Hydrocyklony

Opis

Hydrocyklonymają kształt stożkowato-cylindryczny, z stycznym wlotem zasilającym do sekcji cylindrycznej i wylotem na każdej osi. Wylot w sekcji cylindrycznej nazywany jest wykrywaczem wirowym i rozciąga się do cyklonu, aby zmniejszyć przepływ zwarciowy bezpośrednio z wlotu. Na stożkowym końcu znajduje się drugi wylot, kran. W celu rozdzielenia wielkości oba wyloty są zazwyczaj otwarte na atmosferę. Hydrocyklony są zazwyczaj obsługiwane pionowo z kranem na dolnym końcu, stąd gruby produkt nazywany jest dolnym przepływem, a drobny produkt opuszczający wykrywacz wirowy, przelewem. Rysunek 1 schematycznie przedstawia główne cechy przepływu i konstrukcji typowegohydrocyklon: dwa wiry, styczny wlot zasilający i osiowe wyloty. Poza bezpośrednim obszarem stycznego wlotu, ruch płynu wewnątrz cyklonu ma symetrię promieniową. Jeśli jeden lub oba wyloty są otwarte do atmosfery, strefa niskiego ciśnienia powoduje powstanie rdzenia gazowego wzdłuż osi pionowej, wewnątrz wewnętrznego wiru.

Zasada działania jest prosta: ciecz, niosąca zawieszone cząstki, wchodzi do cyklonu stycznie, spiralnie w dół i wytwarza pole odśrodkowe w swobodnym przepływie wirowym. Większe cząstki przemieszczają się przez ciecz na zewnątrz cyklonu ruchem spiralnym i wychodzą przez kran z ułamkiem cieczy. Ze względu na ograniczoną powierzchnię kranu, wewnętrzny wir, obracający się w tym samym kierunku co zewnętrzny wir, ale płynący w górę, jest ustalany i opuszcza cyklon przez wykrywacz wirowy, niosąc ze sobą większość cieczy i drobniejsze cząstki. Jeśli przepustowość kranu zostanie przekroczona, rdzeń powietrzny zostaje zamknięty, a wypływ kranu zmienia się z rozpylacza w kształcie parasola na „linę” i następuje utrata grubego materiału do przelewu.

Średnica sekcji cylindrycznej jest główną zmienną wpływającą na wielkość cząstek, które można oddzielić, chociaż średnice wylotów można zmieniać niezależnie, aby zmienić uzyskany stopień oddzielenia. Podczas gdy wczesni pracownicy eksperymentowali z cyklonami o średnicy zaledwie 5 mm, obecnie komercyjne średnice hydrocyklonów wahają się od 10 mm do 2,5 m, przy czym rozmiary separacji dla cząstek o gęstości 2700 kg m−3 wynoszą 1,5–300 μm, zmniejszając się wraz ze wzrostem gęstości cząstek. Spadek ciśnienia roboczego waha się od 10 barów dla małych średnic do 0,5 bara dla dużych jednostek. Aby zwiększyć wydajność, stosuje się wiele małychhydrocyklonymogą być podłączone do pojedynczego przewodu zasilającego.

Mimo że zasada działania jest prosta, wiele aspektów ich działania jest wciąż słabo poznanych, a dobór hydrocyklonów i prognozowanie ich przydatności w przemyśle opierają się w dużej mierze na doświadczeniu.

Klasyfikacja

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., w Wills' Mineral Processing Technology (ósme wydanie), 2016

