Hidrocikloni

Opis

Hidrocikloniso konocilindrične oblike, s tangencialnim dovodom v cilindrični del in izhodom na vsaki osi. Izstop v cilindričnem delu se imenuje iskalnik vrtincev in se razteza v ciklon, da zmanjša kratkostični tok neposredno iz vstopa. Na stožčastem koncu je drugi izhod, čep. Za ločevanje velikosti sta oba izhoda na splošno odprta v atmosfero. Hidrocikloni običajno delujejo navpično s čepom na spodnjem koncu, zato se grobi produkt imenuje spodnji tok, fin produkt, ki zapušča iskalo vrtincev, pa preliv. Slika 1 shematično prikazuje glavni tok in oblikovne značilnosti tipičnegahidrociklon: dva vrtinca, tangencialni dovod in aksialni izhodi. Razen neposrednega območja tangencialnega vstopa ima gibanje tekočine znotraj ciklona radialno simetrijo. Če sta ena ali oba izhoda odprta v atmosfero, območje nizkega tlaka povzroči plinsko jedro vzdolž navpične osi, znotraj notranjega vrtinca.

Načelo delovanja je preprosto: tekočina, ki nosi suspendirane delce, vstopi v ciklon tangencialno, se spiralno obrne navzdol in ustvari centrifugalno polje v prostem vrtinčnem toku. Večji delci se premikajo skozi tekočino na zunanjo stran ciklona v spiralnem gibanju in izstopijo skozi nastavek z delom tekočine. Zaradi omejujočega območja čepa se vzpostavi notranji vrtinec, ki se vrti v isti smeri kot zunanji vrtinec, vendar teče navzgor, in zapusti ciklon skozi iskalnik vrtinca, s seboj pa nosi večino tekočine in drobnejših delcev. Če je zmogljivost nastavka presežena, se zračno jedro zapre in izpust iz nastavka se spremeni iz pršila v obliki dežnika v "vrv" in izguba grobega materiala v preliv.

Premer cilindričnega odseka je glavna spremenljivka, ki vpliva na velikost delcev, ki jih je mogoče ločiti, čeprav se lahko premeri izhodne odprtine neodvisno spremenijo, da se spremeni doseženo ločevanje. Medtem ko so prvi delavci eksperimentirali s cikloni s premerom le 5 mm, so komercialni premeri hidrociklonov trenutno v razponu od 10 mm do 2,5 m, z ločevalnimi velikostmi za delce z gostoto 2700 kg m−3 od 1,5 do 300 μm, ki se zmanjšujejo s povečano gostoto delcev. Padec delovnega tlaka se giblje od 10 barov za majhne premere do 0,5 bara za velike enote. Za povečanje zmogljivosti, večkratno majhnohidrociklonise lahko razdeli iz enega dovodnega voda.

Čeprav je načelo delovanja preprosto, je veliko vidikov njihovega delovanja še vedno slabo razumljenih, izbira in napovedovanje hidrociklonov za industrijsko delovanje pa sta večinoma empirična.

Razvrstitev

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

9.4.3 Hidrocikloni proti zaslonom

Hidrocikloni so prevladovali pri klasifikaciji, ko se ukvarjamo z drobnimi velikostmi delcev v zaprtih brusilnih krogih (<200 µm). Vendar pa je nedavni razvoj tehnologije zaslonov (8. poglavje) obnovil zanimanje za uporabo zaslonov v brusilnih krogih. Sita se ločujejo glede na velikost in nanje neposredno ne vpliva porazdelitev gostote v krmnih mineralih. To je lahko prednost. Zasloni tudi nimajo obvodnega deleža in kot je pokazal primer 9.2, je lahko obvod precej velik (v tem primeru več kot 30 %). Slika 9.8 prikazuje primer razlike v razdelilni krivulji za ciklone in zaslone. Podatki so iz koncentratorja El Brocal v Peruju z ocenami pred in po zamenjavi hidrociklonov z Derrick Stack Sizer® (glejte 8. poglavje) v brusilnem krogu (Dündar et al., 2014). V skladu s pričakovanji je imel zaslon v primerjavi s ciklonom ostrejšo ločitev (naklon krivulje je višji) in majhen obvod. Poročali so o povečanju zmogljivosti brusilnega kroga zaradi višjih stopenj lomljenja po vgradnji sita. To je bilo pripisano odpravi obvoda, s čimer se je zmanjšala količina finega materiala, poslanega nazaj v mline za mletje, kar blaži udarce med delci.

