Hydrocyklóny

Popis

Hydrocyklónymajú kužeľovitý valcový tvar s tangenciálnym vstupom do valcovej časti a výstupom na každej osi. Výstup na valcovej časti sa nazýva vírový vyhľadávač a zasahuje do cyklónu, aby sa znížil skratový tok priamo zo vstupu. Na kužeľovom konci je druhý výstup, hrdlo. Pre separáciu veľkostí sú oba výstupy zvyčajne otvorené do atmosféry. Hydrocyklóny sa zvyčajne prevádzkujú vertikálne s hrdlom na spodnom konci, preto sa hrubý produkt nazýva spodný tok a jemný produkt, ktorý opúšťa vírový vyhľadávač, prepad. Obrázok 1 schematicky znázorňuje hlavné vlastnosti prúdenia a konštrukcie typického hydrocyklónu.hydrocyklón: dva víry, tangenciálny vstup a axiálne výstupy. S výnimkou bezprostrednej oblasti tangenciálneho vstupu má pohyb tekutiny v cyklóne radiálnu symetriu. Ak je jeden alebo oba výstupy otvorené do atmosféry, zóna nízkeho tlaku spôsobí plynové jadro pozdĺž vertikálnej osi vo vnútri vnútorného víru.

Princíp fungovania je jednoduchý: kvapalina, ktorá nesie suspendované častice, vstupuje do cyklónu tangenciálne, špirálovito smeruje nadol a vytvára odstredivé pole vo voľnom vírovom prúdení. Väčšie častice sa pohybujú kvapalinou smerom von z cyklónu špirálovitým pohybom a vychádzajú cez hrdlo s časťou kvapaliny. Vzhľadom na obmedzujúcu plochu hrdla sa vytvorí vnútorný vír, ktorý sa otáča v rovnakom smere ako vonkajší vír, ale prúdi nahor, a opúšťa cyklón cez vyhľadávač vírov, pričom so sebou nesie väčšinu kvapaliny a jemnejších častíc. Ak sa prekročí kapacita hrdla, vzduchové jadro sa uzavrie a výtok z hrdla sa zmení z rozprašovača v tvare dáždnika na „lano“ a únik hrubého materiálu do prepadu.

Priemer valcovej časti je hlavnou premennou ovplyvňujúcou veľkosť častíc, ktoré je možné oddeliť, hoci priemery výstupov je možné meniť nezávisle, aby sa zmenila dosiahnutá separácia. Zatiaľ čo raní vedci experimentovali s cyklónmi s priemerom už od 5 mm, priemery komerčných hydrocyklónov sa v súčasnosti pohybujú od 10 mm do 2,5 m, pričom separačné veľkosti pre častice s hustotou 2700 kg m−3 sú 1,5 – 300 μm a klesajú so zvyšujúcou sa hustotou častíc. Prevádzkový pokles tlaku sa pohybuje od 10 barov pre malé priemery do 0,5 baru pre veľké jednotky. Na zvýšenie kapacity sa používa viacero malých hydrocyklónov.hydrocyklónymôže byť pripojené z jedného napájacieho potrubia.

Hoci je princíp fungovania jednoduchý, mnohé aspekty ich fungovania sú stále nedostatočne pochopené a výber a predikcia hydrocyklónov pre priemyselnú prevádzku sú do značnej miery empirické.

Klasifikácia

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., v Wills' Mineral Processing Technology (ôsme vydanie), 2016

