5 до 1,0. Это означает, что влияние плотности минералов на производительность циклона может быть весьма значительным. Например, еслиd50c магнетита составляет 25 мкм, тогда...d50% частиц диоксида кремния будут иметь размер 40–65 мкм. На рисунке 8.13 показаны кривые эффективности циклонной классификации для магнетита (Fe3O4) и диоксида кремния (SiO2), полученные в ходе исследования промышленной шаровой мельницы для измельчения магнетита. Разделение по размерам для диоксида кремния значительно крупнее, сdДля Fe3O4 размер частиц составляет 29 мкм, тогда как для SiO2 — 68 мкм. Из-за этого явления мельницы для измельчения магнетита в замкнутых контурах с гидроциклонами менее эффективны и имеют меньшую производительность по сравнению с другими контурами измельчения цветных руд.

Технология обработки под высоким давлением: основы и применение.

М. Дж. Косеро, доктор философии, в «Библиотеке промышленной химии», 2001 г.

устройства для разделения твердых частиц

•

Гидроциклон

Это один из простейших типов сепараторов твердых частиц. Это высокоэффективное устройство для разделения, которое может использоваться для эффективного удаления твердых частиц при высоких температурах и давлениях. Оно экономично, поскольку не имеет движущихся частей и требует минимального технического обслуживания.

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

Главным недостатком работы гидроциклонов является склонность некоторых солей к прилипанию к стенкам циклона.

•

Поперечная 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. Микрофильтрация с поперечным потоком применялась для разделения осажденных солей в виде твердых частиц, обеспечивая эффективность разделения частиц, обычно превышающую 99,9%. Гоэманси др.[30] исследовали разделение нитрата натрия из сверхкритической воды. В условиях исследования нитрат натрия присутствовал в виде расплавленной соли и мог проходить через фильтр. Эффективность разделения варьировалась в зависимости от температуры, поскольку растворимость уменьшается с повышением температуры, составляя от 40% до 85% при 400 °C и 470 °C соответственно. Эти исследователи объяснили механизм разделения как следствие различной проницаемости фильтрующей среды для сверхкритического раствора, в отличие от расплавленной соли, на основе их явно различающихся вязкостей. Следовательно, можно было бы фильтровать не только осажденные соли в виде твердых веществ, но и соли с низкой температурой плавления, находящиеся в расплавленном состоянии.

Основные проблемы в работе были вызваны коррозией фильтров под воздействием солей.

Бумага: переработка и переработанные материалы

М.Р. Доши, Дж.М. Дайер, в справочном модуле по материаловедению и материаловедению, 2016 г.

3.3 Уборка

Уборщики илигидроциклоныУдаление загрязнений из целлюлозы основано на разнице плотности между загрязнением и водой. Эти устройства представляют собой конический или цилиндро-конический сосуд высокого давления, в который целлюлоза подается тангенциально с большого диаметра (рис. 6). Во время прохождения через очиститель целлюлоза образует вихревой поток, подобный потоку в циклоне. Поток вращается вокруг центральной оси, удаляясь от входного отверстия и направляясь к вершине, или нижнему отверстию, вдоль внутренней стенки очистителя. Скорость вращения потока увеличивается по мере уменьшения диаметра конуса. Вблизи вершины отверстие малого диаметра препятствует выходу большей части потока, который вместо этого вращается во внутреннем вихре в центре очистителя. Поток во внутреннем центре оттекает от отверстия вершины до тех пор, пока не выйдет через вихревой искатель, расположенный на большом диаметре в центре очистителя. Материал с более высокой плотностью, сконцентрированный на стенке очистителя под действием центробежной силы, выгружается на вершине конуса (Блисс, 1994, 1997).

