Hidrocikloni

Opis

HidrocikloniSo stožčasto-valjaste oblike s tangencialnim dovodom v valjasti del in izhodom na vsaki osi. Izhod na valjastem delu se imenuje iskalec vrtinca in se razteza v ciklon, da zmanjša kratkostični tok neposredno iz vhoda. Na stožčastem koncu je drugi izhod, pipa. Za ločevanje velikosti sta oba izhoda običajno odprta v ozračje. Hidrocikloni običajno delujejo navpično s pipo na spodnjem koncu, zato se grobi produkt imenuje spodnji tok, fini produkt, ki zapušča iskalec vrtinca, pa preliv. Slika 1 shematsko prikazuje glavni tok in oblikovne značilnosti tipičnegahidrociklon: dva vrtinca, tangencialni dovod in aksialni izhodi. Razen neposrednega območja tangencialnega vhoda ima gibanje tekočine znotraj ciklona radialno simetrijo. Če sta eden ali oba izhoda odprta v atmosfero, območje nizkega tlaka povzroči plinsko jedro vzdolž navpične osi, znotraj notranjega vrtinca.

Načelo delovanja je preprosto: tekočina, ki prenaša suspendirane delce, vstopi v ciklon tangencialno, se spiralno giblje navzdol in v prostem vrtinčnem toku ustvari centrifugalno polje. Večji delci se spiralno premikajo skozi tekočino navzven ciklona in izstopijo skozi pipo z delom tekočine. Zaradi omejene površine pipe se vzpostavi notranji vrtinec, ki se vrti v isti smeri kot zunanji vrtinec, vendar teče navzgor, in zapusti ciklon skozi iskalo vrtinca, s seboj pa odnese večino tekočine in drobnejše delce. Če je zmogljivost pipe presežena, se zračno jedro zapre in izpust pipe se iz dežnikastega pršenja spremeni v 'vrv' in izgubo grobega materiala v preliv.

Premer valjastega dela je glavna spremenljivka, ki vpliva na velikost delcev, ki jih je mogoče ločiti, čeprav je mogoče premere izhodnih odprtin neodvisno spreminjati, da se spremeni dosežena ločitev. Medtem ko so zgodnji raziskovalci eksperimentirali s cikloni s premerom le 5 mm, se premeri komercialnih hidrociklonov trenutno gibljejo od 10 mm do 2,5 m, pri čemer so velikosti ločevanja za delce z gostoto 2700 kg m−3 od 1,5 do 300 μm, ki se zmanjšujejo z naraščajočo gostoto delcev. Padec delovnega tlaka se giblje od 10 barov za majhne premere do 0,5 bara za velike enote. Za povečanje zmogljivosti je mogoče namestiti več majhnih ...hidrociklonise lahko priključi na razdelilnik iz ene same dovodne linije.

Čeprav je načelo delovanja preprosto, so številni vidiki njihovega delovanja še vedno slabo razumljeni, izbira in napovedovanje hidrociklonov za industrijsko delovanje pa sta večinoma empirična.

Klasifikacija

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

9.4.3 Hidrocikloni v primerjavi s siti

Hidrocikloni so postali prevladujoča klasifikacija pri delu z drobnimi delci v zaprtih mletnih krogih (<200 µm). Vendar pa je nedavni razvoj tehnologije sit (poglavje 8) ponovno vzbudil zanimanje za uporabo sit v mletnih krogih. Sita ločujejo glede na velikost in nanje neposredno ne vpliva razpršenost gostote v dovajanih mineralih. To je lahko prednost. Sita tudi nimajo obvodnega deleža in kot je pokazal primer 9.2, je obvod lahko precej velik (v tem primeru več kot 30 %). Slika 9.8 prikazuje primer razlike v porazdelitveni krivulji za ciklone in sita. Podatki so iz koncentratorja El Brocal v Peruju z ocenami pred in po zamenjavi hidrociklonov z Derrick Stack Sizer® (glej poglavje 8) v mletnem krogu (Dündar et al., 2014). V skladu s pričakovanji je imelo sito v primerjavi s ciklonom ostrejše ločevanje (naklon krivulje je večji) in majhen obvod. Poročali so o povečanju zmogljivosti mletnega kroga zaradi višjih stopenj loma po namestitvi sita. To je bilo posledica odprave obvoda, kar je zmanjšalo količino finega materiala, ki se pošilja nazaj v mline, kar ponavadi blaži trke delcev.

Vendar prehod ni enosmeren: nedavni primer je prehod z zaslona na ciklon, da bi izkoristili dodatno zmanjšanje velikosti gostejših plastovnih mineralov (Sasseville, 2015).

