Hydrocykloner

Beskrivning

Hydrocyklonerär kono-cylindriska till formen, med ett tangentiellt matningsinlopp in i den cylindriska sektionen och ett utlopp vid varje axel. Utloppet vid den cylindriska sektionen kallas virvelsökaren och sträcker sig in i cyklonen för att minska kortslutningsflödet direkt från inloppet. Vid den koniska änden finns det andra utloppet, tappen. För storleksseparering är båda utloppen i allmänhet öppna mot atmosfären. Hydrocykloner drivs vanligtvis vertikalt med tappen i den nedre änden, därför kallas den grova produkten underflödet och den fina produkten, vilket lämnar virvelsökaren, brädden. Figur 1 visar schematiskt de huvudsakliga flödes- och designegenskaperna för en typiskhydrocyklon: de två virvlarna, det tangentiella matningsinloppet och de axiella utloppen. Förutom det omedelbara området för det tangentiella inloppet har vätskerörelsen i cyklonen radiell symmetri. Om ett eller båda utloppen är öppna mot atmosfären, orsakar en lågtryckszon en gaskärna längs den vertikala axeln, inuti den inre virveln.

Funktionsprincipen är enkel: vätskan, som bär de suspenderade partiklarna, kommer in i cyklonen tangentiellt, spiralerar nedåt och producerar ett centrifugalfält i fritt virvelflöde. Större partiklar rör sig genom vätskan till utsidan av cyklonen i en spiralrörelse och går ut genom tappen med en bråkdel av vätskan. På grund av tappens begränsande yta bildas en inre virvel, som roterar i samma riktning som den yttre virveln men flyter uppåt, och lämnar cyklonen genom virvelsökaren och bär med sig det mesta av vätskan och finare partiklar. Om tappens kapacitet överskrids stängs luftkärnan av och tapputloppet ändras från en paraplyformad spray till ett "rep" och en förlust av grovt material till brädden.

Diametern på den cylindriska sektionen är den huvudsakliga variabeln som påverkar storleken på partikeln som kan separeras, även om utloppsdiametrarna kan ändras oberoende för att ändra den uppnådda separationen. Medan tidiga arbetare experimenterade med cykloner så små som 5 mm i diameter, sträcker sig kommersiella hydrocyklondiametrar för närvarande från 10 mm till 2,5 m, med separationsstorlekar för partiklar med densitet 2700 kg m−3 på 1,5–300 μm, som minskar med ökad partikeldensitet. Drifttryckfallet sträcker sig från 10 bar för små diametrar till 0,5 bar för stora enheter. För att öka kapaciteten, flera småhydrocyklonerkan fördelas från en enda matningsledning.

Även om funktionsprincipen är enkel, är många aspekter av deras funktion fortfarande dåligt förstådda, och hydrocyklonval och förutsägelse för industriell drift är till stor del empiriska.

Klassificering

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., i Wills' Mineral Processing Technology (åttonde upplagan), 2016

9.4.3 Hydrocykloner kontra skärmar

Hydrocykloner har kommit att dominera klassificeringen när det gäller fina partikelstorlekar i slutna slipkretsar (<200 µm). Den senaste tidens utveckling inom silteknologin (kapitel 8) har dock förnyat intresset för att använda silar i slipkretsar. Skärmar separeras beroende på storlek och påverkas inte direkt av densiteten som sprids i fodermineralerna. Detta kan vara en fördel. Skärmar har inte heller en bypassfraktion och som exempel 9.2 har visat kan bypass vara ganska stort (över 30 % i så fall). Figur 9.8 visar ett exempel på skillnaden i delningskurva för cykloner och skärmar. Data är från El Brocal-koncentratorn i Peru med utvärderingar före och efter att hydrocyklonerna ersattes med en Derrick Stack Sizer® (se kapitel 8) i malningskretsen (Dündar et al., 2014). I enlighet med förväntningarna, jämfört med cyklonen, hade skärmen en skarpare separation (kurvans lutning är högre) och lite förbifart. En ökning av slipkretsens kapacitet rapporterades på grund av högre brottfrekvenser efter implementering av silen. Detta tillskrevs elimineringen av bypass, vilket minskade mängden fint material som skickas tillbaka till kvarnarna, vilket tenderar att dämpa partikel-partikelstötar.

