Hydrocykloner

Beskrivelse

Hydrocyklonerer konocylindriske i form, med et tangentielt tilførselsindløb ind i den cylindriske sektion og et udløb ved hver akse. Udløbet ved den cylindriske sektion kaldes vortexfinderen og strækker sig ind i cyklonen for at reducere kortslutningsstrømning direkte fra indløbet. Ved den koniske ende er det andet udløb, tappen. Til størrelsesseparation er begge udløb generelt åbne mod atmosfæren. Hydrocykloner drives generelt lodret med tappen i den nedre ende, derfor kaldes det grove produkt understrømningen og det fine produkt, hvilket efterlader vortexfinderen overløbet. Figur 1 viser skematisk de primære strømnings- og designfunktioner for en typiskhydrocyklon: de to hvirvler, det tangentielle fødeindløb og de aksiale udløb. Bortset fra det umiddelbare område af det tangentielle indløb, har væskebevægelsen i cyklonen radial symmetri. Hvis en eller begge udløb er åbne mod atmosfæren, forårsager en lavtrykszone en gaskerne langs den lodrette akse inde i den indre hvirvel.

Funktionsprincippet er simpelt: væsken, der bærer de suspenderede partikler, kommer tangentielt ind i cyklonen, spiralerer nedad og producerer et centrifugalfelt i fri hvirvelstrøm. Større partikler bevæger sig gennem væsken til ydersiden af cyklonen i en spiralbevægelse og forlader gennem tappen med en brøkdel af væsken. På grund af tappens begrænsende areal etableres en indre hvirvel, der roterer i samme retning som den ydre hvirvel, men strømmer opad, og forlader cyklonen gennem hvirvelfinderen og bærer det meste af væsken og finere partikler med sig. Hvis tappens kapacitet overskrides, lukkes luftkernen, og tappens udstrømning ændrer sig fra en paraplyformet spray til et 'reb' og et tab af groft materiale til overløbet.

Diameteren af den cylindriske sektion er den største variabel, der påvirker størrelsen af de partikler, der kan separeres, selvom udløbsdiametrene kan ændres uafhængigt for at ændre den opnåede separation. Mens tidlige forskere eksperimenterede med cykloner så små som 5 mm i diameter, varierer kommercielle hydrocyklondiametre i øjeblikket fra 10 mm til 2,5 m, med separationsstørrelser for partikler med en densitet på 2700 kg m−3 på 1,5-300 μm, hvilket falder med øget partikeldensitet. Driftstrykfaldet varierer fra 10 bar for små diametre til 0,5 bar for store enheder. For at øge kapaciteten anvendes flere småhydrocyklonerkan manifoldes fra en enkelt fødeledning.

Selvom driftsprincippet er enkelt, er mange aspekter af deres drift stadig dårligt forstået, og udvælgelse og forudsigelse af hydrocykloner til industriel drift er i vid udstrækning empirisk.

Klassifikation

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

9.4.3 Hydrocykloner versus skærme

Hydrocykloner er kommet til at dominere klassificeringen, når der håndteres fine partikelstørrelser i lukkede malekredsløb (<200 µm). Den seneste udvikling inden for sigteteknologi (kapitel 8) har imidlertid fornyet interessen for at bruge sigter i malekredsløb. Sigter adskiller sig på basis af størrelse og påvirkes ikke direkte af densitetsspredningen i fødemineralerne. Dette kan være en fordel. Sigter har heller ikke en bypass-fraktion, og som eksempel 9.2 har vist, kan bypass være ret stor (over 30% i så fald). Figur 9.8 viser et eksempel på forskellen i fordelingskurven for cykloner og sigter. Dataene er fra El Brocal-koncentratoren i Peru med evalueringer før og efter hydrocyklonerne blev erstattet med en Derrick Stack Sizer® (se kapitel 8) i malekredsløbet (Dündar et al., 2014). I overensstemmelse med forventningen havde sigten en skarpere separation (kurvens hældning er højere) og lille bypass sammenlignet med cyklonen. En stigning i malekredsløbskapaciteten blev rapporteret på grund af højere brudrater efter implementering af sigten. Dette blev tilskrevet elimineringen af bypass-systemet, hvilket reducerede mængden af fint materiale, der sendes tilbage til kværnerne, hvilket har tendens til at dæmpe partikel-partikel-påvirkninger.