9.4.3 Hydrocyklony kontra sita

Hydrocyklony zdominowały klasyfikację w przypadku drobnych cząstek w zamkniętych obiegach mielenia (<200 µm). Jednak ostatnie osiągnięcia w technologii sit (rozdział 8) odnowiły zainteresowanie wykorzystaniem sit w obiegach mielenia. Sita rozdzielają się na podstawie wielkości i nie są bezpośrednio zależne od gęstości rozproszonej w minerałach wsadowych. Może to być zaletą. Sita nie mają również frakcji obejścia, a jak pokazano w przykładzie 9.2, obejście może być dość duże (ponad 30% w tym przypadku). Rysunek 9.8 przedstawia przykład różnicy w krzywej podziału dla cyklonów i sit. Dane pochodzą z koncentratora El Brocal w Peru z ocenami przed i po wymianie hydrocyklonów na Derrick Stack Sizer® (patrz rozdział 8) w obiegu mielenia (Dündar i in., 2014). Zgodnie z oczekiwaniami, w porównaniu z cyklonem sito miało ostrzejsze rozdzielenie (nachylenie krzywej jest wyższe) i niewielkie obejście. Zgłoszono wzrost wydajności obwodu mielenia z powodu wyższych wskaźników pękania po wdrożeniu sita. Zostało to przypisane wyeliminowaniu obejścia, zmniejszając ilość drobnego materiału odsyłanego z powrotem do młynów mielących, co ma tendencję do amortyzowania uderzeń cząstka-cząstka.

Zmiana nie jest jednak jednostronna: niedawnym przykładem jest przejście z sita na cyklon, aby skorzystać z dodatkowej redukcji rozmiaru gęstszych minerałów płatniczych (Sasseville, 2015).

Proces i projektowanie metalurgiczne

Eoin H. Macdonald, w Podręczniku eksploracji i oceny złota, 2007

Hydrocyklony

Hydrocyklony są preferowanymi jednostkami do taniego sortowania lub odszlamiania dużych objętości szlamu, ponieważ zajmują bardzo mało miejsca na podłodze lub wysokości. Działają najskuteczniej, gdy są podawane z równomiernym natężeniem przepływu i gęstością pulpy i są używane pojedynczo lub w klastrach, aby uzyskać pożądane całkowite wydajności przy wymaganych podziałach. Możliwości sortowania opierają się na siłach odśrodkowych generowanych przez wysokie prędkości przepływu stycznego przez jednostkę. Główny wir utworzony przez napływającą zawiesinę działa spiralnie w dół wokół wewnętrznej ściany stożka. Ciała stałe są wyrzucane na zewnątrz przez siłę odśrodkową, tak że gdy pulpa porusza się w dół, jej gęstość wzrasta. Pionowe składowe prędkości działają w dół w pobliżu ścian stożka i w górę w pobliżu osi. Mniej gęsta frakcja szlamu oddzielona odśrodkowo jest wypychana w górę przez wykrywacz wirowy, aby wydostać się przez otwór w górnym końcu stożka. Strefa pośrednia lub otoczka między dwoma przepływami ma zerową prędkość pionową i oddziela grubsze ciała stałe poruszające się w dół od drobniejszych ciał stałych poruszających się w górę. Większość przepływu przechodzi w górę w mniejszym wewnętrznym wirowym, a większe siły odśrodkowe wyrzucają większe z drobniejszych cząstek na zewnątrz, zapewniając w ten sposób bardziej efektywną separację w drobniejszych rozmiarach. Cząstki te wracają do zewnętrznego wirowego i ponownie zgłaszają się do podajnika jigowego.

Geometria i warunki pracy w typowej spiralnej strukturze przepływuhydrocyklonsą opisane na rys. 8.13. Zmiennymi operacyjnymi są gęstość pulpy, szybkość przepływu wsadu, charakterystyka ciał stałych, ciśnienie wlotowe wsadu i spadek ciśnienia w cyklonie. Zmiennymi cyklonu są powierzchnia wlotu wsadu, średnica i długość szukacza wirowego oraz średnica wylotu króćca. Wartość współczynnika oporu zależy również od kształtu; im bardziej cząstka odbiega od sferyczności, tym mniejszy jest jej współczynnik kształtu i tym większa jest jej odporność na osiadanie. Krytyczna strefa naprężeń może rozciągać się na niektóre cząstki złota o wielkości nawet 200 mm, a zatem uważne monitorowanie procesu klasyfikacji jest niezbędne do ograniczenia nadmiernego recyklingu i wynikającego z tego gromadzenia się szlamów. Historycznie, gdy niewiele uwagi poświęcano odzyskowi 150μm ziaren złota, przenoszenie złota we frakcjach szlamu wydaje się być w dużej mierze przyczyną strat złota, które w wielu operacjach wydobycia złota sięgały nawet 40–60%.

