Гідроциклони

Опис

Гідроциклонимають конусно-циліндричну форму з тангенціальним вхідним отвором для подачі в циліндричну секцію та вихідним отвором на кожній осі. Вихідний отвір на циліндричній секції називається вихровим детектором і продовжується в циклон, зменшуючи потік короткого замикання безпосередньо з вхідного отвору. На конічному кінці знаходиться другий вихідний отвір - патрубок. Для розділення за розміром обидва вихідні отвори зазвичай відкриті в атмосферу. Гідроциклони зазвичай працюють вертикально з патрубком на нижньому кінці, тому грубий продукт називається нижнім потоком, а дрібний продукт, що виходить з вихрового детектора, - переливом. На рисунку 1 схематично показано основні особливості потоку та конструкції типовогогідроциклон: два вихори, тангенціальний вхід подачі та осьові виходи. За винятком безпосередньої області тангенціального входу, рух рідини в циклоні має радіальну симетрію. Якщо один або обидва виходи відкриті в атмосферу, зона низького тиску створює газове ядро вздовж вертикальної осі, всередині внутрішнього вихору.

Принцип дії простий: рідина, що несучи зважені частинки, потрапляє в циклон тангенціально, спірально рухається вниз і створює відцентрове поле у вільному вихровому потоці. Більші частинки рухаються крізь рідину назовні циклону по спіралі та виходять через патрубок з часткою рідини. Через обмежену площу патрубка утворюється внутрішній вихор, що обертається в тому ж напрямку, що й зовнішній вихор, але рухається вгору, і залишає циклон через вихровий фільтр, несучи з собою більшу частину рідини та дрібніші частинки. Якщо місткість патрубка перевищена, повітряний каркас перекривається, і розпилення через патрубок змінюється з парасолькоподібного розпилення на «мотузку» та втрату грубого матеріалу у перелив.

Діаметр циліндричної секції є основною змінною, що впливає на розмір частинок, які можна розділити, хоча діаметри вихідних отворів можна змінювати незалежно, щоб змінити досягнутий рівень розділення. У той час як ранні дослідники експериментували з циклонами діаметром до 5 мм, діаметр комерційних гідроциклонів наразі коливається від 10 мм до 2,5 м, з розмірами розділення для частинок щільністю 2700 кг/м⁻³ від 1,5 до 300 мкм, зменшуючи їх зі збільшенням щільності частинок. Перепад робочого тиску коливається від 10 бар для малих діаметрів до 0,5 бар для великих агрегатів. Щоб збільшити продуктивність, можна встановити кілька малихгідроциклониможе бути підключений до колектора з однієї живильної лінії.

Хоча принцип роботи простий, багато аспектів їхньої роботи досі погано вивчені, а вибір і прогнозування гідроциклонів для промислової експлуатації значною мірою є емпіричними.

Класифікація

Баррі А. Віллс, Джеймс А. Фінч, член Королівського коледжу гірничодобувних наук, член Королівського коледжу гірничодобувних наук, доктор інженерних наук, у книзі «Технологія переробки корисних копалин» Віллса (восьме видання), 2016

9.4.3 Гідроциклони проти решіт

Гідроциклони стали домінувати в класифікації при роботі з дрібними частинками розміром дрібних частинок у замкнутих контурах подрібнення (<200 мкм). Однак, останні розробки в технології грохотів (Розділ 8) відродили інтерес до використання грохотів у контурах подрібнення. Грохоти розділяються на основі розміру і не залежать безпосередньо від розкиду щільності вхідних мінералів. Це може бути перевагою. Грохоти також не мають байпасної фракції, і, як показано в Прикладі 9.2, байпасна фракція може бути досить великою (понад 30% у цьому випадку). На рисунку 9.8 показано приклад різниці в кривій розподілу для циклонів та грохотів. Дані взяті з концентратора El Brocal у Перу з оцінками до та після заміни гідроциклонів на Derrick Stack Sizer® (див. Розділ 8) у контурі подрібнення (Dündar et al., 2014). Як і очікувалося, порівняно з циклоном, грохот мав чіткіше розділення (нахил кривої вищий) та невеликий байпас. Повідомлялося про збільшення продуктивності контуру подрібнення через вищі показники поломки після впровадження грохота. Це пояснюється ліквідацією байпасу, що зменшує кількість дрібного матеріалу, що повертається до млинів, що, як правило, пом'якшує удари частинок об частинки.