Omstilling er dog ikke én vej: et nyligt eksempel er et skift fra sigte til cyklon for at drage fordel af den yderligere størrelsesreduktion af de tættere paymineraler (Sasseville, 2015).

Metallurgisk proces og design

Eoin H. Macdonald, i Håndbog i guldefterforskning og -evaluering, 2007

Hydrocykloner

Hydrocykloner er foretrukne enheder til billig sortering eller afslimning af store slammængder, og fordi de optager meget lidt gulvplads eller loftshøjde. De fungerer mest effektivt, når de tilføres med en jævn strømningshastighed og pulptæthed, og de bruges individuelt eller i klynger for at opnå den ønskede samlede kapacitet ved de nødvendige opdelinger. Sorteringsmulighederne afhænger af centrifugalkræfter genereret af høje tangentielle strømningshastigheder gennem enheden. Den primære hvirvel, der dannes af den indkommende slam, virker spiralformet nedad omkring den indre keglevæg. Faste stoffer slynges udad af centrifugalkraften, så densiteten stiger, når pulpen bevæger sig nedad. Vertikale komponenter af hastigheden virker nedad nær keglevæggene og opad nær aksen. Den mindre tætte centrifugalseparerede slamfraktion tvinges opad gennem hvirvelfinderen for at passere ud gennem åbningen i den øvre ende af keglen. En mellemliggende zone eller konvolut mellem de to strømme har nul lodret hastighed og adskiller de grovere faste stoffer, der bevæger sig nedad, fra de finere faste stoffer, der bevæger sig opad. Størstedelen af strømmen passerer opad i den mindre indre hvirvel, og højere centrifugalkræfter kaster de større af de finere partikler udad, hvilket giver en mere effektiv separation i de finere størrelser. Disse partikler vender tilbage til den ydre hvirvel og rapporterer igen til jig-fremføringen.

Geometrien og driftsbetingelserne inden for det spiralformede strømningsmønster for en typiskhydrocykloner beskrevet i figur 8.13. Operationelle variabler er pulpdensitet, fødestrømningshastighed, faststofkarakteristika, fødeindløbstryk og trykfald gennem cyklonen. Cyklonvariabler er fødeindløbsareal, vortexfinderens diameter og længde samt tapudløbsdiameter. Værdien af modstandskoefficienten påvirkes også af formen; jo mere en partikel varierer fra sfæricitet, desto mindre er dens formfaktor og desto større er dens sedimentationsmodstand. Den kritiske spændingszone kan strække sig til nogle guldpartikler på op til 200 mm i størrelse, og omhyggelig overvågning af klassificeringsprocessen er derfor afgørende for at reducere overdreven genbrug og den resulterende ophobning af slim. Historisk set, da der blev givet lidt opmærksomhed til genvinding af 150μm guldkorn, ser overførsel af guld i slimfraktionerne ud til at have været i høj grad ansvarlig for guldtab, der blev registreret til at være så høje som 40-60% i mange guldplaceringsoperationer.

Figur 8.14 (Warman-udvælgelsesskema) er et foreløbigt udvalg af cykloner til separation ved forskellige D50-størrelser fra 9-18 mikron op til 33-76 mikron. Dette skema er, ligesom andre lignende skemaer over cyklonernes ydeevne, baseret på en omhyggeligt kontrolleret tilførsel af en specifik type. Det antager et faststofindhold på 2.700 kg/m3 i vand som en første vejledning til udvælgelsen. Cykloner med større diameter bruges til at producere grove separationer, men kræver store tilførselsmængder for korrekt funktion. Fine separationer ved store tilførselsmængder kræver klynger af cykloner med lille diameter, der opererer parallelt. De endelige designparametre for tæt dimensionering skal bestemmes eksperimentelt, og det er vigtigt at vælge en cyklon omkring midten af intervallet, så eventuelle mindre justeringer, der måtte være nødvendige, kan foretages ved starten af driften.