Metalurški proces in načrtovanje

Eoin H. Macdonald, v Priročniku za raziskovanje in vrednotenje zlata, 2007

Hidrocikloni

Hidrocikloni so prednostne enote za poceni kaliliranje ali odstranjevanje sluzi velikih količin gnojevke, saj zavzamejo zelo malo površine ali prostora nad glavo. Najučinkoviteje delujejo, ko se dovajajo z enakomernim pretokom in gostoto pulpe, in se uporabljajo posamezno ali v skupinah za doseganje želenih skupnih zmogljivosti pri zahtevanih delih. Zmogljivosti kaliliranja temeljijo na centrifugalnih silah, ki jih ustvarjajo visoke tangencialne hitrosti toka skozi enoto. Primarni vrtinec, ki ga tvori dotočna gnojevka, deluje spiralno navzdol okoli notranje stene stožca. Trdne snovi centrifugalna sila izrine navzven, tako da se gostota pulpe, ko se premika navzdol, povečuje. Navpične komponente hitrosti delujejo navzdol blizu sten stožca in navzgor blizu osi. Manj gosta centrifugalno ločena frakcija sluzi se potisne navzgor skozi iskalo vrtinca, da preide skozi odprtino na zgornjem koncu stožca. Vmesno območje ali ovojnica med obema tokovoma ima ničelno navpično hitrost in ločuje grobejše trdne snovi, ki se premikajo navzdol, od finejših trdnih snovi, ki se premikajo navzgor. Večina toka gre navzgor znotraj manjšega notranjega vrtinca, večje centrifugalne sile pa večje fine delce vržejo navzven, kar zagotavlja učinkovitejše ločevanje finejših delcev. Ti delci se vrnejo v zunanji vrtinec in se ponovno prijavijo v dovodni stroj.

Geometrija in obratovalni pogoji znotraj spiralnega vzorca toka tipičnegahidrociklonso opisane na sliki 8.13. Obratovalne spremenljivke so gostota pulpe, pretok dovoda, značilnosti trdnih snovi, tlak na vhodu dovoda in padec tlaka skozi ciklon. Spremenljivke ciklona so površina vhoda dovoda, premer in dolžina iskalnika vrtinca ter premer izpustne pipe. Na vrednost koeficienta upora vpliva tudi oblika; bolj ko se delec razlikuje od sferičnosti, manjši je njegov faktor oblike in večja je njegova odpornost proti posedanju. Območje kritične napetosti se lahko razteza do nekaterih delcev zlata, velikih do 200 mm, zato je skrbno spremljanje postopka klasifikacije bistvenega pomena za zmanjšanje prekomernega recikliranja in posledične kopičenja sluzi. V preteklosti, ko je bilo pridobivanju 150 namenjene le malo pozornosti, je bilo ...μPri m zlatih zrnih je prenos zlata v frakcijah sluzi v veliki meri odgovoren za izgube zlata, ki so v številnih operacijah izkopavanja zlata dosegle kar 40–60 %.

Slika 8.14 (Warmanova izbirna tabela) je predhodna izbira ciklonov za ločevanje pri različnih velikostih D50 od 9–18 mikronov do 33–76 mikronov. Ta tabela, tako kot druge podobne tabele delovanja ciklonov, temelji na skrbno nadzorovanem dovajanju določene vrste. Kot prvo vodilo pri izbiri predpostavlja vsebnost trdnih snovi v vodi 2700 kg/m3. Cikloni z večjim premerom se uporabljajo za grobo ločevanje, vendar za pravilno delovanje zahtevajo velike količine dovajanja. Fine ločitve pri velikih količinah dovajanja zahtevajo skupine ciklonov z majhnim premerom, ki delujejo vzporedno. Končne parametre zasnove za tesno dimenzioniranje je treba določiti eksperimentalno, pomembno pa je izbrati ciklon približno na sredini območja, da se lahko na začetku delovanja izvedejo morebitne manjše prilagoditve.

Ciklon CBC (ciklon s krožečim slojem) naj bi ločeval aluvialne zlate materiale s premerom do 5 mm in iz spodnjega toka dosegel dosledno visok odmerek. Ločevanje poteka pri približnoD50/150 mikronov na osnovi silicijevega dioksida z gostoto 2,65. Spodnji ciklon CBC naj bi bil še posebej primeren za ločevanje z jigom zaradi svoje relativno gladke krivulje porazdelitve velikosti in skoraj popolne odstranitve finih odpadnih delcev. Vendar pa čeprav naj bi ta sistem v enem prehodu iz relativno dolgega razpona velikosti (npr. mineralni pesek) proizvedel visokokakovosten primarni koncentrat enakovrednih težkih mineralov, takšne številke o učinkovitosti niso na voljo za aluvialni vhodni material, ki vsebuje fino in luskasto zlato. Tabela 8.5 prikazuje tehnične podatke za AKW.hidrocikloniza mejne vrednosti med 30 in 100 mikroni.