Zamenjava pa ni eden od načinov: nedavni primer je prehod z sita na ciklon, da bi izkoristili dodatno zmanjšanje velikosti gostejših plačilnih mineralov (Sasseville, 2015).

Metalurški proces in oblikovanje

Eoin H. Macdonald, v Handbook of Gold Exploration and Evaluation, 2007

Hidrocikloni

Hidrocikloni so prednostne enote za poceni dimenzioniranje ali razluževanje velikih količin gnojevke in ker zavzamejo zelo malo talne površine ali prostora za glavo. Najbolj učinkovito delujejo, če se napajajo z enakomerno hitrostjo pretoka in gostoto celuloze in se uporabljajo posamično ali v skupinah za doseganje želenih skupnih zmogljivosti pri zahtevanih razdelitvah. Zmogljivosti dimenzioniranja so odvisne od centrifugalnih sil, ki jih ustvarjajo visoke tangencialne hitrosti toka skozi enoto. Primarni vrtinec, ki ga tvori vstopna gnojevka, deluje spiralno navzdol okoli notranje stene stožca. Trdne snovi se zaradi centrifugalne sile vržejo navzven, tako da se gostota celuloze, ko se premika navzdol, poveča. Navpične komponente hitrosti delujejo navzdol blizu sten stožca in navzgor blizu osi. Manj gosta, centrifugalno ločena frakcija sluzi je potisnjena navzgor skozi iskalo vrtinca, da gre ven skozi odprtino na zgornjem koncu stožca. Vmesno območje ali ovojnica med obema tokovoma ima navpično hitrost nič in ločuje grobe trdne snovi, ki se premikajo navzdol, od finih trdnih snovi, ki se premikajo navzgor. Večji del toka poteka navzgor znotraj manjšega notranjega vrtinca in večje centrifugalne sile vržejo večje od drobnih delcev navzven, kar zagotavlja učinkovitejše ločevanje pri finejših velikostih. Ti delci se vrnejo v zunanji vrtinec in se ponovno prijavijo dovajalcu vtičnice.

Geometrija in delovni pogoji v vzorcu spiralnega toka tipičnegahidrociklonso opisani na sliki 8.13. Delovne spremenljivke so gostota celuloze, hitrost dovodnega toka, značilnosti trdnih snovi, vstopni tlak dovoda in padec tlaka skozi ciklon. Ciklonske spremenljivke so območje dovodne odprtine, premer in dolžina iskalnika vrtinca ter premer izpusta cevi. Na vrednost koeficienta upora vpliva tudi oblika; bolj ko delec odstopa od sferičnosti, manjši je njegov faktor oblike in večji je njegov upor pri usedanju. Območje kritičnega stresa se lahko razširi na nekatere delce zlata, velike do 200 mm, zato je skrbno spremljanje postopka razvrščanja bistveno za zmanjšanje prekomernega recikliranja in posledično kopičenja sluzi. V zgodovini, ko je bilo le malo pozornosti namenjene izterjavi 150μm zlatih zrn, se zdi, da je bil prenos zlata v frakcijah sluzi v veliki meri odgovoren za izgube zlata, ki so bile zabeležene do 40–60 % v številnih operacijah nasipanja zlata.

Slika 8.14 (Warmanova izbirna tabela) je predhodni izbor ciklonov za ločevanje pri različnih velikostih D50 od 9–18 mikronov do 33–76 mikronov. Ta grafikon, tako kot drugi takšni grafikoni učinkovitosti ciklonov, temelji na skrbno nadzorovanem dovajanju določene vrste. Kot prvo vodilo pri izbiri predpostavlja vsebnost trdnih delcev 2700 kg/m3 v vodi. Cikloni z večjim premerom se uporabljajo za proizvodnjo grobega ločevanja, vendar za pravilno delovanje zahtevajo velike količine dovoda. Fino ločevanje pri velikih količinah dovoda zahteva skupine ciklonov majhnega premera, ki delujejo vzporedno. Končne konstrukcijske parametre za majhno dimenzioniranje je treba določiti eksperimentalno in pomembno je, da izberete ciklon okoli sredine območja, tako da se morebitne manjše prilagoditve lahko izvedejo na začetku delovanja.