Rysunek 8.14 (Tabela wyboru Warmana) to wstępny wybór cyklonów do separacji przy różnych rozmiarach D50 od 9–18 mikronów do 33–76 mikronów. Ta tabela, podobnie jak inne tego typu wykresy wydajności cyklonów, opiera się na starannie kontrolowanym dopływie określonego typu. Zakłada ona zawartość ciał stałych 2700 kg/m3 w wodzie jako pierwszy punkt odniesienia przy wyborze. Cyklony o większej średnicy są używane do produkcji grubych separacji, ale wymagają dużych objętości dopływu dla prawidłowego działania. Do drobnych separacji przy dużych objętościach dopływu wymagane są klastry cyklonów o małej średnicy działających równolegle. Ostateczne parametry projektowe dla bliskiego rozmiaru muszą zostać określone eksperymentalnie, a ważne jest, aby wybrać cyklon mniej więcej w połowie zakresu, tak aby wszelkie drobne korekty, które mogą być wymagane, można było wprowadzić na początku operacji.

Cyklon CBC (cyrkulacyjne złoże) ma klasyfikować materiały wsadowe złota aluwialnego o średnicy do 5 mm i uzyskiwać stale wysoki wsad jigowy z dolnego strumienia. Separacja odbywa się w przybliżeniuD50/150 mikronów na bazie krzemionki o gęstości 2,65. Podsiąk cyklonu CBC jest uważany za szczególnie podatny na separację jigową ze względu na stosunkowo gładką krzywą rozkładu wielkości i prawie całkowite usunięcie drobnych cząstek odpadów. Jednakże, chociaż twierdzi się, że ten system wytwarza wysokiej jakości koncentrat pierwotny ekwiwalentnych ciężkich minerałów w jednym przejściu z wsadu o stosunkowo dużym zakresie wielkości (np. piaski mineralne), nie są dostępne takie dane dotyczące wydajności dla materiału wsadowego aluwialnego zawierającego drobne i łuszczące się złoto. Tabela 8.5 przedstawia dane techniczne dla AKWhydrocyklonydla punktów odcięcia pomiędzy 30 a 100 mikronów.

Tabela 8.5. Dane techniczne hydrocyklonów AKW

Typ (KRS)	Średnica (mm)	Spadek ciśnienia	Pojemność		Punkt cięcia (mikrony)
Typ (KRS)	Średnica (mm)	Spadek ciśnienia	Gnojowica (m3/godz.)	Substancje stałe (t/h maks.).	Punkt cięcia (mikrony)
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

Rozwój technologii rozdrabniania i klasyfikacji rudy żelaza

A. Jankovic, w Ruda żelaza, 2015

8.3.3.1 Separatory hydrocyklonowe

Hydrocyklon, zwany również cyklonem, to urządzenie klasyfikujące, które wykorzystuje siłę odśrodkową do przyspieszenia szybkości opadania cząstek zawiesiny i oddzielania cząstek według rozmiaru, kształtu i ciężaru właściwego. Jest szeroko stosowany w przemyśle mineralnym, a jego głównym zastosowaniem w przetwórstwie minerałów jest klasyfikator, który okazał się niezwykle wydajny przy drobnych rozmiarach separacji. Jest szeroko stosowany w zamkniętych obiegach mielenia, ale znalazł wiele innych zastosowań, takich jak odszlamianie, usuwanie piasku i zagęszczanie.