9.4.3 Hydrocyklóny verzus sitá

Hydrocyklóny sa stali dominantnou klasifikáciou pri práci s jemnými časticami v uzavretých mlecích okruhoch (<200 µm). Nedávny vývoj v technológii sít (kapitola 8) však obnovil záujem o používanie sít v mlecích okruhoch. Sitá separujú na základe veľkosti a nie sú priamo ovplyvnené rozptylom hustoty vstupných minerálov. To môže byť výhoda. Sitá tiež nemajú bypassový podiel a ako ukázal príklad 9.2, bypass môže byť pomerne veľký (v tomto prípade viac ako 30 %). Obrázok 9.8 zobrazuje príklad rozdielu v deliacej krivke pre cyklóny a sitá. Údaje pochádzajú z koncentrátora El Brocal v Peru s hodnoteniami pred a po nahradení hydrocyklónov zariadením Derrick Stack Sizer® (pozri kapitolu 8) v mlecom okruhu (Dündar a kol., 2014). V súlade s očakávaním malo sito v porovnaní s cyklónom ostrejšie oddelenie (sklon krivky je vyšší) a malý bypass. Po implementácii sita bolo hlásené zvýšenie kapacity mlecieho okruhu v dôsledku vyššej miery poškodenia. Toto sa pripisuje odstráneniu obtoku, čím sa znížilo množstvo jemného materiálu posielaného späť do mlynov, čo má tendenciu tlmiť nárazy častíc o častice.

Prechod však nie je jednosmerný: nedávnym príkladom je prechod z clony na cyklón, aby sa využilo dodatočné zmenšenie veľkosti hustejších produktívnych minerálov (Sasseville, 2015).

Metalurgický proces a dizajn

Eoin H. Macdonald, v Príručke prieskumu a hodnotenia zlata, 2007

Hydrocyklóny

Hydrocyklóny sú preferované jednotky na lacné triedenie alebo odkalovanie veľkých objemov kalu, pretože zaberajú veľmi málo podlahovej plochy alebo priestoru. Najefektívnejšie fungujú pri rovnomernom prietoku a hustote buničiny a používajú sa jednotlivo alebo v skupinách na dosiahnutie požadovaných celkových kapacít pri požadovaných rozdeleniach. Schopnosti triedenia sa spoliehajú na odstredivé sily generované vysokými tangenciálnymi rýchlosťami prúdenia cez jednotku. Primárny vír vytvorený prichádzajúcou kašou pôsobí špirálovito smerom nadol okolo vnútornej steny kužeľa. Pevné látky sú odstredivou silou vrhané smerom von, takže ako sa buničina pohybuje smerom nadol, jej hustota sa zvyšuje. Vertikálne zložky rýchlosti pôsobia smerom nadol v blízkosti stien kužeľa a smerom nahor v blízkosti osi. Menej hustá odstredivo oddelená frakcia kalu je tlačená nahor cez vyhľadávač vírov, aby prešla von otvorom na hornom konci kužeľa. Medziľahlá zóna alebo obálka medzi týmito dvoma prúdmi má nulovú vertikálnu rýchlosť a oddeľuje hrubšie pevné látky pohybujúce sa smerom nadol od jemnejších pevných látok pohybujúcich sa smerom nahor. Väčšina prúdu prechádza smerom nahor v menšom vnútornom víre a vyššie odstredivé sily vrhajú väčšie z jemnejších častíc smerom von, čím zabezpečujú efektívnejšie oddelenie jemnejších tried. Tieto častice sa vracajú do vonkajšieho víru a opäť sa dostávajú do dávkovacieho zariadenia.

Geometria a prevádzkové podmienky v rámci špirálového prúdového vzoru typickéhohydrocyklónsú opísané na obr. 8.13. Prevádzkové premenné sú hustota buničiny, prietok vstupnej suroviny, charakteristiky pevných látok, tlak na vstupe vstupnej suroviny a pokles tlaku cez cyklón. Premenné cyklónu sú plocha vstupu vstupnej suroviny, priemer a dĺžka vírového detektora a priemer výpustného hrdla. Hodnota koeficientu odporu je tiež ovplyvnená tvarom; čím viac sa častica líši od sférickosti, tým menší je jej tvarový faktor a tým väčší je jej odpor voči usadzovaniu. Zóna kritického napätia sa môže rozprestierať až na niektoré častice zlata s veľkosťou až 200 mm, a preto je nevyhnutné starostlivé monitorovanie procesu klasifikácie, aby sa znížilo nadmerné recyklovanie a následné hromadenie kalov. Historicky, keď sa venovala malá pozornosť získavaniu 150μPri množstve zŕn zlata m sa zdá, že prenos zlata v slizových frakciách bol do značnej miery zodpovedný za straty zlata, ktoré v mnohých ryžových operáciách dosahovali až 40 – 60 %.