Очистители классифицируются как высоко-, средне- и низкоплотные в зависимости от плотности и размера удаляемых загрязнений. Высокоплотный очиститель диаметром от 15 до 50 см (6–20 дюймов) используется для удаления посторонних металлических частиц, скрепок и скоб и обычно располагается непосредственно после измельчителя. По мере уменьшения диаметра очистителя его эффективность в удалении мелких загрязнений возрастает. По практическим и экономическим соображениям, циклонный очиститель диаметром 75 мм (3 дюйма) обычно является самым маленьким очистителем, используемым в бумажной промышленности.

Обратные и проточные очистители предназначены для удаления загрязнений низкой плотности, таких как воск, полистирол и липкие вещества. Обратные очистители получили свое название потому, что поток отработанной жидкости собирается в верхней части очистителя, а отработанная жидкость выходит через переливное отверстие. В проточном очистителе отработанная и отработанная жидкость выходят с одного конца очистителя, при этом отработанная жидкость, расположенная у стенки очистителя, отделена от отработанной жидкости центральной трубкой, расположенной рядом с сердцевиной очистителя, как показано на рисунке 7.

Центрифуги непрерывного действия, использовавшиеся в 1920-х и 1930-х годах для удаления песка из целлюлозы, были сняты с производства после разработки гидроциклонов. Гироциклон Gyroclean, разработанный в Техническом центре бумаги в Гренобле, Франция, состоит из цилиндра, вращающегося со скоростью 1200–1500 об/мин (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). Сочетание относительно длительного времени пребывания и высокой центробежной силы позволяет загрязняющим веществам низкой плотности достаточно времени для миграции в ядро очистителя, где они удаляются через центральный вихревой поток.

М.Т. Тью, в «Энциклопедии науки о разделении», 2000 г.

Краткое содержание

Хотя твердое тело-жидкостьгидроциклонХотя технология разделения жидкостей существовала на протяжении большей части XX века, удовлетворительные результаты по разделению жидкостей были достигнуты лишь в 1980-х годах. Морская нефтедобывающая промышленность нуждалась в компактном, прочном и надежном оборудовании для удаления мелкодисперсных примесей нефти из воды. Эта потребность была удовлетворена совершенно иным типом гидроциклона, который, разумеется, не имел движущихся частей.

После более подробного объяснения этой необходимости и сравнения ее с циклонным разделением твердых и жидких фаз в горнодобывающей промышленности, приводятся преимущества, которые гидроциклон предоставляет по сравнению с типами оборудования, устанавливавшимися ранее для решения этой задачи.

Критерии оценки эффективности разделения перечислены до обсуждения эффективности с точки зрения состава исходного сырья, управления оператором и требуемой энергии, то есть произведения перепада давления и расхода.

Условия добычи нефти накладывают определенные ограничения на используемые материалы, включая проблему эрозии твердыми частицами. Упоминаются типичные используемые материалы. Приведены данные об относительной стоимости различных типов нефтеперерабатывающих установок, как капитальных, так и текущих, хотя источники информации скудны. Наконец, описаны некоторые направления дальнейшего развития, поскольку нефтяная промышленность рассматривает оборудование, устанавливаемое на морском дне или даже на дне скважины.

Отбор проб, контроль и балансировка массы

3.7.1 Использование размера частиц

Многие подразделения, такие какгидроциклоныГравитационные сепараторы обеспечивают определенную степень разделения по размерам, а данные о размере частиц могут быть использованы для балансировки массы (Пример 3.15).

Пример 3.15 — это пример минимизации дисбаланса узлов; в нем, например, дается начальное значение для минимизации методом обобщенных наименьших квадратов. Этот графический подход можно использовать всякий раз, когда имеются «избыточные» данные компонентов; в примере 3.9 его можно было бы использовать.

В примере 3.15 в качестве узла используется циклон. Вторым узлом является отстойник: это пример с двумя входами (свежее сырье и разгрузка шаровой мельницы) и одним выходом (подача сырья в циклон). Это дает еще один баланс массы (пример 3.16).

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

Дата публикации: 07 мая 2019 г.