Гидроциклоны

Описание

ГидроциклоныИмеют коноцилиндрическую форму с тангенциальным входом в цилиндрическую секцию и выходом по каждой оси. Выход в цилиндрической секции называется вихревым искателем и входит в циклон для уменьшения короткого потока непосредственно от входа. На коническом конце расположен второй выход – патрубок. Для разделения по размеру оба выхода, как правило, открыты в атмосферу. Гидроциклоны обычно работают вертикально с патрубком в нижнем конце, поэтому грубый продукт называется нижним продуктом, а мелкий продукт, выходящий из вихревого искателя, – верхним продуктом. На рисунке 1 схематически показаны основные потоки и конструктивные особенности типичного гидроциклона.гидроциклон: два вихря: тангенциальный вход и осевые выходы. За исключением области непосредственного входа тангенциального потока, движение жидкости внутри циклона имеет радиальную симметрию. Если один или оба выхода открыты в атмосферу, зона низкого давления приводит к образованию газового ядра вдоль вертикальной оси внутри внутреннего вихря.

Принцип работы прост: жидкость, несущая взвешенные частицы, поступает в циклон по касательной, закручивается вниз по спирали и создает центробежное поле в свободном вихревом потоке. Более крупные частицы движутся сквозь жидкость к внешней стороне циклона по спирали и выходят через патрубок с частью жидкости. Благодаря ограниченной площади патрубка, образуется внутренний вихрь, вращающийся в том же направлении, что и внешний вихрь, но направленный вверх, который выходит из циклона через вихреуловитель, унося с собой большую часть жидкости и более мелких частиц. При превышении пропускной способности патрубка воздушный сердечник перекрывается, и распыление через патрубок преобразуется из зонтикообразного в «шнур», что приводит к потере крупного материала в слив.

Диаметр цилиндрической части является основным параметром, влияющим на размер отделяемых частиц, хотя диаметры выходных отверстий можно изменять независимо для достижения необходимой степени разделения. Первые эксперименты проводились с циклонами диаметром всего 5 мм, однако в настоящее время диаметры коммерческих гидроциклонов варьируются от 10 мм до 2,5 м, а размер отделяемых частиц плотностью 2700 кг·м−3 составляет от 1,5 до 300 мкм, уменьшаясь с увеличением плотности частиц. Рабочее давление варьируется от 10 бар для малых диаметров до 0,5 бар для больших гидроциклонов. Для увеличения производительности используются несколько небольших гидроциклонов.гидроциклонымогут быть подключены к одной линии подачи.

Несмотря на простоту принципа действия, многие аспекты их работы до сих пор плохо изучены, а выбор и прогнозирование гидроциклонов для промышленной эксплуатации в значительной степени носят эмпирический характер.

Классификация

Барри А. Уиллс, Джеймс А. Финч, член Королевского совета по технологическому прогрессу (FRSC), член Королевского совета по технологическому прогрессу (FCIM), магистр инженерных наук, в книге «Технология переработки минералов» Уиллса (восьмое издание), 2016 г.

9.4.3 Гидроциклоны против экранов

Гидроциклоны стали доминировать в классификации при работе с мелкими частицами в замкнутых циклах измельчения (<200 мкм). Однако последние разработки в технологии просеивания (глава 8) возобновили интерес к использованию просеивателей в циклах измельчения. Сита разделяют материал по размеру и не зависят напрямую от разброса плотности исходных минералов. Это может быть преимуществом. Сита также не имеют байпасной фракции, и, как показано в примере 9.2, байпас может быть довольно большим (в этом случае более 30%). На рисунке 9.8 показан пример разницы в кривых распределения для циклонов и сит. Данные получены с обогатительной фабрики El Brocal в Перу с оценками до и после замены гидроциклонов на Derrick Stack Sizer® (см. главу 8) в цикле измельчения (Dündar et al., 2014). Как и ожидалось, по сравнению с циклоном, сито обеспечивало более резкое разделение (выше наклон кривой) и незначительный байпас. Отмечено увеличение производительности измельчительного контура за счёт повышения уровня дробления после установки грохота. Это объясняется устранением байпаса, что снижает количество мелкого материала, возвращаемого в измельчительные мельницы, что, как правило, смягчает столкновения частиц друг с другом.

Однако переход не является односторонним: недавним примером является переход с грохота на циклон, позволяющий воспользоваться преимуществом дополнительного измельчения более плотных полезных ископаемых (Sasseville, 2015).