Tabela 8.5. Tehnični podatki za hidrociklone AKW

Tip (KRS)	Premer (mm)	Padec tlaka	Zmogljivost		Meja rezanja (mikroni)
Tip (KRS)	Premer (mm)	Padec tlaka	Gnojevka (m3/h)	Trdne snovi (t/h max).	Meja rezanja (mikroni)
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

Razvoj tehnologij mletja in klasifikacije železove rude

A. Janković, v Železova ruda, 2015

8.3.3.1 Hidrociklonski separatorji

Hidrociklon, imenovan tudi ciklon, je klasifikacijska naprava, ki s pomočjo centrifugalne sile pospeši usedanje delcev gnojevke in loči delce glede na velikost, obliko in specifično težo. Široko se uporablja v mineralni industriji, pri predelavi mineralov pa je njegova glavna uporaba kot klasifikator, ki se je izkazal za izjemno učinkovitega pri finem ločevanju delcev. Široko se uporablja pri mletju v zaprtem krogu, vendar je našel številne druge uporabe, kot so odstranjevanje sluzi, odstranjevanje peska in zgoščevanje.

Tipični hidrociklon (slika 8.12a) je sestavljen iz stožčasto oblikovane posode, odprte na vrhu ali spodnjem delu, ki je povezana z valjastim delom, ki ima tangencialni vhod za dovajanje. Vrh valjastega dela je zaprt s ploščo, skozi katero poteka aksialno nameščena prelivna cev. Cev je podaljšana v telo ciklona s kratkim, odstranljivim delom, znanim kot iskalnik vrtinca, ki preprečuje kratek stik dovajanja neposredno v preliv. Dovajanje se pod tlakom dovaja skozi tangencialni vhod, ki povzroča vrtinčenje pulpe. To ustvari vrtinec v ciklonu z območjem nizkega tlaka vzdolž navpične osi, kot je prikazano na sliki 8.12b. Vzdolž osi se razvije zračno jedro, ki je običajno povezano z atmosfero skozi odprtino na vrhu, delno pa ga ustvari raztopljeni zrak, ki izhaja iz raztopine v območju nizkega tlaka. Centrifugalna sila pospeši hitrost usedanja delcev in s tem loči delce glede na velikost, obliko in specifično težo. Hitreje posedajoči delci se premaknejo proti steni ciklona, kjer je hitrost najnižja, in se preselijo proti vršni odprtini (spodnji pretok). Zaradi delovanja sile upora se počasneje posedajoči delci premaknejo proti območju nizkega tlaka vzdolž osi in jih skozi iskalo vrtinca prenese navzgor do preliva.

Hidrocikloni se zaradi svoje visoke zmogljivosti in relativne učinkovitosti skoraj univerzalno uporabljajo v mlevnih krogih. Prav tako lahko razvrščajo delce v zelo širokem razponu velikosti (običajno 5–500 μm), pri čemer se za finejšo razvrščanje uporabljajo enote z manjšim premerom. Vendar pa lahko uporaba ciklona v mlevnih krogih magnetita povzroči neučinkovito delovanje zaradi razlike v gostoti med magnetitom in odpadnimi minerali (silicijevim dioksidom). Magnetit ima specifično gostoto približno 5,15, medtem ko ima silicijev dioksid specifično gostoto približno 2,7. Vhidrocikloni, gosti minerali se ločijo pri finejši velikosti reza kot lažji minerali. Zato se sproščeni magnetit koncentrira v spodnjem toku ciklona, kar ima za posledico prekomerno mletje magnetita. Napier-Munn in sod. (2005) so ugotovili, da je razmerje med popravljeno velikostjo reza (d50c) in gostota delcev sledi izrazu naslednje oblike, odvisno od pogojev pretoka in drugih dejavnikov:

d50c∝ρs−ρl−n

kjeρs je gostota trdnih snovi,ρl je gostota tekočine innje med 0,5 in 1,0. To pomeni, da je lahko vpliv gostote mineralov na delovanje ciklona precejšen. Na primer, če jed50c magnetita je 25 μm, potem jed50c delcev silicijevega dioksida bo imelo velikost 40–65 μm. Slika 8.13 prikazuje krivulje učinkovitosti klasifikacije ciklona za magnetit (Fe3O4) in silicijev dioksid (SiO2), pridobljene z raziskavo industrijskega kroga mletja magnetita v krogličnem mlinu. Ločevanje velikosti silicijevega dioksida je veliko bolj grobo, zd50c za Fe3O4 29 μm, medtem ko je za SiO2 68 μm. Zaradi tega pojava so mlini za mletje magnetita v zaprtih krogih s hidrocikloni manj učinkoviti in imajo manjšo zmogljivost v primerjavi z drugimi krogi za mletje rude osnovnih kovin.