Typowy hydrocyklon (rysunek 8.12a) składa się ze stożkowatego naczynia, otwartego na wierzchołku lub dolnego, połączonego z cylindryczną sekcją, która ma styczny wlot zasilający. Górna część cylindrycznej sekcji jest zamknięta płytą, przez którą przechodzi osiowo zamontowana rura przelewowa. Rura jest przedłużona do korpusu cyklonu przez krótką, wyjmowalną sekcję znaną jako wykrywacz wirowy, który zapobiega zwarciu wsadu bezpośrednio do przelewu. Wsad jest wprowadzany pod ciśnieniem przez styczny wlot, który nadaje ruch wirowy miazdze. Generuje to wir w cyklonie, ze strefą niskiego ciśnienia wzdłuż osi pionowej, jak pokazano na rysunku 8.12b. Rdzeń powietrzny rozwija się wzdłuż osi, zwykle połączony z atmosferą przez otwór wierzchołkowy, ale częściowo tworzony przez rozpuszczone powietrze wydostające się z roztworu w strefie niskiego ciśnienia. Siła odśrodkowa przyspiesza szybkość opadania cząstek, rozdzielając je według rozmiaru, kształtu i ciężaru właściwego. Szybciej opadające cząstki przemieszczają się do ściany cyklonu, gdzie prędkość jest najniższa, i migrują do otworu wierzchołkowego (przelewu). Ze względu na działanie siły oporu wolniej opadające cząstki przemieszczają się w kierunku strefy niskiego ciśnienia wzdłuż osi i są przenoszone w górę przez wykrywacz wirowy do przelewu.

Hydrocyklony są niemal powszechnie stosowane w obwodach mielących ze względu na ich wysoką wydajność i względną sprawność. Mogą one również klasyfikować w bardzo szerokim zakresie rozmiarów cząstek (zwykle 5–500 μm), przy czym mniejsze jednostki średnicy są używane do drobniejszej klasyfikacji. Jednak zastosowanie cyklonu w obwodach mielących magnetyt może powodować nieefektywną pracę z powodu różnicy gęstości między magnetytem a minerałami odpadowymi (krzemionką). Magnetyt ma gęstość właściwą około 5,15, podczas gdy krzemionka ma gęstość właściwą około 2,7. Whydrocyklony, gęste minerały oddzielają się przy drobniejszym rozmiarze cięcia niż minerały lżejsze. Dlatego uwolniony magnetyt jest koncentrowany w dolnym przepływie cyklonu, co powoduje nadmierne mielenie magnetytu. Napier-Munn i in. (2005) zauważyli, że związek między skorygowanym rozmiarem cięcia (d50c) a gęstość cząstek w zależności od warunków przepływu i innych czynników podlega wyrażeniu o następującej formie:

d50c∝ρs−ρl−n

Gdzieρs jest gęstością ciał stałych,ρl jest gęstością cieczy, anwynosi od 0,5 do 1,0. Oznacza to, że wpływ gęstości mineralnej na wydajność cyklonu może być dość znaczący. Na przykład, jeślid50c magnetytu wynosi 25 μm, więcd50c cząstek krzemionki będzie miało 40–65 μm. Rysunek 8.13 przedstawia krzywe wydajności klasyfikacji cyklonów dla magnetytu (Fe3O4) i krzemionki (SiO2) uzyskane z badania obwodu mielenia magnetytu w przemysłowym młynie kulowym. Separacja wielkości dla krzemionki jest znacznie grubsza, zd50c dla Fe3O4 o wielkości 29 μm, podczas gdy dla SiO2 wynosi 68 μm. Z powodu tego zjawiska młyny mielące magnetyt w obiegach zamkniętych z hydrocyklonami są mniej wydajne i mają niższą wydajność w porównaniu z innymi obiegami mielącymi rudę metali nieszlachetnych.

Technologia procesów wysokociśnieniowych: podstawy i zastosowania

MJ Cocero, doktorat, Biblioteka chemii przemysłowej, 2001

Urządzenia do separacji ciał stałych

•

Hydrocyklon

To jeden z najprostszych typów separatorów ciał stałych. Jest to urządzenie separujące o wysokiej wydajności, które może być używane do skutecznego usuwania ciał stałych w wysokich temperaturach i ciśnieniach. Jest ekonomiczny, ponieważ nie ma ruchomych części i wymaga niewielkiej konserwacji.

Wydajność separacji ciał stałych jest silną funkcją wielkości cząstek i temperatury. Brutto wydajności separacji bliskie 80% są osiągalne dla krzemionki i temperatur powyżej 300°C, podczas gdy w tym samym zakresie temperatur brutto wydajności separacji dla gęstszych cząstek cyrkonu są większe niż 99% [29].

Główną wadą hydrocyklonu jest tendencja niektórych soli do przywierania do jego ścian.