Za ciklon CBC (cirkulirajoča postelja) se trdi, da razvršča aluvialne dovodne materiale zlata s premerom do 5 mm in dosega dosledno visoko dovodno dovajanje iz spodnjega toka. Ločitev poteka pri približnoD50/150 mikronov na osnovi silicijevega dioksida z gostoto 2,65. Spodnji tok ciklona CBC naj bi bil še posebej primeren za ločevanje z vbodom zaradi svoje razmeroma gladke krivulje porazdelitve velikosti in skoraj popolne odstranitve drobnih odpadnih delcev. Čeprav naj bi ta sistem proizvedel visokokakovosten primarni koncentrat enakovrednih težkih mineralov v enem prehodu iz dovoda z razmeroma dolgim razponom velikosti (npr. mineralni pesek), takšnih podatkov o učinkovitosti ni na voljo za aluvialni dovodni material, ki vsebuje fino in kosmičasto zlato . Tabela 8.5 podaja tehnične podatke za AKWhidrocikloniza mejne točke med 30 in 100 mikroni.

Tabela 8.5. Tehnični podatki za hidrociklone AKW

Tip (KRS)	Premer (mm)	Padec tlaka	Zmogljivost		Rezalna točka (mikroni)
Tip (KRS)	Premer (mm)	Padec tlaka	Gnojnica (m3/uro)	Trdne snovi (t/h max).	Rezalna točka (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 drobljenja in razvrščanja železove rude

A. Jankovič, v Železova ruda, 2015

8.3.3.1 Hidrociklonski separatorji

Hidrociklon, imenovan tudi ciklon, je naprava za razvrščanje, ki uporablja centrifugalno silo za pospešitev hitrosti usedanja delcev gnojevke in ločevanje delcev glede na velikost, obliko in specifično težo. Široko se uporablja v industriji mineralov, njegova glavna uporaba pri predelavi mineralov pa je kot klasifikator, ki se je izkazal za izjemno učinkovitega pri finih velikostih ločevanja. Obširno se uporablja pri brušenju v zaprtem krogu, vendar je našel številne druge uporabe, kot so odstranjevanje sluzi, odstranjevanje peska in zgoščevanje.

Tipičen hidrociklon (slika 8.12a) je sestavljen iz stožčaste posode, odprte na vrhu ali spodnjega toka, povezanega z valjastim odsekom, ki ima tangencialni dovod. Zgornji del cilindričnega dela je zaprt s ploščo, skozi katero poteka aksialno nameščena prelivna cev. Cev je podaljšana v telo ciklona s kratkim, odstranljivim odsekom, znanim kot iskalnik vrtincev, ki preprečuje kratek stik dovoda neposredno v preliv. Krma se uvaja pod pritiskom skozi tangencialni vhod, ki daje celulozi vrtinčno gibanje. To ustvari vrtinec v ciklonu z nizkotlačnim območjem 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, vendar delno nastane zaradi raztopljenega zraka, ki prihaja iz raztopine v območju nizkega tlaka. Centrifugalna sila pospeši hitrost usedanja delcev in tako ločuje delce glede na velikost, obliko in specifično težo. Delci, ki se hitreje usedajo, se premaknejo na steno ciklona, kjer je hitrost najmanjša, in migrirajo do odprtine vrha (spodnji tok). Delci, ki se počasneje usedajo, se zaradi delovanja vlečne sile premikajo proti območju nizkega tlaka vzdolž osi in jih odnašajo navzgor skozi iskalnik vrtincev do preliva.

Hidrocikloni se skoraj povsod uporabljajo v brusilnih krogih zaradi svoje visoke zmogljivosti in relativne učinkovitosti. Razvrščajo lahko tudi v zelo širok razpon velikosti delcev (običajno 5–500 μm), pri čemer se za natančnejše razvrščanje uporabljajo enote z manjšim premerom. Vendar pa lahko uporaba ciklona v krogotokih za mletje magnetita povzroči neučinkovito delovanje zaradi razlike v gostoti med magnetitom in odpadnimi minerali (silicijev dioksid). Magnetit ima specifično gostoto približno 5,15, medtem ko ima silicijev dioksid specifično gostoto približno 2,7. noterhidrocikloni, se gosti minerali ločijo na drobnejši rez kot lažji minerali. Zato se sproščeni magnetit koncentrira v spodnjem toku ciklona, s posledičnim prekomernim mletjem magnetita. Napier-Munn et al. (2005) ugotavljajo, da je razmerje med popravljeno velikostjo reza (d50c) in gostota delcev sledi izrazu naslednje oblike, odvisno od pogojev toka in drugih dejavnikov:

d50c∝ρs−ρl−n

kjerρs je gostota trdne snovi,ρl je gostota tekočine innje med 0,5 in 1,0. To pomeni, da je lahko učinek mineralne gostote na delovanje ciklona zelo pomemben. Na primer, če jed50c magnetita je 25 μm, potem jed50c delcev silicijevega dioksida bo 40–65 μm. Slika 8.13 prikazuje krivulje učinkovitosti ciklonske klasifikacije za magnetit (Fe3O4) in silicijev dioksid (SiO2), pridobljene s pregledom krogotoka za mletje magnetita v industrijskem krogličnem mlinu. Ločevanje po velikosti za silicijev dioksid je veliko bolj grobo, z ad50c 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 baznih kovin.

Visokotlačna procesna tehnologija: osnove in aplikacije

MJ Cocero PhD, v Industrial Chemistry Library, 2001

Naprave za ločevanje trdnih snovi

•

Hidrociklon

To je ena najpreprostejših vrst separatorjev trdnih snovi. Je visoko učinkovita naprava za ločevanje in se lahko uporablja za učinkovito odstranjevanje trdnih delcev pri visokih temperaturah in tlakih. Je ekonomičen, ker nima gibljivih delov in zahteva malo vzdrževanja.

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

Glavna pomanjkljivost delovanja hidrociklona je nagnjenost nekaterih soli, da se oprimejo sten ciklona.

•

Navzkrižna mikrofiltracija

Filtri s prečnim tokom se obnašajo podobno kot običajno pri filtraciji s prečnim tokom v okoljskih pogojih: povečane strižne hitrosti in zmanjšana viskoznost tekočine povzročijo povečano število filtratov. Navzkrižna mikrofiltracija je bila uporabljena za ločevanje oborjenih soli kot trdnih snovi, kar daje učinkovitosti ločevanja delcev, ki običajno presegajo 99,9 %. Goemanset al.[30] so preučevali ločevanje natrijevega nitrata iz superkritične vode. V pogojih študije je bil natrijev nitrat prisoten kot staljena sol in je lahko prestopil filter. Dobljene so bile učinkovitosti ločevanja, ki so se spreminjale s temperaturo, saj se topnost zmanjšuje z zvišanjem temperature in se giblje med 40 % in 85 % za 400 °C oziroma 470 °C. Ti delavci so razložili mehanizem ločevanja kot posledico izrazite prepustnosti filtrirnega medija proti superkritični raztopini, v nasprotju s staljeno soljo, na podlagi njihovih jasno razločnih viskoznosti. Zato bi bilo mogoče ne le filtrirati oborjene soli zgolj kot trdne snovi, ampak tudi filtrirati tiste soli z nizkim tališčem, ki so v staljenem stanju.

Težave pri delovanju so bile predvsem posledica korozije filtra zaradi soli.

Papir: recikliranje in reciklirani materiali

MR Doshi, JM Dyer, v referenčnem modulu znanosti o materialih in inženirstvu materialov, 2016

3.3 Čiščenje

Čistila ozhidrocikloniodstranitev kontaminantov iz celuloze na podlagi razlike v gostoti med kontaminantom in vodo. Te naprave so sestavljene iz stožčaste ali cilindrično-konične tlačne posode, v katero se pulpa dovaja tangencialno na koncu velikega premera (slika 6). Med prehodom skozi čistilnik celuloza razvije vrtinčni vzorec toka, podoben ciklonskemu. Tok se vrti okoli osrednje osi, ko poteka stran od dovoda in proti vrhu ali spodnji odprtini vzdolž notranje stene čistilnika. Hitrost rotacijskega toka se pospešuje, ko se premer stožca zmanjšuje. Blizu vrha odprtina majhnega premera preprečuje izpust večine toka, ki se namesto tega vrti v notranjem vrtincu v jedru čistilnika. Tok v notranjem jedru teče stran od vrhnje odprtine, dokler se ne izprazni skozi iskalo vrtinca, ki se nahaja na koncu velikega premera v sredini čistilnika. Material z večjo gostoto, ki je bil zaradi centrifugalne sile koncentriran na steni čistilnika, se izprazni na vrhu stožca (Bliss, 1994, 1997).