Tehnologija visokotlačnih procesov: osnove in uporaba

MJ Cocero, doktorat, v Knjižnica industrijske kemije, 2001

Naprave za ločevanje trdnih snovi

•

Hidrociklon

To je ena najpreprostejših vrst ločevalnikov trdnih snovi. Je visoko učinkovita ločevalna naprava, ki se lahko uporablja za učinkovito odstranjevanje trdnih snovi pri visokih temperaturah in tlakih. Je ekonomična, ker nima gibljivih delov in zahteva malo vzdrževanja.

Učinkovitost ločevanja trdnih snovi je močno odvisna od velikosti delcev in temperature. Za silicijev dioksid in temperature nad 300 °C je mogoče doseči bruto učinkovitost ločevanja blizu 80 %, medtem ko je v istem temperaturnem območju bruto učinkovitost ločevanja za gostejše delce cirkona večja od 99 % [29].

Glavna pomanjkljivost delovanja hidrociklona je nagnjenost nekaterih soli k oprijemu sten ciklona.

•

Križna mikrofiltracija

Prečno-točni filtri se obnašajo podobno kot običajno pri prečno-točni filtraciji v sobnih pogojih: povečane strižne hitrosti in zmanjšana viskoznost tekočine povzročijo povečano število filtrata. Prečna mikrofiltracija se uporablja za ločevanje oborjenih soli kot trdnih snovi, kar daje učinkovitost ločevanja delcev, ki običajno presega 99,9 %. Goemanset al.[30] je preučeval ločevanje natrijevega nitrata iz superkritične vode. V pogojih študije je bil natrijev nitrat prisoten kot staljena sol in je lahko prehajal skozi filter. Učinkovitost ločevanja se je spreminjala s temperaturo, saj se topnost z naraščanjem temperature zmanjšuje in se giblje med 40 % in 85 % za 400 °C oziroma 470 °C. Ti raziskovalci so mehanizem ločevanja pojasnili kot posledico različne prepustnosti filtrirnega medija za superkritično raztopino v primerjavi s staljeno soljo, na podlagi njunih jasno različnih viskoznosti. Zato bi bilo mogoče ne le filtrirati oborjene soli zgolj kot trdne snovi, temveč tudi filtrirati tiste soli z nizkim tališčem, ki so v staljenem stanju.

Težave pri obratovanju so bile predvsem posledica korozije filtrov zaradi soli.

Papir: Recikliranje in reciklirani materiali

MR Doshi, JM Dyer, v Referenčnem modulu za znanost o materialih in inženirstvo materialov, 2016

3.3 Čiščenje

Čistilci oz.hidrocikloniOdstranjevanje onesnaževalcev iz pulpe na podlagi razlike v gostoti med onesnaževalcem in vodo. Te naprave so sestavljene iz stožčaste ali valjasto-stožčaste tlačne posode, v katero se pulpa tangencialno dovaja na koncu z večjim premerom (slika 6). Med prehodom skozi čistilec pulpa razvije vrtinčni vzorec toka, podoben tistemu v ciklonu. Tok se vrti okoli osrednje osi, ko se oddaljuje od vhoda in proti vrhu ali spodnji odprtini vzdolž notranje stene čistilca. Hitrost vrtenja toka se pospešuje, ko se premer stožca zmanjšuje. Blizu vrha odprtina z majhnim premerom preprečuje izpust večine toka, ki se namesto tega vrti v notranjem vrtincu v jedru čistilca. Tok v notranjem jedru teče stran od vrha odprtine, dokler se ne izprazni skozi iskalo vrtinca, ki se nahaja na koncu z večjim premerom v središču čistilca. Material z višjo gostoto, ki se je zaradi centrifugalne sile koncentriral na steni čistilca, se izprazni na vrhu stožca (Bliss, 1994, 1997).