Obrázok 8.14 (Warmanova tabuľka výberu) je predbežným výberom cyklónov na separáciu pri rôznych veľkostiach D50 od 9 – 18 mikrónov do 33 – 76 mikrónov. Táto tabuľka, rovnako ako iné podobné tabuľky výkonu cyklónov, je založená na starostlivo kontrolovanom prísune špecifického typu. Ako prvý návod na výber predpokladá obsah pevných látok vo vode 2 700 kg/m3. Cyklóny s väčším priemerom sa používajú na hrubú separáciu, ale pre správnu funkciu vyžadujú vysoké objemy prísunu. Jemná separácia pri vysokých objemoch prísunu vyžaduje zoskupenia cyklónov s malým priemerom pracujúcich paralelne. Konečné konštrukčné parametre pre úzku veľkosť sa musia určiť experimentálne a je dôležité vybrať cyklón okolo stredu rozsahu, aby sa na začiatku prevádzky dali vykonať akékoľvek menšie úpravy, ktoré by mohli byť potrebné.

Údajne cyklón CBC (s cirkulujúcim lôžkom) dokáže triediť aluviálne zlato s priemerom do 5 mm a získavať konzistentne vysoký prísun jigovej zmesi z odkvapkávacieho materiálu. Separácia prebieha pri približneD50/150 mikrónov na základe oxidu kremičitého s hustotou 2,65. O spodnom prúde cyklónu CBC sa tvrdí, že je obzvlášť vhodný na separáciu v oddeľovači kvôli svojej relatívne hladkej krivke distribúcie veľkosti a takmer úplnému odstráneniu jemných odpadových častíc. Hoci sa o tomto systéme tvrdí, že produkuje vysokokvalitný primárny koncentrát rovnakých ťažkých minerálov v jednom prechode z relatívne dlhého rozsahu veľkostí vstupného materiálu (napr. minerálne piesky), takéto údaje o výkone nie sú k dispozícii pre aluviálny vstupný materiál obsahujúci jemné a lupienkovité zlato. Tabuľka 8.5 uvádza technické údaje pre AKW.hydrocyklónypre hraničné hodnoty medzi 30 a 100 mikrónmi.

Tabuľka 8.5. Technické údaje hydrocyklónov AKW

Typ (KRS)	Priemer (mm)	Pokles tlaku	Kapacita		Bod rezu (mikróny)
Typ (KRS)	Priemer (mm)	Pokles tlaku	Kal (m3/hod)	Pevné látky (t/h max.).	Bod rezu (mikróny)
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

Vývoj technológií drvenia a klasifikácie železnej rudy

A. Jankovič, v knihe Železná ruda, 2015

8.3.3.1 Hydrocyklónové separátory

Hydrocyklón, tiež označovaný ako cyklón, je triediace zariadenie, ktoré využíva odstredivú silu na urýchlenie usadzovania častíc suspenzie a separáciu častíc podľa veľkosti, tvaru a špecifickej hmotnosti. Je široko používaný v nerastnom priemysle, pričom jeho hlavné využitie pri spracovaní nerastov je ako triedič, ktorý sa ukázal ako mimoriadne účinný pri jemnom oddelení častíc. Vo veľkej miere sa používa v uzavretých mlecích operáciách, ale našiel mnoho ďalších využití, ako je odkalovanie, odstraňovanie piesku a zahusťovanie.

