Гидроциклоны

Описание

Гидроциклоныимеют коноцилиндрическую форму с тангенциальным входом в цилиндрическую секцию и выходом на каждой оси. Выход на цилиндрической секции называется вихревым искателем и простирается в циклон, чтобы уменьшить поток короткого замыкания непосредственно от входа. На коническом конце находится второй выход, штуцер. Для разделения по размеру оба выхода обычно открыты в атмосферу. Гидроциклоны обычно работают вертикально с штуцером на нижнем конце, поэтому грубый продукт называется нижним продуктом, а мелкий продукт, покидающий вихревой искатель, верхним продуктом. На рисунке 1 схематически показаны основные потоки и конструктивные особенности типичногогидроциклон: два вихря, тангенциальный вход 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 вызывает газовое ядро вдоль вертикальной оси внутри внутреннего вихря.

Принцип работы прост: жидкость, несущая взвешенные частицы, поступает в циклон по касательной, спиралевидно опускается вниз и создает центробежное поле в свободном вихревом потоке. Более крупные частицы движутся через жидкость к внешней стороне циклона в спиральном движении и выходят через патрубок с частью жидкости. Из-за ограниченной площади патрубка устанавливается 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 мелких частиц. Если пропускная способность патрубка превышена, воздушное ядро закрывается, и выпуск патрубка меняется с зонтичной струи на «веревку» и потерю грубого материала в перелив.

Диаметр цилиндрической секции является основной переменной, влияющей на размер частиц, которые могут быть отделены, хотя диаметры выходных отверстий можно изменять независимо, чтобы изменять достигнутое разделение. В то время как ранние исследователи экспериментировали с циклонами диаметром всего 5 мм, диаметры коммерческих гидроциклонов в настоящее время варьируются от 10 мм до 2,5 м, с разделяющими размерами для частиц плотностью 2700 кг м−3 от 1,5 до 300 мкм, уменьшаясь с увеличением плотности частиц. Рабочее падение давления составляет от 10 бар для малых диаметров до 0,5 бар для больших установок. Для увеличения производительности несколько малыхгидроциклоныможет быть подключен к одной линии подачи.

Несмотря на простоту принципа действия, многие аспекты их работы до сих пор плохо изучены, а выбор и прогнозирование гидроциклонов для промышленной эксплуатации в значительной степени носят эмпирический характер.

Классификация

Барри А. Уиллс, Джеймс А. Финч FRSC, FCIM, P.Eng., в книге Wills' Mineral Processing Technology (восьмое издание), 2016 г.

9.4.3 Гидроциклоны против сит

Гидроциклоны стали доминировать в классификации при работе с мелкими размерами частиц в замкнутых циклах измельчения (<200 мкм). Однако недавние разработки в технологии просеивания (глава 8) возобновили интерес к использованию просеивателей в циклах измельчения. Сита разделяют на основе размера и не зависят напрямую от разброса плотности в исходных минералах. Это может быть преимуществом. Сита также не имеют обходной фракции, и, как показал пример 9.2, обход может быть довольно большим (более 30% в этом случае). На рисунке 9.8 показан пример разницы в кривой разделения для циклонов и сит. Данные взяты с концентратора El Brocal в Перу с оценками до и после замены гидроциклонов на Derrick Stack Sizer® (см. главу 8) в цикле измельчения (Dündar et al., 2014). В соответствии с ожиданиями, по сравнению с циклоном, сито имело более резкое разделение (наклон кривой выше) и небольшой обход. Увеличение производительности схемы измельчения было отмечено из-за более высоких показателей поломки после внедрения экрана. Это было обусловлено устранением обхода, что уменьшило количество тонкозернистого материала, отправляемого обратно в мельницы, что, как правило, смягчает удары частиц друг о друга.

Однако переход не является односторонним: недавним примером является переход с грохота на циклон, позволяющий воспользоваться преимуществом дополнительного уменьшения размера более плотных полезных ископаемых (Sasseville, 2015).