Byte är dock inte ett sätt: ett färskt exempel är en övergång från skärm till cyklon, för att dra fördel av den ytterligare storleksminskningen av de tätare betalmineralerna (Sasseville, 2015).

Metallurgisk process och design

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

Hydrocykloner

Hydrocykloner är föredragna enheter för att dimensionera eller avsmalna stora slamvolymer billigt och eftersom de upptar mycket lite golvyta eller höjd. De fungerar mest effektivt när de matas med en jämn flödeshastighet och massadensitet och används individuellt eller i kluster för att erhålla önskad total kapacitet vid erforderliga delar. Dimensioneringsförmågan är beroende av centrifugalkrafter som genereras av höga tangentiella flödeshastigheter genom enheten. Den primära virveln som bildas av den inkommande slurryn verkar spiralformigt nedåt runt den inre konväggen. Fasta ämnen slungas utåt med centrifugalkraft så att när massan rör sig nedåt ökar dess densitet. Vertikala komponenter av hastigheten verkar nedåt nära konens väggar och uppåt nära axeln. Den mindre täta centrifugalt separerade slemfraktionen tvingas uppåt genom virvelsökaren för att passera ut genom öppningen i den övre änden av könen. En mellanzon eller envelopp mellan de två flödena har noll vertikal hastighet och skiljer de grövre fasta partiklarna som rör sig nedåt från de finare fasta partiklarna som rör sig uppåt. Huvuddelen av flödet passerar uppåt inom den mindre inre virveln och högre centrifugalkrafter kastar de större av de finare partiklarna utåt vilket ger en effektivare separation i de finare storlekarna. Dessa partiklar återvänder till den yttre virveln och rapporterar ännu en gång till jiggmatningen.

Geometrin och driftsförhållandena inom spiralflödesmönstret för en typiskhydrocyklonbeskrivs i fig. 8.13. Driftsvariabler är massadensitet, matningsflödeshastighet, fasta ämnens egenskaper, matningsinloppstryck och tryckfall genom cyklonen. Cyklonvariabler är arean av matningsinloppet, virvelsökarens diameter och längd, och tapputloppets diameter. Värdet på luftmotståndskoefficienten påverkas också av formen; ju mer en partikel varierar från sfäricitet desto mindre är dess formfaktor och desto större motståndskraft mot sedimentering. Den kritiska spänningszonen kan sträcka sig till vissa guldpartiklar så stora som 200 mm i storlek och noggrann övervakning av klassificeringsprocessen är därför väsentlig för att minska överdriven återvinning och den resulterande uppbyggnaden av slem. Historiskt sett, när lite uppmärksamhet ägnades åt återhämtningen av 150μm guldkorn verkar överföring av guld i slemfraktionerna till stor del ha varit ansvarig för guldförluster som registrerades vara så höga som 40–60 % i många guldplaceringsoperationer.

Figur 8.14 (Warman Selection Chart) är ett preliminärt urval av cykloner för separering vid olika D50-storlekar från 9–18 mikron upp till 33–76 mikron. Detta diagram, liksom med andra sådana diagram över cyklonprestanda, är baserat på en noggrant kontrollerad matning av en specifik typ. Den förutsätter en torrhalt på 2 700 kg/m3 i vatten som en första vägledning för valet. Cyklonerna med större diameter används för att producera grova separationer men kräver höga matningsvolymer för korrekt funktion. Fina separationer vid höga matningsvolymer kräver kluster av cykloner med liten diameter som arbetar parallellt. De slutliga designparametrarna för nära dimensionering måste bestämmas experimentellt, och det är viktigt att välja en cyklon runt mitten av intervallet så att eventuella mindre justeringar som kan behövas kan göras i början av verksamheten.

CBC-cyklonen (cirkulerande bädd) påstås klassificera alluvialt guldmatningsmaterial upp till 5 mm i diameter och erhålla en konsekvent hög jiggmatning från underflödet. Separation sker ca klD50/150 mikron baserat på kiseldioxid med densitet 2,65. CBC-cyklonunderflödet påstås vara särskilt mottagligt för jiggseparering på grund av dess relativt jämna storleksfördelningskurva och nästan fullständiga avlägsnande av fina avfallspartiklar. Men även om detta system påstås producera ett högkvalitativt primärkoncentrat av lika tunga mineraler i en gång från ett foder med relativt lång storlek (t.ex. mineralsand), finns inga sådana prestandasiffror tillgängliga för alluvialt fodermaterial som innehåller fint och flagigt guld . Tabell 8.5 ger tekniska data för AKWhydrocyklonerför brytpunkter mellan 30 och 100 mikron.