Металлургический процесс и проектирование

Эойн Х. Макдональд, в «Справочнике по разведке и оценке золота», 2007 г.

Гидроциклоны

Гидроциклоны являются предпочтительными агрегатами для классификации или обесшламливания больших объемов пульпы, поскольку они экономичны и занимают очень мало места. Они работают наиболее эффективно при подаче с равномерной скоростью потока и плотностью пульпы и используются по отдельности или в кластерах для достижения желаемой общей производительности при требуемом разделении. Возможности классификации основаны на центробежных силах, создаваемых высокими тангенциальными скоростями потока через агрегат. Первичный вихрь, образуемый поступающей пульпой, движется по спирали вниз вокруг внутренней стенки конуса. Твёрдые частицы выбрасываются наружу центробежной силой, так что по мере движения пульпы вниз её плотность увеличивается. Вертикальные составляющие скорости направлены вниз вблизи стенок конуса и вверх вблизи оси. Менее плотная фракция шлама, отделенная центробежным способом, выталкивается вверх через вихревой искатель и выходит через отверстие в верхней части конуса. Промежуточная зона или оболочка между двумя потоками имеет нулевую вертикальную скорость и отделяет более крупные твёрдые частицы, движущиеся вниз, от более мелких, движущихся вверх. Основная часть потока поднимается вверх внутри меньшего внутреннего вихря, и более высокие центробежные силы выбрасывают крупные из мелких частиц наружу, обеспечивая более эффективное разделение на более мелкие фракции. Эти частицы возвращаются во внешний вихрь и снова поступают в отсадочную машину.

Геометрия и условия эксплуатации в спиральной схеме потока типичногогидроциклонпредставлены на рис. 8.13. Эксплуатационными параметрами являются плотность пульпы, расход питания, характеристики твердого вещества, давление на входе питания и перепад давления в циклоне. Параметрами циклона являются площадь входного отверстия для питания, диаметр и длина вихревого искателя, а также диаметр выпускного патрубка. Значение коэффициента сопротивления также зависит от формы: чем больше частица отклоняется от сферичности, тем меньше её коэффициент формы и тем выше её сопротивление осаждению. Зона критического напряжения может достигать некоторых частиц золота размером до 200 мм, поэтому тщательный контроль процесса классификации необходим для снижения чрезмерной рециркуляции и, как следствие, накопления шлама. Исторически сложилось так, что, когда извлечению 150% золота уделялось мало внимания,μм золотых зерен, перенос золота во фракциях шлама, по-видимому, в значительной степени обусловил потери золота, которые, как было зафиксировано, достигли 40–60 % во многих операциях по добыче россыпного золота.

На рисунке 8.14 (таблица выбора Уормана) показан предварительный выбор циклонов для разделения с различными размерами частиц D50 от 9–18 микрон до 33–76 микрон. Эта таблица, как и другие подобные таблицы производительности циклонов, основана на тщательно контролируемом питании определенного типа. В качестве первого ориентира для выбора она предполагает содержание твердых частиц в воде 2700 кг/м³. Циклоны большего диаметра используются для грубого разделения, но требуют больших объемов питания для надлежащего функционирования. Тонкое разделение при больших объемах питания требует кластеров циклонов малого диаметра, работающих параллельно. Окончательные параметры конструкции для близкого размера должны быть определены экспериментально, и важно выбрать циклон примерно посередине диапазона, чтобы любые необходимые незначительные корректировки можно было внести в начале эксплуатации.

Циклон с циркулирующим слоем (CBC) предназначен для классификации россыпного золота диаметром до 5 мм и получения стабильно высокого содержания отсадочной массы из нижнего продукта. Разделение происходит примерно приD50/150 микрон на основе кремнезёма плотностью 2,65. Утверждается, что нижний продукт циклона CBC особенно хорошо поддаётся отсадочной сепарации благодаря относительно плавной кривой распределения размеров и практически полному удалению мелких частиц отходов. Однако, хотя эта система, как утверждается, производит высококачественный первичный концентрат из редких тяжёлых минералов за один проход из относительно широкого диапазона размеров исходного сырья (например, минеральных песков), для исходного материала россыпных месторождений, содержащего мелкое и чешуйчатое золото, такие показатели производительности отсутствуют. В таблице 8.5 приведены технические данные для AKW.гидроциклоныдля точек отсечения от 30 до 100 микрон.