•

Mikrofiltracja krzyżowa

Filtry przepływu krzyżowego zachowują się podobnie do tego, co zwykle obserwuje się w filtracji przepływu krzyżowego w warunkach otoczenia: zwiększone szybkości ścinania i zmniejszona lepkość płynu powodują zwiększoną liczbę filtratu. Mikrofiltracja krzyżowa została zastosowana do oddzielania wytrąconych soli jako ciał stałych, co daje wydajność oddzielania cząstek zazwyczaj przekraczającą 99,9%. Goemansi in.[30] badali oddzielanie azotanu sodu od wody nadkrytycznej. W warunkach badania azotan sodu występował jako stopiona sól i mógł przechodzić przez filtr. Uzyskano wydajność oddzielania, która zmieniała się wraz z temperaturą, ponieważ rozpuszczalność spada wraz ze wzrostem temperatury, wahając się od 40% do 85%, odpowiednio dla 400 °C i 470 °C. Ci pracownicy wyjaśnili mechanizm oddzielania jako konsekwencję wyraźnej przepuszczalności medium filtrującego w kierunku roztworu nadkrytycznego, w przeciwieństwie do stopionej soli, na podstawie ich wyraźnie odrębnych lepkości. Dlatego możliwe byłoby nie tylko filtrowanie wytrąconych soli wyłącznie jako ciał stałych, ale także filtrowanie soli o niskiej temperaturze topnienia, które są w stanie stopionym.

Problemy eksploatacyjne spowodowane były głównie korozją filtrów spowodowaną solami.

Papier: Recykling i Materiały Pochodzące z Recyklingu

MR Doshi, JM Dyer, w module referencyjnym w nauce o materiałach i inżynierii materiałowej, 2016

3.3 Czyszczenie

Sprzątacze lubhydrocyklonyusuwać zanieczyszczenia z pulpy na podstawie różnicy gęstości między zanieczyszczeniem a wodą. Urządzenia te składają się ze stożkowego lub cylindryczno-stożkowego naczynia ciśnieniowego, do którego pulpa jest podawana stycznie do końca o dużej średnicy (rysunek 6). Podczas przechodzenia przez oczyszczacz pulpa rozwija wzór przepływu wirowego, podobny do tego w cyklonie. Przepływ obraca się wokół osi centralnej, gdy przechodzi od wlotu i w kierunku wierzchołka lub otworu podciśnieniowego wzdłuż wewnętrznej ścianki oczyszczacza. Prędkość przepływu obrotowego przyspiesza, gdy średnica stożka maleje. W pobliżu końca wierzchołkowego otwór o małej średnicy zapobiega odprowadzaniu większości przepływu, który zamiast tego obraca się w wewnętrznym wirze w rdzeniu oczyszczacza. Przepływ w rdzeniu wewnętrznym odpływa od otworu wierzchołkowego, aż do momentu, gdy zostanie rozładowany przez wykrywacz wirowy, znajdujący się na końcu o dużej średnicy w środku oczyszczacza. Materiał o większej gęstości, który został skoncentrowany przy ściance odkurzacza na skutek działania siły odśrodkowej, jest odprowadzany przez wierzchołek stożka (Bliss, 1994, 1997).

Czyszczarki są klasyfikowane jako o wysokiej, średniej lub niskiej gęstości w zależności od gęstości i wielkości usuwanych zanieczyszczeń. Czyszczarka o wysokiej gęstości, o średnicy od 15 do 50 cm (6–20 cali), jest używana do usuwania resztek metalu, spinaczy i zszywek i jest zwykle umieszczana bezpośrednio za pulperem. W miarę zmniejszania się średnicy czyszczarki, jej wydajność w usuwaniu zanieczyszczeń o małych rozmiarach wzrasta. Ze względów praktycznych i ekonomicznych cyklon o średnicy 75 mm (3 cale) jest zazwyczaj najmniejszym czyszczącym urządzeniem stosowanym w przemyśle papierniczym.