Čistilne naprave so razvrščene v visoko, srednjo ali nizko gostoto, odvisno od gostote in velikosti odstranjenih onesnaževalcev. Čistilna naprava z visoko gostoto, s premerom od 15 do 50 cm (6–20 palcev), se uporablja za odstranjevanje odpadne kovine, sponk za papir in drugih sponk ter je običajno nameščena takoj za raztapljalnikom. Z zmanjševanjem premera čistilne naprave se povečuje njena učinkovitost pri odstranjevanju majhnih onesnaževalcev. Zaradi praktičnih in ekonomskih razlogov je ciklon s premerom 75 mm (3 palce) običajno najmanjša čistilna naprava, ki se uporablja v papirni industriji.

Čistilniki z obračanjem in pretočnim čistilom so zasnovani za odstranjevanje onesnaževalcev z nizko gostoto, kot so vosek, polistiren in lepljivi delci. Čistilniki z obračanjem so tako poimenovani, ker se sprejemni tok zbira na vrhu čistilnika, medtem ko zavrženi materiali izstopajo na prelivu. Pri pretočnem čistilniku sprejemni in zavrženi materiali izstopajo na istem koncu čistilnika, pri čemer so sprejemni materiali blizu stene čistilnika ločeni od zavrnjenih materialov z osrednjo cevjo blizu jedra čistilnika, kot je prikazano na sliki 7.

Kontinuirne centrifuge, ki so se v dvajsetih in tridesetih letih prejšnjega stoletja uporabljale za odstranjevanje peska iz celuloze, so bile po razvoju hidrociklonov ukinjene. Gyroclean, razvit v Centru za tehnologijo papirja v Grenoblu v Franciji, je sestavljen iz valja, ki se vrti s 1200–1500 vrt/min (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). Kombinacija relativno dolgega časa zadrževanja in visoke centrifugalne sile omogoča onesnaževalcem z nizko gostoto dovolj časa, da se preselijo v jedro čistilnika, kjer se izločijo skozi osrednji vrtinčni izpust.

MT Thew, v Enciklopediji ločevalne znanosti, 2000

Povzetek

Čeprav trdno-tekoče stanjehidrociklonČeprav je bila metoda ločevanja tekočina-tekočina vzpostavljena že večji del 20. stoletja, je bila zadovoljiva učinkovitost ločevanja tekočina-tekočina dosežena šele v osemdesetih letih prejšnjega stoletja. Naftna industrija na morju je potrebovala kompaktno, robustno in zanesljivo opremo za odstranjevanje fino razdeljene onesnaževalne nafte iz vode. To potrebo je zadovoljil bistveno drugačen tip hidrociklona, ki seveda ni imel gibljivih delov.

Po podrobnejši razlagi te potrebe in njeni primerjavi s ciklonskim ločevanjem trdnih in tekočih snovi pri predelavi mineralov so navedene prednosti, ki jih je hidrociklon nudil v primerjavi z vrstami opreme, nameščene prej za izpolnjevanje te naloge.

Merila za oceno učinkovitosti ločevanja so navedena pred razpravo o učinkovitosti glede na sestavo dovajanja, nadzor operaterja in potrebno energijo, tj. produkt padca tlaka in pretoka.

Okolje za proizvodnjo nafte postavlja nekatere omejitve za materiale, vključno s problemom erozije delcev. Omenjeni so tipični uporabljeni materiali. Orisani so podatki o relativnih stroških za vrste naprav za ločevanje nafte, tako kapitalske kot tekoče, čeprav so viri redki. Na koncu je opisanih nekaj kazalnikov za nadaljnji razvoj, saj naftna industrija išče opremo, nameščeno na morskem dnu ali celo na dnu vrtine.

Vzorčenje, nadzor in uravnoteženje mase

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

3.7.1 Uporaba velikosti delcev

Številne enote, kot npr.hidrocikloniin gravitacijski separatorji zagotavljajo določeno stopnjo ločevanja velikosti, podatke o velikosti delcev pa je mogoče uporabiti za uravnoteženje mase (primer 3.15).

Primer 3.15 je primer minimizacije neravnovesja vozlišč; na primer podaja začetno vrednost za minimizacijo z metodo posplošenih najmanjših kvadratov. Ta grafični pristop se lahko uporabi vedno, ko so prisotni "presežni" podatki o komponentah; v primeru 3.9 bi ga lahko uporabili.

Primer 3.15 uporablja ciklon kot vozlišče. Drugo vozlišče je zbiralnik: to je primer dveh vhodov (svež dovod in izpust krogličnega mlina) in enega izhoda (dovod ciklona). To daje še eno masno bilanco (primer 3.16).

V 9. poglavju se bomo vrnili k temu primeru mletja z uporabo prilagojenih podatkov za določitev ciklonske porazdelitvene krivulje.

Čas objave: 7. maj 2019