Typický hydrocyklón (obrázok 8.12a) pozostáva z kužeľovito tvarovanej nádoby, otvorenej na vrchole alebo spodnej časti, spojenej s valcovou časťou, ktorá má tangenciálny vstup pre prívod. Vrch valcovej časti je uzavretý doskou, cez ktorú prechádza axiálne namontovaná prepadová rúrka. Rúrka je predĺžená do tela cyklónu krátkou, odnímateľnou časťou známou ako hľadač vírov, ktorá zabraňuje skratu prívodu priamo do prepadu. Prívod sa privádza pod tlakom cez tangenciálny vstup, ktorý dodáva buničine vírivý pohyb. To vytvára vír v cyklóne s nízkotlakovou zónou pozdĺž vertikálnej osi, ako je znázornené na obrázku 8.12b. Pozdĺž osi sa vytvára vzduchové jadro, ktoré je normálne spojené s atmosférou cez vrcholový otvor, ale čiastočne je vytvorené rozpusteným vzduchom vychádzajúcim z roztoku v zóne nízkeho tlaku. Odstredivá sila urýchľuje rýchlosť usadzovania častíc, čím sa častice oddeľujú podľa veľkosti, tvaru a špecifickej hmotnosti. Rýchlejšie sa usadzujúce častice sa pohybujú k stene cyklónu, kde je rýchlosť najnižšia, a migrujú k vrcholovému otvoru (podprietok). V dôsledku pôsobenia odporovej sily sa pomalšie usadzujúce častice pohybujú smerom k zóne nízkeho tlaku pozdĺž osi a sú unášané smerom nahor cez vyhľadávač vírov do prepadu.

Hydrocyklóny sa takmer univerzálne používajú v mlecích okruhoch kvôli ich vysokej kapacite a relatívnej účinnosti. Dokážu tiež triediť častice vo veľmi širokom rozsahu veľkostí (typicky 5 – 500 μm), pričom na jemnejšiu triedenie sa používajú častice s menším priemerom. Použitie cyklónov v mlecích okruhoch magnetitu však môže spôsobiť neefektívnu prevádzku kvôli rozdielu v hustote medzi magnetitom a odpadovými minerálmi (oxidom kremičitým). Magnetit má špecifickú hustotu približne 5,15, zatiaľ čo oxid kremičitý má špecifickú hustotu približne 2,7. Vhydrocyklóny, husté minerály sa oddeľujú pri jemnejšej veľkosti rezu ako ľahšie minerály. Uvoľnený magnetit sa preto koncentruje v spodnom prúde cyklónu, čo má za následok nadmerné mletie magnetitu. Napier-Munn a kol. (2005) poznamenali, že vzťah medzi korigovanou veľkosťou rezu (d50c) a hustota častíc sa v závislosti od podmienok prúdenia a ďalších faktorov vyjadruje v nasledujúcom tvare:

d50c∝ρs−ρl−n

kdeρs je hustota pevných látok,ρl je hustota kvapaliny anje medzi 0,5 a 1,0. To znamená, že vplyv hustoty minerálov na výkon cyklónu môže byť dosť významný. Napríklad, akd50c magnetitu je 25 μm, potomd50c častíc oxidu kremičitého bude mať veľkosť 40 – 65 μm. Obrázok 8.13 zobrazuje krivky účinnosti klasifikácie cyklónu pre magnetit (Fe3O4) a oxid kremičitý (SiO2) získané z prieskumu priemyselného mlecieho okruhu magnetitu v guľovom mlyne. Separácia veľkosti oxidu kremičitého je oveľa hrubšia, sd50c pre Fe3O4 s hodnotou 29 μm, zatiaľ čo pre SiO2 je to 68 μm. V dôsledku tohto javu sú mlyny na mletie magnetitu v uzavretých okruhoch s hydrocyklónmi menej účinné a majú nižšiu kapacitu v porovnaní s inými okruhmi na mletie rúd základných kovov.

Technológia vysokotlakových procesov: Základy a aplikácie

MJ Cocero PhD, v publikácii Knižnica priemyselnej chémie, 2001

Zariadenia na separáciu pevných látok

•

Hydrocyklón

Toto je jeden z najjednoduchších typov odlučovačov pevných látok. Je to vysokoúčinné separačné zariadenie, ktoré možno použiť na efektívne odstraňovanie pevných látok pri vysokých teplotách a tlakoch. Je ekonomické, pretože nemá žiadne pohyblivé časti a vyžaduje si len malú údržbu.

Účinnosť separácie pevných látok je silnou funkciou veľkosti častíc a teploty. Hrubá účinnosť separácie blízko 80 % je dosiahnuteľná pre oxid kremičitý a teploty nad 300 °C, zatiaľ čo v rovnakom teplotnom rozsahu je hrubá účinnosť separácie pre hustejšie častice zirkónu vyššia ako 99 % [29].