Tabell 8.5. Tekniska data för AKW hydrocykloner

Typ (KRS)	Diameter (mm)	Tryckfall	Kapacitet		Skärpunkt (mikron)
Typ (KRS)	Diameter (mm)	Tryckfall	Gödsel (m3/h)	Fasta ämnen (t/h max).	Skärpunkt (mikron)
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

Utveckling inom järnmalmsfördelning och klassificeringsteknik

A. Jankovic, i Iron Ore, 2015

8.3.3.1 Hydrocyklonseparatorer

Hydrocyklonen, även kallad cyklon, är en klassificeringsanordning som använder centrifugalkraft för att accelerera sedimenteringshastigheten för slurrypartiklar och separata partiklar enligt storlek, form och specifik vikt. Det används i stor utsträckning inom mineralindustrin, med dess huvudsakliga användning i mineralbearbetning som klassificerare, vilket har visat sig extremt effektivt vid fina separationsstorlekar. Det används flitigt i slutna kretsslipningsoperationer men har hittat många andra användningsområden, såsom avsmalning, avslibning och förtjockning.

En typisk hydrocyklon (Figur 8.12a) består av ett koniskt format kärl, öppet vid sin spets, eller underflöde, förbundet med en cylindrisk sektion, som har ett tangentiellt matningsinlopp. Toppen av den cylindriska sektionen är stängd med en platta genom vilken ett axiellt monterat bräddrör passerar. Röret förlängs in i cyklonkroppen med en kort, borttagbar sektion som kallas virvelsökaren, som förhindrar kortslutning av foder direkt in i bräddavloppet. Matningen införs under tryck genom den tangentiella ingången, vilket ger en virvlande rörelse till massan. Detta genererar en virvel i cyklonen, med en lågtryckszon längs den vertikala axeln, som visas i figur 8.12b. En luftkärna utvecklas längs axeln, normalt kopplad till atmosfären genom spetsöppningen, men delvis skapad av löst luft som kommer ut ur lösningen i zonen med lågt tryck. Centrifugalkraften accelererar sedimenteringshastigheten för partiklarna, och separerar därigenom partiklar efter storlek, form och specifik vikt. Snabbare sedimenterande partiklar rör sig till cyklonens vägg, där hastigheten är lägst, och migrerar till spetsöppningen (underflödet). På grund av verkan av dragkraften rör sig de långsammare sedimenterande partiklarna mot zonen med lågt tryck längs axeln och förs uppåt genom virvelsökaren till bräddavloppet.

Hydrocykloner används nästan universellt i slipkretsar på grund av deras höga kapacitet och relativa effektivitet. De kan också klassificeras över ett mycket brett spektrum av partikelstorlekar (typiskt 5–500 μm), varvid enheter med mindre diameter används för finare klassificering. Emellertid kan cyklonapplicering i magnetitmalningskretsar orsaka ineffektiv drift på grund av densitetsskillnaden mellan magnetit och avfallsmineraler (kiseldioxid). Magnetit har en specifik densitet på cirka 5,15, medan kiseldioxid har en specifik densitet på cirka 2,7. Ihydrocykloner, täta mineraler separeras vid en finare skärstorlek än lättare mineraler. Därför koncentreras frigjord magnetit i cyklonens underflöde, med åtföljande överslipning av magnetiten. Napier-Munn et al. (2005) noterade att förhållandet mellan den korrigerade snittstorleken (d50c) och partikeldensitet följer ett uttryck av följande form beroende på flödesförhållanden och andra faktorer:

d50c∝ρs−ρl−n

därρs är densiteten för fasta ämnen,ρl är vätskedensiteten, ochnär mellan 0,5 och 1,0. Detta innebär att effekten av mineraltäthet på cyklonprestanda kan vara ganska betydande. Till exempel, omd50c av magnetiten är 25 μm, sedand50c kiseldioxidpartiklar blir 40–65 μm. Figur 8.13 visar cyklonklassificeringens effektivitetskurvor för magnetit (Fe3O4) och kiseldioxid (SiO2) erhållna från undersökningen av en magnetitmalningskrets för en industriell kulkvarn. Storleksseparationen för kiseldioxid är mycket grövre, med end50c för Fe3O4 på 29 μm, medan det för SiO2 är 68 μm. På grund av detta fenomen är magnetitmalningsverken i slutna kretsar med hydrocykloner mindre effektiva och har lägre kapacitet jämfört med andra malningskretsar för basmetallor.

Högtrycksprocessteknik: grunder och tillämpningar

MJ Cocero PhD, i Industrial Chemistry Library, 2001

Anordningar för separering av fasta ämnen

•

Hydrocyklon

Detta är en av de enklaste typerna av separatorer för fasta ämnen. Det är en högeffektiv separationsanordning och kan användas för att effektivt avlägsna fasta ämnen vid höga temperaturer och tryck. Den är ekonomisk eftersom den inte har några rörliga delar och kräver lite underhåll.

Separationseffektiviteten för fasta ämnen är en stark funktion av partikelstorleken och temperaturen. Bruttoseparationseffektivitet nära 80 % kan uppnås för kiseldioxid och temperaturer över 300°C, medan i samma temperaturområde är bruttoseparationseffektiviteten för tätare zirkonpartiklar större än 99 % [29].

Den huvudsakliga nackdelen med hydrocyklondrift är tendensen hos vissa salter att fästa vid cyklonens väggar.

•

Korsmikrofiltrering

Korsflödesfilter beter sig på ett sätt som liknar det som normalt observeras vid korsflödesfiltrering under omgivande förhållanden: ökade skjuvhastigheter och minskad vätskeviskositet resulterar i ett ökat filtratantal. Korsmikrofiltrering har tillämpats på separationen av utfällda salter som fasta ämnen, vilket ger partikelseparationseffektiviteter som vanligtvis överstiger 99,9 %. Goemanset al.[30] studerade natriumnitratseparation från superkritiskt vatten. Under studiens betingelser var natriumnitrat närvarande som det smälta saltet och kunde passera filtret. Separationseffektiviteter erhölls som varierade med temperaturen, eftersom lösligheten minskar när temperaturen ökar, varierande mellan 40% och 85%, för 400°C respektive 470°C. Dessa arbetare förklarade separationsmekanismen som en konsekvens av en distinkt permeabilitet hos filtreringsmediet mot den superkritiska lösningen, i motsats till det smälta saltet, baserat på deras klart distinkta viskositeter. Därför skulle det vara möjligt att inte bara filtrera utfällda salter enbart som fasta ämnen utan också att filtrera de lågsmältande salter som är i smält tillstånd.

Driftsproblemen berodde främst på filterkorrosion av salterna.

Papper: Återvinning och återvunnet material

MR Doshi, JM Dyer, i referensmodul i materialvetenskap och materialteknik, 2016

3.3 Rengöring

Städare ellerhydrocyklonerta bort föroreningar från massan baserat på densitetsskillnaden mellan föroreningen och vattnet. Dessa anordningar består av ett koniskt eller cylindriskt-koniskt tryckkärl i vilket massa matas tangentiellt vid änden med stor diameter (Figur 6). Under passagen genom rengöringen utvecklar massan ett virvelflödesmönster, liknande det för en cyklon. Flödet roterar runt den centrala axeln när det passerar bort från inloppet och mot spetsen, eller underflödesöppningen, längs insidan av rengöringsväggen. Rotationsflödeshastigheten accelererar när diametern på könen minskar. Nära spetsänden förhindrar öppningen med liten diameter att det mesta av flödet töms ut, som istället roterar i en inre virvel vid rengöringens kärna. Flödet vid den inre kärnan flyter bort från spetsöppningen tills det rinner ut genom virvelsökaren, placerad vid änden med stor diameter i mitten av renaren. Materialet med högre densitet, som har koncentrerats till väggen på rengöringsmaskinen på grund av centrifugalkraften, släpps ut vid spetsen av konen (Bliss, 1994, 1997).