CBC-cyklonen (cirkulerende leje) siges at kunne klassificere alluviale guldfødematerialer op til 5 mm i diameter og opnå en konstant høj jig-tilførsel fra underløbet. Separationen finder sted ved ca.D50/150 mikron baseret på silica med en densitet på 2,65. CBC-cyklonunderløbet hævdes at være særligt egnet til jigseparation på grund af dets relativt jævne størrelsesfordelingskurve og næsten fuldstændige fjernelse af fine affaldspartikler. Selvom dette system hævdes at producere et højkvalitets primært koncentrat af lige store tungmineraler i én omgang fra et fødemateriale med et relativt langt størrelsesområde (f.eks. mineralsand), er der ingen sådanne præstationstal tilgængelige for alluvialt fødemateriale, der indeholder fint og flagerigt guld. Tabel 8.5 viser de tekniske data for AKW.hydrocyklonerfor afskæringspunkter mellem 30 og 100 mikron.

Tabel 8.5. Tekniske data for AKW-hydrocykloner

Type (KRS)	Diameter (mm)	Trykfald	Kapacitet		Skærepunkt (mikron)
Type (KRS)	Diameter (mm)	Trykfald	Gylle (m3/time)	Faste stoffer (t/t maks.).	Skærepunkt (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

Udviklingen inden for teknologier til findeling og klassificering af jernmalm

A. Jankovic, i Jernmalm, 2015

8.3.3.1 Hydrocyklonseparatorer

Hydrocyklonen, også kaldet cyklon, er en klassificeringsanordning, der bruger centrifugalkraften til at accelerere sedimenteringshastigheden af slampartikler og separere partikler efter størrelse, form og specifik tyngdekraft. Den er meget anvendt i mineralindustrien, hvor dens primære anvendelse i mineralforarbejdning er som en klassificeringsanordning, der har vist sig yderst effektiv ved fine separationsstørrelser. Den bruges i vid udstrækning i lukkede kredsløbsformalingsoperationer, men har fundet mange andre anvendelser, såsom afslimning, afslibning og fortykkelse.

En typisk hydrocyklon (Figur 8.12a) består af en konisk formet beholder, åben ved sin spids, eller underløb, forbundet med en cylindrisk sektion, som har et tangentielt tilførselsindløb. Toppen af den cylindriske sektion er lukket med en plade, hvorigennem et aksialt monteret overløbsrør passerer. Røret forlænges ind i cyklonens krop af en kort, aftagelig sektion kendt som vortexfinderen, som forhindrer kortslutning af tilførsel direkte i overløbet. Tilførselen indføres under tryk gennem den tangentielle indgang, hvilket giver pulpen en hvirvlende bevægelse. Dette genererer en vortex i cyklonen med en lavtrykszone langs den lodrette akse, som vist i Figur 8.12b. En luftkerne udvikler sig langs aksen, normalt forbundet med atmosfæren gennem spidsåbningen, men delvist skabt af opløst luft, der kommer ud af opløsningen i zonen med lavt tryk. Centrifugalkraften accelererer partiklernes sedimentationshastighed og adskiller derved partiklerne efter størrelse, form og specifik tyngdekraft. Hurtigt sedimenterende partikler bevæger sig til cyklonens væg, hvor hastigheden er lavest, og migrerer til apexåbningen (underløbet). På grund af trækkraftens virkning bevæger de langsommere sedimenterende partikler sig mod lavtrykszonen langs aksen og føres opad gennem vortexfinderen til overløbet.

Hydrocykloner anvendes næsten universelt i malekredsløb på grund af deres høje kapacitet og relative effektivitet. De kan også klassificere over et meget bredt område af partikelstørrelser (typisk 5-500 μm), hvor enheder med mindre diameter anvendes til finere klassificering. Imidlertid kan cyklonanvendelse i magnetitmalekredsløb forårsage ineffektiv drift på grund af densitetsforskellen mellem magnetit og affaldsmineraler (silica). Magnetit har en specifik densitet på omkring 5,15, mens silica har en specifik densitet på omkring 2,7. Ihydrocykloner, udskilles tætte mineraler ved en finere snitstørrelse end lettere mineraler. Derfor koncentreres frigjort magnetit i cyklonunderstrømmen, med deraf følgende overformaling af magnetitten. Napier-Munn et al. (2005) bemærkede, at forholdet mellem den korrigerede snitstørrelse (d50c) og partikeldensiteten følger et udtryk af følgende form afhængigt af strømningsforhold og andre faktorer:

d50c∝ρs−ρl−n

hvorρs er den faste stofdensitet,ρl er væskens densitet, ogner mellem 0,5 og 1,0. Det betyder, at effekten af mineraltæthed på cyklonens ydeevne kan være ret betydelig. For eksempel, hvisd50c af magnetitten er 25 μm, såd50c af silicapartikler vil være 40-65 μm. Figur 8.13 viser cyklonklassificeringseffektivitetskurverne for magnetit (Fe3O4) og silica (SiO2) opnået fra undersøgelsen af et industrielt kuglemøllemagnetitformalingskredsløb. Størrelsesseparationen for silica er meget grovere, med end50c for Fe3O4 på 29 μm, mens den for SiO2 er 68 μm. På grund af dette fænomen er magnetitmøller i lukkede kredsløb med hydrocykloner mindre effektive og har lavere kapacitet sammenlignet med andre kredsløb til malmformaling af basismetaller.

Højtryksprocesteknologi: Grundlæggende og anvendelser

MJ Cocero PhD, i Industriel Kemi Bibliotek, 2001

Enheder til separation af faste stoffer

•

Hydrocyklon

Dette er en af de enkleste typer faststofseparatorer. Det er en højeffektiv separationsenhed og kan bruges til effektivt at fjerne faste stoffer ved høje temperaturer og tryk. Den er økonomisk, fordi den ikke har bevægelige dele og kræver minimal vedligeholdelse.

Separationseffektiviteten for faste stoffer er en stærk funktion af partikelstørrelse og temperatur. Brutto separationseffektiviteter på nær 80% kan opnås for silica og temperaturer over 300°C, mens brutto separationseffektiviteterne for tættere zirkonpartikler i samme temperaturområde er større end 99% [29].

Det største handicap ved hydrocyklondrift er tendensen for visse salte til at klæbe til cyklonens vægge.

•

Krydsmikrofiltrering

Krydsstrømsfiltre opfører sig på en måde, der ligner den, der normalt observeres ved krydsstrømsfiltrering under omgivende forhold: øgede forskydningshastigheder og reduceret væskeviskositet resulterer i et øget filtrattal. Krydsmikrofiltrering er blevet anvendt til separation af udfældede salte som faste stoffer, hvilket giver partikelseparationseffektiviteter, der typisk overstiger 99,9%. Goemansm.fl.[30] undersøgte separation af natriumnitrat fra superkritisk vand. Under undersøgelsens betingelser var natriumnitrat til stede som smeltet salt og var i stand til at passere filteret. Der blev opnået separationseffektiviteter, der varierede med temperaturen, da opløseligheden falder, når temperaturen stiger, og varierede mellem 40% og 85% for henholdsvis 400 °C og 470 °C. Disse forskere forklarede separationsmekanismen som en konsekvens af en tydelig permeabilitet af filtermediet over for den superkritiske opløsning i modsætning til det smeltede salt, baseret på deres klart forskellige viskositeter. Derfor ville det være muligt ikke kun at filtrere udfældede salte som faste stoffer, men også at filtrere de lavtsmeltende salte, der er i smeltet tilstand.

Driftsproblemerne skyldtes hovedsageligt filterkorrosion forårsaget af saltene.

Papir: Genbrug og genbrugsmaterialer

MR Doshi, JM Dyer, i Referencemodul i Materialevidenskab og Materialeteknik, 2016

3.3 Rengøring

Rengøringsfirmaer ellerhydrocyklonerfjerner forurenende stoffer fra pulpen baseret på densitetsforskellen mellem forureningen og vand. Disse anordninger består af koniske eller cylindrisk-koniske trykbeholdere, hvori pulpen tilføres tangentielt ved den store diameterende (Figur 6). Under passage gennem renseren udvikler pulpen et hvirvelstrømningsmønster, der ligner en cyklons. Strømningen roterer omkring den centrale akse, når den passerer væk fra indløbet og mod apex- eller understrømningsåbningen langs indersiden af rensevæggen. Rotationsstrømningshastigheden accelererer, når keglens diameter falder. Nær apexenden forhindrer åbningen med lille diameter udledning af det meste af strømmen, som i stedet roterer i en indre hvirvel ved renserens kerne. Strømningen ved den indre kerne strømmer væk fra apexåbningen, indtil den udledes gennem hvirvelfinderen, der er placeret ved den store diameterende i midten af renseren. Materialet med højere densitet, der er blevet koncentreret ved renserens væg på grund af centrifugalkraften, udledes ved keglens apex (Bliss, 1994, 1997).