Однак перехід не є одностороннім: нещодавнім прикладом є перехід від грохотів до циклону, щоб скористатися перевагами додаткового зменшення розміру щільніших корисних копалин (Sasseville, 2015).

Металургійний процес та проектування

Еоін Х. Макдональд, у Довіднику з розвідки та оцінки золота, 2007

Гідроциклони

Гідроциклони є кращими установками для дешевого сортування або знешламування великих об'ємів шламу, оскільки вони займають дуже мало місця під підлогою або висотою. Вони працюють найефективніше при рівномірній швидкості потоку та щільності пульпи та використовуються окремо або в кластерах для досягнення бажаної загальної продуктивності при необхідному розподілі. Можливості сортування спираються на відцентрові сили, що виникають внаслідок високих тангенціальних швидкостей потоку через установку. Первинний вихор, утворений вхідною пульпою, діє спірально вниз навколо внутрішньої стінки конуса. Тверді речовини викидаються назовні відцентровою силою, так що по мірі руху пульпи вниз її щільність збільшується. Вертикальні складові швидкості діють вниз біля стінок конуса та вгору біля осі. Менш щільна відцентрово відокремлена фракція шламу проштовхується вгору через детектор вихорів, щоб пройти через отвір у верхньому кінці конуса. Проміжна зона або оболонка між двома потоками має нульову вертикальну швидкість і розділяє грубіші тверді речовини, що рухаються вниз, від дрібніших твердих речовин, що рухаються вгору. Основна частина потоку проходить вгору в межах меншого внутрішнього вихору, а сильніші відцентрові сили викидають більші з дрібніших частинок назовні, забезпечуючи таким чином ефективніше розділення дрібніших частинок. Ці частинки повертаються до зовнішнього вихору та знову потрапляють до відсаджувальної машини.

Геометрія та умови експлуатації в межах спіральної схеми потоку типовогогідроциклонописані на рис. 8.13. Експлуатаційними змінними є щільність пульпи, швидкість потоку сировини, характеристики твердих речовин, тиск на вході сировини та перепад тиску через циклон. Змінними циклону є площа вхідного отвору сировини, діаметр і довжина вихрового детектора, а також діаметр випускного патрубка. На значення коефіцієнта опору також впливає форма; чим більше частинка відрізняється від сферичності, тим менший її коефіцієнт форми та тим більший її опір осіданню. Зона критичного напруження може поширюватися на деякі частинки золота розміром до 200 мм, тому ретельний моніторинг процесу класифікації є важливим для зменшення надмірної переробки та накопичення шламів, що в результаті цього виникає. Історично склалося так, що коли мало уваги приділялося отриманню 150...μм золотих зерен, перенесення золота у фракціях шламу, ймовірно, значною мірою відповідає за втрати золота, які, як було зафіксовано, сягали 40–60% у багатьох золотодобувних операціях.

Рисунок 8.14 (Діаграма вибору Вармана) – це попередній вибір циклонів для розділення з різними розмірами D50 від 9–18 мікрон до 33–76 мікрон. Ця діаграма, як і інші подібні діаграми продуктивності циклонів, базується на ретельно контрольованій подачі певного типу. Вона передбачає вміст твердих речовин у воді 2700 кг/м3 як перший орієнтир для вибору. Циклони більшого діаметра використовуються для грубого розділення, але вимагають великих об'ємів подачі для належного функціонування. Для тонкого розділення з великими об'ємами подачі потрібні кластери циклонів малого діаметра, що працюють паралельно. Остаточні конструктивні параметри для щільного розподілу повинні бути визначені експериментально, і важливо вибрати циклон приблизно посередині діапазону, щоб будь-які незначні коригування, які можуть знадобитися, можна було внести на початку роботи.