Таблица 8.5 Технические характеристики гидроциклонов AKW

Тип (КРС)	Диаметр (мм)	Падение давления	Емкость		Точка отсечения (микроны)
Тип (КРС)	Диаметр (мм)	Падение давления	Шлам (м3/час)	Твердые частицы (т/ч макс.).	Точка отсечения (микроны)
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

Разработки в области технологий измельчения и классификации железной руды

А. Янкович, в «Железной руде», 2015 г.

8.3.3.1 Гидроциклонные сепараторы

Гидроциклон, также известный как циклон, представляет собой классифицирующее устройство, использующее центробежную силу для ускорения осаждения частиц пульпы и их разделения по размеру, форме и удельному весу. Он широко используется в горнодобывающей промышленности, в основном в качестве классификатора при обогащении полезных ископаемых, который доказал свою высокую эффективность при тонком разделении. Он широко используется в процессах измельчения в замкнутом цикле, но также находит множество других применений, таких как обесшламливание, песколовка и сгущение.

Типичный гидроциклон (рис. 8.12а) состоит из конического сосуда, открытого в верхней части (нижнем сливе), соединённого с цилиндрической секцией с тангенциальным входным отверстием для подачи. Верхняя часть цилиндрической секции закрыта пластиной, через которую проходит аксиально установленная переливная труба. Труба продолжается в корпусе циклона короткой съёмной секцией, известной как вихреуловитель, которая предотвращает замыкание подачи непосредственно в слив. Подача вводится под давлением через тангенциальный вход, что придаёт пульпе вихревое движение. Это создаёт в циклоне вихрь с зоной низкого давления вдоль вертикальной оси, как показано на рис. 8.12б. Вдоль оси образуется воздушное ядро, обычно соединённое с атмосферой через отверстие в верхней части, но частично создаваемое растворённым воздухом, выходящим из раствора в зоне низкого давления. Центробежная сила ускоряет осаждение частиц, тем самым разделяя их по размеру, форме и удельному весу. Более быстро оседающие частицы движутся к стенке циклона, где скорость наименьшая, и мигрируют к вершине (нижнему сливу). Под действием силы сопротивления более медленно оседающие частицы перемещаются к зоне низкого давления вдоль оси и выносятся вверх через вихревой приемник к верхнему сливу.

Гидроциклоны практически повсеместно используются в циклах измельчения благодаря своей высокой производительности и относительной эффективности. Они также способны классифицировать частицы в очень широком диапазоне размеров (обычно 5–500 мкм), при этом для более тонкой классификации используются гидроциклоны меньшего диаметра. Однако применение циклонов в циклах измельчения магнетита может привести к неэффективной работе из-за разницы в плотности магнетита и отходов (кремнезема). Удельная плотность магнетита составляет около 5,15, а кремнезема — около 2,7.гидроциклоныПлотные минералы отделяются с более мелким размером частиц, чем более лёгкие. Поэтому высвобождаемый магнетит концентрируется в нижнем продукте циклона, что приводит к его переизмельчению. Нейпир-Манн и др. (2005) отметили, что соотношение между скорректированным размером частиц (d50c) и плотность частиц подчиняются выражению следующего вида в зависимости от условий потока и других факторов:

d50c∝ρs−ρl−n

гдеρs — плотность твердого вещества,ρl — плотность жидкости, аnнаходится в диапазоне от 0,5 до 1,0. Это означает, что влияние плотности минералов на эффективность циклона может быть весьма значительным. Например, еслиd50с магнетита составляет 25 мкм, тогдаd50c частиц кремнезёма будут иметь размер 40–65 мкм. На рисунке 8.13 показаны кривые эффективности циклонной классификации магнетита (Fe3O4) и кремнезёма (SiO2), полученные в ходе исследования цикла измельчения магнетита в промышленной шаровой мельнице. Разделение по размеру для кремнезёма происходит гораздо грубее, сd50c для Fe3O4 составляет 29 мкм, а для SiO2 — 68 мкм. В связи с этим мельницы для измельчения магнетита в замкнутых циклах с гидроциклонами менее эффективны и имеют меньшую производительность по сравнению с другими циклами измельчения цветных руд.

Технология обработки высокого давления: основы и применение

М. Дж. Косеро, доктор философии, в библиотеке промышленной химии, 2001 г.