Čistila so razvrščena kot visoka, srednja ali nizka gostota, odvisno od gostote in velikosti onesnaževalcev, ki jih odstranimo. Čistilo visoke gostote s premerom od 15 do 50 cm (6–20 palcev) se uporablja za odstranjevanje odpadnega kovinskega materiala, sponk za papir in sponk in se običajno namesti takoj za razpršilcem. Ko se premer čistilnika zmanjša, se njegova učinkovitost pri odstranjevanju majhnih onesnaževalcev poveča. Iz praktičnih in ekonomskih razlogov je ciklon s premerom 75 mm (3 in) na splošno najmanjši čistilec, ki se uporablja v papirni industriji.

Vzvratna čistila in pretočna čistila so zasnovana za odstranjevanje kontaminantov z nizko gostoto, kot so vosek, polistiren in lepljive snovi. Povratni čistilniki so tako imenovani, ker se sprejemni tok zbira na vrhu čistilnika, medtem ko zavrnjeni izstopijo na prelivu. Pri pretočnem čistilniku sprejemni in zavrnjeni izhod izstopata na istem koncu čistilnika, pri čemer je sprejemni del blizu stene čistilnika ločen od zavržnega dela z osrednjo cevjo blizu jedra čistilnika, kot je prikazano na sliki 7.

Kontinuirane centrifuge, ki so se uporabljale v dvajsetih in tridesetih letih 20. stoletja za odstranjevanje peska iz celuloze, so bile opuščene po razvoju hidrociklonov. Gyroclean, razvit v Center Technique du Papier, Grenoble, Francija, je sestavljen iz cilindra, ki se vrti s 1200–1500 obrati na minuto (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). Kombinacija razmeroma dolgega zadrževalnega časa in visoke centrifugalne sile omogoča onesnaževalom z nizko gostoto dovolj časa, da migrirajo v jedro čistilnika, kjer se zavrnejo skozi osrednji vrtinčni izpust.

MT Thew, v Encyclopedia of Separation Science, 2000

Sinopsis

Čeprav trdno-tekočehidrociklonje bilo vzpostavljeno večji del 20. stoletja, zadovoljivo delovanje ločevanja med tekočinami ni bilo doseženo do osemdesetih let prejšnjega stoletja. Naftna industrija na morju je potrebovala kompaktno, robustno in zanesljivo opremo za odstranjevanje fino razpršenega onesnaževalnega olja 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 med trdno in tekočo snovjo pri predelavi mineralov so podane prednosti, ki jih je hidrociklon podelil pred vrstami opreme, nameščene prej za izpolnjevanje dolžnosti.

Merila za ocenjevanje učinkovitosti ločevanja so navedena pred razpravo o učinkovitosti v smislu sestave krme, nadzora operaterja in potrebne energije, tj. zmnožek padca tlaka in pretoka.

Okolje za proizvodnjo nafte postavlja nekatere omejitve za materiale, kar vključuje problem erozije delcev. Omenjeni so tipični uporabljeni materiali. Podatki o relativnih stroških za vrste obratov za ločevanje olja, kapitalskih in ponavljajočih se, so navedeni, čeprav so viri redki. Na koncu so opisani nekateri napotki za nadaljnji razvoj, saj se naftna industrija ozira k opremi, nameščeni na morskem dnu ali celo na dnu vrtine.

Vzorčenje, nadzor in masno uravnoteženje

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

3.7.1 Uporaba velikosti delcev

Številne enote, kot nprhidrocikloniin gravitacijski separatorji, proizvajajo določeno stopnjo ločevanja po velikosti in podatke o velikosti delcev je mogoče uporabiti za masno uravnoteženje (primer 3.15).

Primer 3.15 je primer minimiziranja neravnovesja vozlišča; zagotavlja na primer začetno vrednost za posplošeno minimizacijo najmanjših kvadratov. Ta grafični pristop je mogoče uporabiti, kadar koli je "odveč" komponenta podatkov; v primeru 3.9 bi ga lahko uporabili.

Primer 3.15 uporablja ciklon kot vozlišče. Drugo vozlišče je zbiralnik: to je primer 2 vhodov (svež dovod in praznjenje krogličnega mlina) in enega izhoda (dovod ciklona). To daje drugo masno bilanco (primer 3.16).

V 9. poglavju se vrnemo k temu primeru brusilnega kroga z uporabo prilagojenih podatkov za določitev ciklonske porazdelitvene krivulje.

Čas objave: maj-07-2019