Rengöringsmedel klassificeras som hög, medium eller låg densitet beroende på densiteten och storleken på de föroreningar som tas bort. Ett rengöringsmedel med hög densitet, med en diameter från 15 till 50 cm (6–20 tum) används för att ta bort trampmetall, gem och häftklamrar och placeras vanligtvis omedelbart efter uppslagsmaskinen. När den renare diametern minskar, ökar dess effektivitet när det gäller att avlägsna små föroreningar. Av praktiska och ekonomiska skäl är cyklonen med en diameter på 75 mm (3 tum) i allmänhet det minsta rengöringsmedel som används inom pappersindustrin.

Omvända rengöringsmedel och genomströmningsrengörare är utformade för att ta bort föroreningar med låg densitet som vax, polystyren och klibbiga material. Omvända rengöringsmedel heter så eftersom acceptströmmen samlas upp vid renare spetsen medan rejektet kommer ut vid bräddavloppet. I genomströmningsrenaren, accepterar och avvisar utgången i samma ände av städaren, med mottagningar nära städarväggen separerade från rejekten av ett centralt rör nära städarens kärna, som visas i figur 7.

Kontinuerliga centrifuger som användes på 1920- och 1930-talen för att avlägsna sand från massa avbröts efter utvecklingen av hydrocykloner. Gyroclean, utvecklad vid Centre Technique du Papier, Grenoble, Frankrike, består av en cylinder som roterar med 1200–1500 rpm (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). Kombinationen av relativt lång uppehållstid och hög centrifugalkraft tillåter föroreningar med låg densitet tillräckligt med tid för att migrera till kärnan av rengöringsmaskinen där de kasseras genom den centrala virvelutsläppet.

MT Thew, i Encyclopedia of Separation Science, 2000

Synopsis

Fast det fasta – flytandehydrocyklonhar etablerats under större delen av 1900-talet, tillfredsställande vätske-vätskeseparationsprestanda kom inte fram förrän på 1980-talet. Oljeindustrin till havs hade ett behov av kompakt, robust och pålitlig utrustning för att ta bort finfördelad förorenande olja från vatten. Detta behov tillfredsställdes av en väsentligt annan typ av hydrocyklon, som naturligtvis inte hade några rörliga delar.

Efter att ha förklarat detta behov mer fullständigt och jämfört det med cyklonseparation mellan fast och vätska vid mineralbearbetning, ges fördelarna som hydrocyklonen gav jämfört med typer av utrustning som installerats tidigare för att uppfylla tullen.

Kriterier för bedömning av separationsprestanda listas innan prestandan diskuteras i termer av fodersammansättning, operatörskontroll och den energi som krävs, dvs produkten av tryckfall och flödeshastighet.

Miljön för petroleumproduktion sätter vissa begränsningar för material och detta inkluderar problemet med partikelerosion. Typiska material som används nämns. Relativa kostnadsdata för typer av oljesepareringsanläggningar, både kapital och återkommande, beskrivs, även om källorna är sparsamma. Slutligen beskrivs några indikationer på vidare utveckling, eftersom oljeindustrin ser till utrustning installerad på havsbotten eller till och med på botten av borrhålet.

Provtagning, kontroll och massbalansering

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., i Wills' Mineral Processing Technology (åttonde upplagan), 2016

3.7.1 Användning av partikelstorlek

Många enheter, som t.exhydrocykloneroch gravitationsseparatorer, producerar en grad av storleksseparation och partikelstorleksdata kan användas för massbalansering (exempel 3.15).

Exempel 3.15 är ett exempel på minimering av nodobalans; den tillhandahåller till exempel det initiala värdet för den generaliserade minsta kvadrat-minimeringen. Detta grafiska tillvägagångssätt kan användas när det finns "överskott" av komponentdata; i exempel 3.9 kunde den ha använts.

Exempel 3.15 använder cyklonen som nod. En andra nod är sumpen: detta är ett exempel på 2 ingångar (färskt foder och kulkvarnsutsläpp) och en utgång (cyklonmatning). Detta ger ytterligare en massbalans (Exempel 3.16).

I kapitel 9 återvänder vi till detta malningskretsexempel med hjälp av justerade data för att bestämma cyklonpartitionskurvan.

Posttid: maj-07-2019