Металлургический процесс и проектирование

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

Гидроциклоны

Гидроциклоны являются предпочтительными агрегатами для дешевой сортировки или обесшламливания больших объемов пульпы, поскольку они занимают очень мало места на полу или в верхней части. Они работают наиболее эффективно при подаче с равномерной скоростью потока и плотностью пульпы и используются по отдельности или в кластерах для получения желаемой общей производительности при требуемых разделениях. Возможности сортировки основаны на центробежных силах, создаваемых высокими тангенциальными скоростями потока через агрегат. Первичный вихрь, образованный входящим пульпой, действует спирально вниз вокруг внутренней стенки конуса. Твердые частицы выбрасываются наружу центробежной силой, так что по мере того, как пульпа движется вниз, ее плотность увеличивается. Вертикальные составляющие скорости действуют вниз около стенок конуса и вверх около оси. Менее плотная центробежно отделенная фракция шлама принудительно поднимается вверх через вихревой искатель, чтобы выйти 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, тем самым обеспечивая более эффективное разделение в более мелких размерах. Эти частицы возвращаются во внешний вихрь и снова поступают в отсадочную машину.

Геометрия и условия эксплуатации в спиральной схеме потока типичногогидроциклонописаны на рис. 8.13. Эксплуатационные переменные - плотность пульпы, скорость потока питания, характеристики твердых веществ, давление на входе питания и перепад давления в циклоне. Переменные циклона - площадь входного отверстия питания, диаметр и длина вихревого искателя, а также диаметр выпускного отверстия. Значение коэффициента сопротивления также зависит от формы; чем больше частица отличается от сферичности, тем меньше ее коэффициент формы и тем больше ее сопротивление осаждению. Зона критического напряжения может распространяться на некоторые золотые частицы размером до 200 мм, и поэтому тщательный мониторинг процесса классификации имеет важное значение для снижения чрезмерной переработки и последующего накопления шламов. Исторически, когда мало внимания уделялось извлечению 150μм золотых зерен, перенос золота во фракциях шлама, по-видимому, в значительной степени обусловил потери золота, которые, как было зафиксировано, достигли 40–60% во многих операциях по добыче россыпного золота.

Рисунок 8.14 (Таблица выбора Уормана) представляет собой предварительный выбор циклонов для разделения при различных размерах 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. Она предполагает содержание твердых частиц в воде 2700 кг/м3 в качестве первого руководства по выбору. Циклоны большего диаметра используются для грубого разделения, но требуют больших объемов подачи для надлежащего функционирования. Тонкое разделение при больших объемах подачи требует кластеров циклонов малого диаметра, работающих параллельно. Окончательные параметры конструкции для близкого размера должны быть определены экспериментально, и важно выбрать циклон около середины диапазона, чтобы любые незначительные корректировки, которые могут потребоваться, можно было сделать в начале работы.

Циклон CBC (циркулирующий слой) утверждает, что классифицирует россыпные золотые исходные материалы диаметром до 5 мм и обеспечивает стабильно высокое содержание отсадочной смеси из нижнего продукта. Разделение происходит примерно приD50/150 микрон на основе кремнезема плотностью 2,65. Нижний продукт циклона CBC, как утверждается, особенно поддается разделению на отсадочной машине из-за его относительно плавной кривой распределения размеров и почти полного удаления мелких частиц отходов. Однако, хотя эта система, как утверждается, производит высококачественный первичный концентрат изометричных тяжелых минералов за один проход из относительно длинного диапазона размеров исходного сырья (например, минеральных песков), такие показатели производительности недоступны для исходного материала россыпи, содержащего мелкое и чешуйчатое золото. В таблице 8.5 приведены технические данные для AKWгидроциклоныдля точек отсечки от 30 до 100 микрон.

Таблица 8.5 Технические данные гидроциклонов AKW

Тип (КРС)	Диаметр (мм)	Перепад давления	Емкость		Точка отсечения (микроны)
Тип (КРС)	Диаметр (мм)	Перепад давления	Шлам (м3/час)	Твердые частицы (макс. т/ч).	Точка отсечения (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

Разработки в области технологий измельчения и классификации железной руды

А. Янкович, в Iron Ore, 2015

8.3.3.1 Гидроциклонные сепараторы

Гидроциклон, также называемый циклоном, представляет собой классифицирующее устройство, которое использует центробежную силу для ускорения скорости осаждения частиц шлама и разделения частиц в соответствии с размером, формой и удельным весом. Он широко используется в горнодобывающей промышленности, причем его основное применение в переработке полезных ископаемых заключается в качестве классификатора, который оказался чрезвычайно эффективным при тонком разделении размеров. Он широко используется в операциях измельчения в замкнутом цикле, но нашел много других применений, таких как обесшламливание, депесчанирование и сгущение.