Стверджується, що циклон CBC (циркулюючий шар) класифікує алювіальні золоті матеріали діаметром до 5 мм та отримує стабільно високу кількість відсадженої сировини з нижнього потоку. Розділення відбувається приблизно заD50/150 мікрон на основі кремнезему щільністю 2,65. Стверджується, що нижній потік циклону CBC особливо добре підходить для відсадочного розділення завдяки відносно плавній кривій розподілу за розміром та майже повному видаленню дрібних частинок відходів. Однак, хоча стверджується, що ця система виробляє високоякісний первинний концентрат рівномірної кількості важких мінералів за один прохід з відносно великого діапазону розмірів сировини (наприклад, мінеральних пісків), такі показники продуктивності для алювіального сировинного матеріалу, що містить дрібне та лускате золото, відсутні. У таблиці 8.5 наведено технічні дані для AKW.гідроциклонидля точок відсікання від 30 до 100 мікрон.

Таблиця 8.5. Технічні дані гідроциклонів AKW

Тип (КРС)	Діаметр (мм)	Падіння тиску	Місткість		Точка зрізу (мікрони)
Тип (КРС)	Діаметр (мм)	Падіння тиску	Шлам (м3/год)	Тверді речовини (т/год макс.).	Точка зрізу (мікрони)
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

Розробки в технологіях подрібнення та класифікації залізної руди

А. Янкович, у книзі «Залізна руда», 2015

8.3.3.1 Гідроциклонні сепаратори

Гідроциклон, також відомий як циклон, – це класифікуючий пристрій, який використовує відцентрову силу для прискорення осідання частинок шламу та розділення частинок за розміром, формою та питомою вагою. Він широко використовується в мінеральній промисловості, а його основне застосування в переробці корисних копалин – як класифікатор, який виявився надзвичайно ефективним при дрібному розділенні. Він широко використовується в операціях подрібнення замкнутого циклу, але знайшов багато інших застосувань, таких як знешламування, видалення піску та згущення.

Типовий гідроциклон (рис. 8.12a) складається з конічної ємності, відкритої на вершині, або нижнього зливу, з'єднаної з циліндричною секцією, яка має тангенціальний вхід для подачі. Верхня частина циліндричної секції закрита пластиною, через яку проходить аксіально встановлена переливна труба. Труба продовжується в корпус циклону короткою знімною секцією, відомою як вихорошукач, який запобігає короткому замиканню подачі безпосередньо в перелив. Подача подається під тиском через тангенціальний вхід, що надає пульпі завихрювального руху. Це створює вихор у циклоні із зоною низького тиску вздовж вертикальної осі, як показано на рисунку 8.12b. Вздовж осі утворюється повітряний каркас, зазвичай з'єднаний з атмосферою через отвір у вершині, але частково створений розчиненим повітрям, що виходить з розчину в зоні низького тиску. Відцентрова сила прискорює швидкість осідання частинок, тим самим розділяючи частинки за розміром, формою та питомою вагою. Швидше осідаючі частинки рухаються до стінки циклону, де швидкість найнижча, та мігрують до верхівкового отвору (переливу). Під дією сили опору повільніше осідаючі частинки рухаються до зони низького тиску вздовж осі та переносяться вгору через вихровий шукач до переливу.

Гідроциклони майже повсюдно використовуються в схемах подрібнення завдяки їхній високій продуктивності та відносній ефективності. Вони також можуть класифікувати частинки в дуже широкому діапазоні розмірів (зазвичай 5–500 мкм), при цьому для дрібнішої класифікації використовуються частинки меншого діаметра. Однак застосування циклонів у схемах подрібнення магнетиту може призвести до неефективної роботи через різницю в щільності між магнетитом та відходами мінералів (кремнеземом). Магнетит має питому щільність близько 5,15, тоді як кремнезем має питому щільність близько 2,7.гідроциклонищільні мінерали розділяються з меншим розміром подрібнення, ніж легші. Таким чином, вивільнений магнетит концентрується в нижньому потоці циклону, що призводить до надмірного подрібнення магнетиту. Нейпір-Манн та ін. (2005) зазначили, що зв'язок між скоригованим розміром подрібнення (d50c) та густина частинок відповідає виразу наступної форми залежно від умов потоку та інших факторів:

d50c∝ρs−ρl−n

деρs – густина твердих речовин,ρl – густина рідини, аnзнаходиться в межах від 0,5 до 1,0. Це означає, що вплив щільності мінералів на продуктивність циклону може бути досить значним. Наприклад, якщоd50c магнетиту становить 25 мкм, тодіd50c частинок кремнезему становитимуть 40–65 мкм. На рисунку 8.13 показано криві ефективності класифікації циклону для магнетиту (Fe3O4) та кремнезему (SiO2), отримані в результаті дослідження схеми подрібнення магнетиту в промисловому кульовому млині. Розділення за розміром для кремнезему набагато грубіше, зd50c для Fe3O4 становить 29 мкм, тоді як для SiO2 — 68 мкм. Через це явище млини для подрібнення магнетиту в замкнутих контурах з гідроциклонами є менш ефективними та мають меншу продуктивність порівняно з іншими контурами подрібнення руд базових металів.

Технологія обробки високого тиску: основи та застосування

М. Дж. Косеро, доктор філософії, у Бібліотеці промислової хімії, 2001

Пристрої для розділення твердих речовин

•

Гідроциклон

Це один з найпростіших типів сепараторів твердих речовин. Це високоефективний розділювальний пристрій, який можна використовувати для ефективного видалення твердих речовин за високих температур і тисків. Він економічний, оскільки не має рухомих частин і потребує мінімального обслуговування.

Ефективність розділення твердих речовин сильно залежить від розміру частинок та температури. Для кремнезему та температур вище 300°C можна досягти валової ефективності розділення близько 80%, тоді як у тому ж температурному діапазоні валова ефективність розділення для щільніших частинок циркону перевищує 99% [29].

Основним недоліком роботи гідроциклону є схильність деяких солей прилипати до стінок циклону.

•

Перехресна мікрофільтрація

Перехресні фільтри поводяться подібно до того, що зазвичай спостерігається при перехресній фільтрації в умовах навколишнього середовища: підвищені швидкості зсуву та знижена в'язкість рідини призводять до збільшення кількості фільтрату. Перехресна мікрофільтрація застосовується для розділення осаджених солей у вигляді твердих речовин, забезпечуючи ефективність розділення частинок, яка зазвичай перевищує 99,9%. Гоеманста ін.[30] досліджували відділення нітрату натрію від надкритичної води. За умов дослідження нітрат натрію був присутній у вигляді розплавленої солі та був здатний проходити через фільтр. Було отримано ефективність розділення, яка змінювалася залежно від температури, оскільки розчинність зменшується зі збільшенням температури, коливаючись від 40% до 85% для 400 °C та 470 °C відповідно. Ці дослідники пояснили механізм розділення як наслідок різної проникності фільтруючого середовища для надкритичного розчину, на відміну від розплавленої солі, виходячи з їх чітко відмінних значень в'язкості. Таким чином, можна було б фільтрувати не тільки осаджені солі просто як тверді речовини, але й ті солі з низькою температурою плавлення, які знаходяться в розплавленому стані.

Проблеми з експлуатацією були головним чином пов'язані з корозією фільтрів солями.

Папір: переробка та вторинні матеріали

М. Р. Доші, Дж. М. Дайер, у довідковому модулі з матеріалознавства та матеріалознавства, 2016

3.3 Очищення

Прибиральники абогідроциклониВидаляють забруднюючі речовини з пульпи на основі різниці щільності між забруднювачем і водою. Ці пристрої складаються з конічної або циліндрично-конічної посудини під тиском, в яку пульпа подається тангенціально на кінці великого діаметра (Рис. 6). Під час проходження через очищувач пульпа розвиває вихрову картину потоку, подібну до циклону. Потік обертається навколо центральної осі, проходячи від вхідного отвору та до вершини, або отвору для переливу, вздовж внутрішньої сторони стінки очищувача. Швидкість обертального потоку прискорюється зі зменшенням діаметра конуса. Біля вершинного кінця отвір малого діаметра запобігає скиданню більшої частини потоку, який натомість обертається у внутрішньому вихорі в центрі очищувача. Потік у внутрішньому ядрі відтікає від вершинного отвору, доки не вийде через детектор вихорів, розташований на кінці великого діаметра в центрі очищувача. Матеріал з вищою щільністю, сконцентрований на стінці очищувача через відцентрову силу, скидається на вершині конуса (Bliss, 1994, 1997).