Odwrotne urządzenia czyszczące i przepływowe są przeznaczone do usuwania zanieczyszczeń o niskiej gęstości, takich jak wosk, polistyren i lepkie materiały. Odwrotne urządzenia czyszczące są tak nazwane, ponieważ strumień akceptantów jest zbierany na szczycie urządzenia czyszczącego, podczas gdy odrzuty wychodzą przez przelew. W urządzeniu czyszczącym przepływowym akceptanty i odrzuty wychodzą na tym samym końcu urządzenia czyszczącego, przy czym akceptanty w pobliżu ściany urządzenia czyszczącego są oddzielone od odrzutów centralną rurą w pobliżu rdzenia urządzenia czyszczącego, jak pokazano na rysunku 7.

Ciągłe wirówki stosowane w latach 20. i 30. XX wieku do usuwania piasku z pulpy zostały wycofane po opracowaniu hydrocyklonów. Gyroclean, opracowany w Centre Technique du Papier, Grenoble, Francja, składa się z cylindra obracającego się z prędkością 1200–1500 obr./min (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). Połączenie stosunkowo długiego czasu przebywania i dużej siły odśrodkowej pozwala zanieczyszczeniom o niskiej gęstości na wystarczająco długą migrację do rdzenia urządzenia czyszczącego, gdzie są odrzucane przez centralny wirowy wylot.

MT Thew, w Encyklopedii Nauki Separacji, 2000

Streszczenie

Chociaż ciało stałe-cieczhydrocyklonzostała ustalona przez większość XX wieku, zadowalająca wydajność separacji ciecz-ciecz pojawiła się dopiero w latach 80. XX wieku. Przemysł naftowy na morzu potrzebował kompaktowego, wytrzymałego i niezawodnego sprzętu do usuwania drobno rozdrobnionego oleju zanieczyszczającego z wody. Potrzebę tę zaspokoił znacząco inny typ hydrocyklonu, który oczywiście nie miał żadnych ruchomych części.

Po dokładniejszym wyjaśnieniu tej potrzeby i porównaniu jej z separacją cyklonową ciało stałe-ciecz w przetwórstwie minerałów, podano zalety hydrocyklonu w porównaniu z typami urządzeń instalowanymi wcześniej w celu spełnienia tego zadania.

Kryteria oceny wydajności separacji są wymienione przed omówieniem wydajności pod kątem składu wsadu, kontroli operatora i wymaganej energii, tj. iloczynu spadku ciśnienia i natężenia przepływu.

Środowisko produkcji ropy naftowej nakłada pewne ograniczenia na materiały, w tym problem erozji cząsteczkowej. Wymieniono typowe materiały używane. Przedstawiono dane dotyczące względnych kosztów dla typów zakładów separacji ropy, zarówno kapitałowych, jak i rekurencyjnych, choć źródeł jest niewiele. Na koniec opisano pewne wskazówki dotyczące dalszego rozwoju, ponieważ przemysł naftowy zwraca się w stronę sprzętu zainstalowanego na dnie morskim lub nawet na dnie odwiertu.

Pobieranie próbek, kontrola i bilansowanie masy

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., w Wills' Mineral Processing Technology (ósme wydanie), 2016

3.7.1 Wykorzystanie rozmiaru cząstek

Wiele jednostek, takich jakhydrocyklonyi separatory grawitacyjne zapewniają pewien stopień rozdzielenia wielkości cząstek, a dane dotyczące wielkości cząstek można wykorzystać do bilansowania masy (przykład 3.15).

Przykład 3.15 jest przykładem minimalizacji nierównowagi węzłów; podaje on na przykład wartość początkową dla minimalizacji uogólnionej najmniejszych kwadratów. To podejście graficzne można stosować zawsze, gdy występuje „nadmiar” danych składowych; w przykładzie 3.9 można było go użyć.

Przykład 3.15 używa cyklonu jako węzła. Drugim węzłem jest studzienka: jest to przykład 2 wejść (świeże zasilanie i rozładowanie młyna kulowego) i jednego wyjścia (zasilanie cyklonu). Daje to kolejny bilans masy (przykład 3.16).

W rozdziale 9 powrócimy do przykładu obwodu mielącego, wykorzystując skorygowane dane w celu określenia krzywej podziału cyklonu.

Czas publikacji: 07-05-2019