Hlavnou nevýhodou prevádzky hydrocyklónu je tendencia niektorých solí priľnúť k stenám cyklónu.

•

Krížová mikrofiltrácia

Priečne prietokové filtre sa správajú podobne ako pri priečne prietokovej filtrácii za okolitých podmienok: zvýšené šmykové rýchlosti a znížená viskozita kvapaliny vedú k zvýšenému počtu filtrátov. Krížová mikrofiltrácia sa používa na separáciu vyzrážaných solí ako pevných látok, pričom účinnosť separácie častíc zvyčajne presahuje 99,9 %. Goemansa kol.V práci [30] sa skúmala separácia dusičnanu sodného z nadkritickej vody. Za podmienok štúdie bol dusičnan sodný prítomný ako roztavená soľ a bol schopný prejsť cez filter. Dosiahnuté separačné účinnosti sa menili s teplotou, pretože rozpustnosť sa so zvyšujúcou sa teplotou znižuje, v rozmedzí od 40 % do 85 % pre 400 °C a 470 °C. Títo pracovníci vysvetlili separačný mechanizmus ako dôsledok odlišnej priepustnosti filtračného média voči nadkritickému roztoku na rozdiel od roztavenej soli na základe ich jasne odlišných viskozit. Preto by bolo možné filtrovať nielen vyzrážané soli iba ako pevné látky, ale aj tie soli s nízkou teplotou topenia, ktoré sú v roztavenom stave.

Prevádzkové problémy boli spôsobené najmä koróziou filtra soľami.

Papier: Recyklácia a recyklované materiály

MR Doshi, JM Dyer, v Referenčnom module v materiálovej vede a materiálovom inžinierstve, 2016

3.3 Čistenie

Čističky alebohydrocyklónyodstraňujú kontaminanty z buničiny na základe rozdielu hustoty medzi kontaminantom a vodou. Tieto zariadenia pozostávajú z kužeľovej alebo valcovito-kužeľovej tlakovej nádoby, do ktorej sa buničina tangenciálne privádza na konci s väčším priemerom (obrázok 6). Počas prechodu čističom buničina vytvára vírový prúd, podobný cyklónu. Prúd sa otáča okolo centrálnej osi, keď prechádza od vstupu a smerom k vrcholu alebo spodnému otvoru pozdĺž vnútornej strany steny čističa. Rýchlosť rotačného prúdenia sa zrýchľuje so znižujúcim sa priemerom kužeľa. V blízkosti vrcholového konca otvor s malým priemerom zabraňuje vypúšťaniu väčšiny prúdu, ktorý namiesto toho otáča vo vnútornom víre v jadre čističa. Prúd vo vnútornom jadre prúdi smerom od vrcholového otvoru, kým neprejde cez vyhľadávač vírov, ktorý sa nachádza na konci s väčším priemerom v strede čističa. Materiál s vyššou hustotou, ktorý sa koncentruje na stene čističa v dôsledku odstredivej sily, sa vypúšťa na vrchole kužeľa (Bliss, 1994, 1997).

Čističe sa klasifikujú ako vysokohustotné, stredné alebo nízkohustotné v závislosti od hustoty a veľkosti odstraňovaných nečistôt. Čistič s vysokou hustotou s priemerom od 15 do 50 cm (6 – 20 palcov) sa používa na odstraňovanie kovových zvyškov, sponiek na papier a spiniek a zvyčajne sa umiestňuje bezprostredne za rozvlákňovačom. S klesajúcou priemerovou hodnotou čističa sa zvyšuje jeho účinnosť pri odstraňovaní malých nečistôt. Z praktických a ekonomických dôvodov je cyklón s priemerom 75 mm (3 palce) vo všeobecnosti najmenším čističom používaným v papierenskom priemysle.