Очисники класифікуються як високої, середньої або низької щільності залежно від щільності та розміру забруднюючих речовин, що видаляються. Очисник високої щільності діаметром від 15 до 50 см (6–20 дюймів) використовується для видалення залишків металу, скріпок та скоб і зазвичай розміщується безпосередньо після розпушувача. Зі зменшенням діаметра очищувача його ефективність у видаленні дрібних забруднюючих речовин зростає. З практичних та економічних причин циклон діаметром 75 мм (3 дюйми) зазвичай є найменшим очищувачем, що використовується в паперовій промисловості.

Зворотні та проточні очищувачі призначені для видалення забруднюючих речовин низької щільності, таких як віск, полістирол та липкі речовини. Зворотні очищувачі отримали таку назву, тому що потік приймаючої фракції збирається на вершині очищувача, а відходи виходять через перелив. У проточному очищувачі приймаючі та відходи виходять на одному кінці очищувача, причому приймаючі фракції розташовані біля стінки очищувача, відокремлені від відходів центральною трубкою поблизу ядра очищувача, як показано на рисунку 7.

Центрифуги безперервної дії, що використовувалися в 1920-х і 1930-х роках для видалення піску з целюлози, були припинені після розробки гідроциклонів. Gyroclean, розроблений у Центрі техніки паперу, Гренобль, Франція, складається з циліндра, який обертається зі швидкістю 1200–1500 об/хв (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). Поєднання відносно тривалого часу перебування та високої відцентрової сили дозволяє забруднювачам низької щільності мати достатньо часу для міграції до ядра очищувача, де вони відкидаються через центральний вихровий випуск.

М. Т. Тью, в Енциклопедії розділової науки, 2000

Синопсис

Хоча тверда частина – рідкагідроциклонХоча протягом більшої частини 20-го століття система розділення рідина-рідина була задовільною, задовільна продуктивність рідинно-рідинного розділення була досягнута лише у 1980-х роках. Офшорна нафтова промисловість потребувала компактного, міцного та надійного обладнання для видалення дрібнодисперсної забруднюючої нафти з води. Цю потребу задовольнив гідроциклон суттєво іншого типу, який, звичайно, не мав рухомих частин.

Після більш повного пояснення цієї потреби та порівняння її з циклонним розділенням твердих речовин і рідини в переробці корисних копалин, наведено переваги, які гідроциклон надавав порівняно з типами обладнання, встановленими раніше для виконання цього завдання.

Критерії оцінки ефективності розділення перелічені перед обговоренням ефективності з точки зору складу сировини, контролю оператора та необхідної енергії, тобто добутку перепаду тиску та швидкості потоку.

Середовище видобутку нафти встановлює деякі обмеження на матеріали, включаючи проблему ерозії твердих частинок. Згадуються типові матеріали, що використовуються. Наведено дані про відносну вартість типів установок для розділення нафти, як капітальних, так і рекурентних, хоча джерела обмежені. Нарешті, описано деякі вказівки щодо подальшого розвитку, оскільки нафтова промисловість розглядає обладнання, встановлене на морському дні або навіть на дні свердловини.

Відбір проб, контроль та балансування маси

3.7.1 Використання розміру частинок

Багато підрозділів, таких якгідроциклонита гравітаційні сепаратори забезпечують певний ступінь розділення за розміром, а дані про розмір частинок можна використовувати для балансування маси (приклад 3.15).

Приклад 3.15 є прикладом мінімізації дисбалансу вузлів; він надає, наприклад, початкове значення для узагальненої мінімізації найменших квадратів. Цей графічний підхід можна використовувати щоразу, коли є «надлишкові» дані компонентів; у прикладі 3.9 його можна було б використовувати.

У прикладі 3.15 циклон використовується як вузол. Другим вузлом є відстійник: це приклад 2 вхідних даних (свіжа сировина та вихід кульового млина) та одного виходу (живлення циклону). Це дає ще один баланс маси (приклад 3.16).

У розділі 9 ми повернемося до цього прикладу схеми подрібнення, використовуючи скориговані дані для визначення кривої розподілу циклону.

Час публікації: 07 травня 2019 р.