Типичный гидроциклон (рисунок 8.12а) состоит из конического сосуда, открытого на вершине, или нижнего потока, соединенного с цилиндрической секцией, которая имеет тангенциальный вход для подачи. Верхняя часть цилиндрической секции закрыта пластиной, через которую проходит аксиально установленная переливная труба. Труба продлена в корпус циклона короткой съемной секцией, известной как вихревой искатель, который предотвращает короткое замыкание подачи непосредственно в перелив. Подача вводится 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 8.12б. Воздушное ядро развивается вдоль оси, обычно соединенной с атмосферой через отверстие вершины, но частично созданной 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 движутся к стенке циклона, где скорость самая низкая, и мигрируют к отверстию вершины (нижний поток). Из-за действия силы сопротивления более медленно оседающие частицы движутся к зоне низкого давления вдоль оси и переносятся вверх через вихревой искатель к верхнему потоку.

Гидроциклоны почти повсеместно используются в схемах измельчения из-за их высокой производительности и относительной эффективности. Они также могут классифицировать в очень широком диапазоне размеров частиц (обычно 5–500 мкм), причем для более тонкой классификации используются устройства меньшего диаметра. Однако применение циклонов в схемах измельчения магнетита может привести к неэффективной работе из-за разницы в плотности между магнетитом и отходами (кремнеземом). Удельная плотность магнетита составляет около 5,15, тогда как удельная плотность кремнезема составляет около 2,7. Вгидроциклоны, плотные минералы отделяются при более мелком размере среза, чем более легкие минералы. Поэтому освобожденный магнетит концентрируется в нижнем продукте циклона, с последующим переизмельчением магнетита. Напье-Манн и др. (2005) отметили, что соотношение между скорректированным размером среза (d50c) и плотность частиц подчиняется выражению следующего вида в зависимости от условий потока 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, еслиd50с магнетита составляет 25 мкм, тогдаd50c частиц кремнезема будет 40–65 мкм. На рисунке 8.13 показаны кривые эффективности классификации циклона для магнетита (Fe3O4) и кремнезема (SiO2), полученные в результате обследования промышленной шаровой мельницы для измельчения магнетита. Разделение по размеру для кремнезема гораздо грубее, сd50c для Fe3O4 29 мкм, а для SiO2 68 мкм. Из-за этого явления мельницы для измельчения магнетита в замкнутых циклах с гидроциклонами менее эффективны и имеют меньшую производительность по сравнению с другими циклами измельчения руд основных металлов.

Технология обработки под высоким давлением: основы и применение

MJ Cocero PhD, в библиотеке промышленной химии, 2001

Устройства для разделения твердых частиц

•

Гидроциклон

Это один из самых простых типов сепараторов твердых частиц. Это высокоэффективное разделительное устройство, которое может использоваться 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 является сильной функцией размера частиц и температуры. Валовая эффективность разделения около 80% достижима для кремнезема и температур выше 300°C, в то время как в том же диапазоне температур валовая эффективность разделения для более плотных частиц циркона превышает 99% [29].

Основным недостатком работы гидроциклона является тенденция 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: повышенные скорости сдвига и пониженная вязкость жидкости приводят к увеличению числа фильтрата. Перекрестная микрофильтрация применялась для разделения осажденных солей в виде твердых веществ, давая эффективность разделения частиц, обычно превышающую 99,9%. Goemansи др.[30] изучали отделение нитрата натрия от сверхкритической воды. В условиях исследования нитрат натрия присутствовал в виде расплавленной соли и был способен пересекать фильтр. Были получены эффективности разделения, которые менялись в зависимости от температуры, поскольку растворимость уменьшалась с ростом температуры, в диапазоне от 40% до 85% для 400 °C и 470 °C соответственно. Эти исследователи объяснили механизм разделения как следствие отчетливой проницаемости фильтрующей среды по отношению к сверхкритическому раствору, в отличие от расплавленной соли, на основе их четко выраженных вязкостей. Следовательно, можно было бы не только фильтровать осажденные соли просто как твердые вещества, но и фильтровать те соли с низкой температурой плавления, которые находятся в расплавленном состоянии.

Проблемы в работе были вызваны в основном коррозией фильтров солями.

Бумага: переработка и переработанные материалы

MR Doshi, JM Dyer, в справочном модуле по материаловедению и материаловедению, 2016 г.