Reverzné čističe a prietokové čističe sú určené na odstraňovanie nečistôt s nízkou hustotou, ako je vosk, polystyrén a lepkavé látky. Reverzné čističe sú tak pomenované, pretože prúd prijatých látok sa zhromažďuje na vrchole čističa, zatiaľ čo odpady vystupujú cez prepad. V prietokovom čističi prijímané a odmietnuté látky vystupujú na tom istom konci čističa, pričom odmietnuté látky sú oddelené od odpadov v blízkosti steny čističa centrálnou trubicou v blízkosti jadra čističa, ako je znázornené na obrázku 7.

Kontinuálne odstredivky používané v 20. a 30. rokoch 20. storočia na odstraňovanie piesku z buničiny boli po vývoji hydrocyklónov prerušené. Gyroclean, vyvinutý v Centre Technique du Papier v Grenobli vo Francúzsku, pozostáva z valca, ktorý sa otáča rýchlosťou 1200 – 1500 ot./min (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). Kombinácia relatívne dlhého času zdržania a vysokej odstredivej sily umožňuje kontaminantom s nízkou hustotou dostatočný čas na migráciu do jadra čističa, kde sú odvrhnuté cez centrálny vírový výboj.

MT Thew, v Encyklopédii separačných vied, 2000

Synopsa

Hoci tuhá látka – kvapalinahydrocyklónHoci sa počas väčšiny 20. storočia etablovala separácia kvapalina-kvapalina, uspokojivý výkon separácie kvapalina-kvapalina sa dostavil až v 80. rokoch 20. storočia. Ropný priemysel na mori potreboval kompaktné, robustné a spoľahlivé zariadenie na odstraňovanie jemne rozdelenej kontaminujúcej ropy z vody. Túto potrebu uspokojil výrazne odlišný typ hydrocyklónu, ktorý samozrejme nemal žiadne pohyblivé časti.

Po podrobnejšom vysvetlení tejto potreby a jej porovnaní s cyklónovou separáciou tuhých látok a kvapalín pri spracovaní nerastov sú uvedené výhody, ktoré hydrocyklón poskytoval oproti typom zariadení inštalovaných skôr na splnenie tejto úlohy.

Kritériá hodnotenia separačného výkonu sú uvedené pred diskusiou o výkone z hľadiska zloženia vstupného materiálu, ovládania operátorom a potrebnej energie, t. j. súčinu tlakovej straty a prietoku.

Prostredie pre ťažbu ropy kladie určité obmedzenia na materiály, vrátane problému erózie častíc. Uvádzajú sa typické používané materiály. Sú načrtnuté údaje o relatívnych nákladoch na typy zariadení na oddeľovanie ropy, investičných aj opakujúcich sa, hoci zdrojov je málo. Na záver sú opísané niektoré ukazovatele ďalšieho vývoja, keďže ropný priemysel sa zameriava na zariadenia inštalované na morskom dne alebo dokonca na dne vrtu.

Odber vzoriek, kontrola a vyvažovanie hmotnosti

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., v Wills' Mineral Processing Technology (ôsme vydanie), 2016

3.7.1 Použitie veľkosti častíc

Mnohé jednotky, ako napr.hydrocyklónya gravitačné separátory dosahujú určitý stupeň separácie podľa veľkosti a údaje o veľkosti častíc sa môžu použiť na vyvažovanie hmotnosti (príklad 3.15).

Príklad 3.15 je príkladom minimalizácie nerovnováhy uzlov; poskytuje napríklad počiatočnú hodnotu pre zovšeobecnenú minimalizáciu metódou najmenších štvorcov. Tento grafický prístup sa dá použiť vždy, keď sú k dispozícii „nadbytočné“ dáta komponentov; v príklade 3.9 sa mohol použiť.

Príklad 3.15 používa cyklón ako uzol. Druhým uzlom je zberná nádrž: toto je príklad 2 vstupov (čerstvá zmes a výstup z guľového mlyna) a jedného výstupu (prívod cyklónu). To dáva ďalšiu hmotnostnú bilanciu (príklad 3.16).

V kapitole 9 sa vrátime k tomuto príkladu mlecieho obvodu s použitím upravených údajov na určenie rozdeľovacej krivky cyklónu.

Čas uverejnenia: 7. mája 2019