Rengøringsmidler klassificeres som høj, medium eller lav densitet afhængigt af densiteten og størrelsen af de forurenende stoffer, der fjernes. En renser med høj densitet med en diameter fra 15 til 50 cm (6-20 tommer) bruges til at fjerne fast metal, papirclips og hæfteklammer og placeres normalt umiddelbart efter pulperen. Efterhånden som renserens diameter falder, øges dens effektivitet i fjernelsen af små forurenende stoffer. Af praktiske og økonomiske årsager er cyklonen med en diameter på 75 mm (3 tommer) generelt den mindste renser, der anvendes i papirindustrien.

Reverse-rensere og gennemstrømningsrensere er designet til at fjerne forurenende stoffer med lav densitet, såsom voks, polystyren og klæbrige partikler. Reverse-rensere kaldes dette, fordi acceptstrømmen opsamles ved renserens spids, mens rejektmaterialet kommer ud ved overløbet. I gennemstrømningsrenseren kommer acceptmaterialet og rejektmaterialet ud i samme ende af renseren, hvor acceptmaterialet nær renserens væg er adskilt fra rejektmaterialet af et centralt rør nær renserens kerne, som vist i figur 7.

Kontinuerlige centrifuger, der blev brugt i 1920'erne og 1930'erne til at fjerne sand fra papirmasse, blev afbrudt efter udviklingen af hydrocykloner. Gyroclean, udviklet på Centre Technique du Papier, Grenoble, Frankrig, består af en cylinder, der roterer med 1200-1500 o/min (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). Kombinationen af relativt lang opholdstid og høj centrifugalkraft giver forurenende stoffer med lav densitet tilstrækkelig tid til at migrere til kernen af renseren, hvor de udstødes gennem den centrale vortexudledning.

MT Thew, i Encyklopædi for Separationsvidenskab, 2000

Synopsis

Selvom det faste-flydendehydrocyklonhar været etableret i det meste af det 20. århundrede, men tilfredsstillende væske-væske-separationsevne nåede først frem i 1980'erne. Offshore olieindustrien havde behov for kompakt, robust og pålideligt udstyr til fjernelse af findelt forurenende olie fra vand. Dette behov blev opfyldt af en væsentligt anderledes type hydrocyklon, som naturligvis ikke havde nogen bevægelige dele.

Efter at have forklaret dette behov mere fuldstændigt og sammenlignet det med cyklonisk separation af fast-væske i mineralforarbejdning, præsenteres de fordele, som hydrocyklonen gav i forhold til typer udstyr, der var installeret tidligere for at opfylde opgaven.

Kriterier for vurdering af separationsydelse er anført, før ydeevne diskuteres med hensyn til fødesammensætning, operatørkontrol og den nødvendige energi, dvs. produktet af trykfald og flowhastighed.

Miljøet for olieproduktion sætter visse begrænsninger for materialer, herunder problemet med partikelerosion. Typiske anvendte materialer nævnes. Relative omkostningsdata for typer af olieseparationsanlæg, både kapital- og løbende, skitseres, selvom kilderne er sparsomme. Endelig beskrives nogle pejlemærker for yderligere udvikling, da olieindustrien ser på udstyr installeret på havbunden eller endda i bunden af borehullet.

Prøveudtagning, kontrol og massebalancering

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

3.7.1 Brug af partikelstørrelse

Mange enheder, som f.eks.hydrocyklonerog tyngdekraftsseparatorer, producerer en vis grad af størrelsesseparation, og partikelstørrelsesdataene kan bruges til massebalancering (Eksempel 3.15).

Eksempel 3.15 er et eksempel på minimering af nodeubalance; det giver for eksempel startværdien for den generaliserede mindste kvadraters minimering. Denne grafiske tilgang kan bruges, når der er "overskydende" komponentdata; i eksempel 3.9 kunne den have været brugt.

Eksempel 3.15 bruger cyklonen som knudepunkt. En anden knudepunkt er sumpen: dette er et eksempel på 2 indgange (frisk tilførsel og kuglemølleudløb) og én udgang (cyklontilførsel). Dette giver en anden massebalance (Eksempel 3.16).

I kapitel 9 vender vi tilbage til dette eksempel på et malekredsløb ved hjælp af justerede data til at bestemme cyklonfordelingskurven.

Opslagstidspunkt: 7. maj 2019