3.3 Очистка

Чистящие средства илигидроциклоныудаляют загрязняющие вещества из пульпы на основе разницы в плотности загрязняющего вещества и воды. Эти устройства состоят из конического или цилиндрически-конического сосуда под давлением, в который пульпа подается по касательной на конце большого диаметра (рисунок 6). Во время прохождения через очиститель пульпа образует вихревой поток, похожий на поток циклона. Поток вращается вокруг центральной оси, когда он проходит от впускного отверстия и к вершине или отверстию для нижнего потока вдоль внутренней стороны стенки очистителя. Скорость вращательного потока увеличивается по мере уменьшения диаметра конуса. Вблизи конца вершины отверстие малого диаметра предотвращает выброс большей части потока, который вместо этого вращается во внутреннем вихре в ядре очистителя. Поток во внутреннем ядре течет от отверстия вершины, пока не выйдет через вихревой искатель, расположенный на конце большого диаметра в центре очистителя. Материал с более высокой плотностью, сконцентрированный у стенки очистителя под действием центробежной силы, выгружается через вершину конуса (Блисс, 1994, 1997).

Очистители классифицируются как высокоплотные, среднеплотные или низкоплотные в зависимости от плотности и размера удаляемых загрязнений. Высокоплотный очиститель диаметром от 15 до 50 см (6–20 дюймов) используется для удаления металлических примесей, скрепок и скоб и обычно располагается сразу после измельчителя. По мере уменьшения диаметра очистителя его эффективность в удалении мелких загрязнений увеличивается. По практическим и экономическим причинам циклон диаметром 75 мм (3 дюйма) обычно является самым маленьким очистителем, используемым в бумажной промышленности.

Обратные очистители и очистители с проточным потоком предназначены для удаления загрязнений низкой плотности, таких как воск, полистирол и липкие вещества. Обратные очистители так называются, потому что поток приемки собирается на вершине очистителя, а отбраковка выходит через перелив. В очистителе с проточным потоком приемка и отбраковка выходят с одного и того же конца очистителя, при этом приемка около стенки очистителя отделена от отбраковки центральной трубкой около сердцевины очистителя, как показано на рисунке 7.

Непрерывные центрифуги, 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, вращающегося со скоростью 1200–1500 об/мин (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). Сочетание относительно длительного времени пребывания и высокой центробежной силы дает загрязняющим веществам низкой плотности достаточно времени для перемещения в ядро очистителя, где они выбрасываются через центральный вихревой выпуск.

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

Синопсис

Хотя твердое тело – жидкостьгидроциклонбыла установлена в течение большей части 20-го века, удовлетворительные характеристики разделения жидкости и жидкости не были достигнуты до 1980-х годов. Морская нефтяная промышленность нуждалась в компактном, прочном и надежном оборудовании для удаления мелкодисперсной загрязняющей нефти из воды. Эта потребность была удовлетворена существенно другим типом гидроциклона, который, конечно, не имел движущихся частей.

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

Критерии оценки эффективности разделения перечислены до обсуждения производительности с точки зрения состава сырья, управления оператором и требуемой энергии, т. е. произведения перепада давления и расхода.

Окружающая среда для добычи нефти устанавливает некоторые ограничения для материалов, и это включает проблему эрозии частиц. Упоминаются типичные используемые материалы. Приводятся относительные данные о стоимости для типов установок по разделению нефти, как капитальных, так и текущих, хотя источники скудны. Наконец, описываются некоторые указатели на дальнейшее развитие, поскольку нефтяная промышленность рассматривает оборудование, устанавливаемое на морском дне или даже на дне ствола скважины.

Отбор проб, контроль и балансировка масс

Барри А. Уиллс, Джеймс А. Финч FRSC, FCIM, P.Eng., в книге Wills' Mineral Processing Technology (восьмое издание), 2016 г.

3.7.1 Использование размера частиц

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

Пример 3.15 — пример минимизации дисбаланса узлов; он предоставляет, например, начальное значение для минимизации обобщенных наименьших квадратов. Этот графический подход может использоваться всякий раз, когда есть «избыточные» данные компонентов; в примере 3.9 он мог бы быть использован.

Пример 3.15 использует циклон в качестве узла. Второй узел — это отстойник: это пример 2 входов (свежее питание и выгрузка шаровой мельницы) и одного выхода (питание циклона). Это дает другой 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: 07-05-2019