Устройства для разделения твердых частиц

•

Гидроциклон

Это один из самых простых типов сепараторов твердых частиц. Это высокоэффективное разделительное устройство, которое может использоваться для эффективного удаления твердых частиц при высоких температурах и давлениях. Оно экономично, поскольку не имеет движущихся частей и требует минимального обслуживания.

Эффективность разделения твердых веществ сильно зависит от размера частиц и температуры. Для кремнезема и температур выше 300 °C достигается общая эффективность разделения, близкая к 80%, тогда как в том же диапазоне температур общая эффективность разделения для более плотных частиц циркона превышает 99% [29].

Основным недостатком работы гидроциклона является тенденция некоторых солей прилипать к стенкам циклона.

•

Перекрестная микрофильтрация

Фильтры с поперечным потоком ведут себя аналогично фильтрованию с поперечным потоком в условиях окружающей среды: повышенные скорости сдвига и пониженная вязкость жидкости приводят к увеличению количества фильтрата. Метод поперечных микрофильтраций применяется для отделения осажденных солей в виде твердых частиц, обеспечивая эффективность отделения частиц, обычно превышающую 99,9%.и др.[30] изучали отделение нитрата натрия от сверхкритической воды. В условиях исследования нитрат натрия присутствовал в виде расплавленной соли и был способен проходить через фильтр. Были получены значения эффективности разделения, которые зависели от температуры, поскольку растворимость уменьшалась с ростом температуры, в диапазоне от 40% до 85% для 400 °C и 470 °C соответственно. Эти исследователи объяснили механизм разделения как следствие различной проницаемости фильтрующей среды по отношению к сверхкритическому раствору, в отличие от расплавленной соли, основываясь на их явно различных вязкостях. Следовательно, можно было бы не только фильтровать осажденные соли просто как твердые вещества, но и фильтровать те соли с низкой температурой плавления, которые находятся в расплавленном состоянии.

Проблемы в работе были вызваны в основном коррозией фильтров под воздействием солей.

Бумага: переработка и переработанные материалы

М.Р. Доши, Дж.М. Дайер, в справочном модуле по материаловедению и материаловедению, 2016 г.

3.3 Очистка

Уборщики илигидроциклоныудаляют загрязняющие вещества из пульпы, используя разницу в плотности загрязняющего вещества и воды. Эти устройства состоят из конического или цилиндро-конического сосуда под давлением, в который пульпа подается тангенциально с конца большего диаметра (рисунок 6). При прохождении через очиститель пульпа образует вихревой поток, подобный циклону. Поток вращается вокруг центральной оси по мере удаления от входного отверстия к вершине или отверстию для нижнего продукта вдоль внутренней стенки очистителя. Скорость вращательного потока увеличивается по мере уменьшения диаметра конуса. Вблизи конца вершины отверстие малого диаметра предотвращает выброс большей части потока, который вместо этого вращается во внутреннем вихре в центре очистителя. Поток во внутреннем ядре течет от отверстия вершины, пока не выйдет через вихреуловитель, расположенный на конце большего диаметра в центре очистителя. Материал с более высокой плотностью, сконцентрированный у стенки очистителя из-за центробежной силы, выгружается через вершину конуса (Блисс, 1994, 1997).

Очистители подразделяются на очистители высокой, средней и низкой плотности в зависимости от плотности и размера удаляемых загрязнений. Очиститель высокой плотности диаметром от 15 до 50 см (от 6 до 20 дюймов) используется для удаления металлических примесей, скрепок и скоб и обычно устанавливается сразу за гидроразбивателем. С уменьшением диаметра очистителя увеличивается его эффективность в удалении мелких загрязнений. По практическим и экономическим причинам циклон диаметром 75 мм (3 дюйма) обычно является самым компактным очистителем, используемым в бумажной промышленности.

Обратные и проточные очистители предназначены для удаления загрязнений низкой плотности, таких как воск, полистирол и липкие вещества. Обратные очистители получили такое название, поскольку поток отбракованных материалов собирается на вершине очистителя, а отбракованные материалы выходят через слив. В проточном очистителе отбракованные материалы и отбракованные материалы выходят с одного и того же конца очистителя, при этом отбракованные материалы находятся у стенки очистителя и отделены от отбракованных материалов центральной трубкой, расположенной рядом с сердцевиной очистителя, как показано на рисунке 7.

Центрифуги непрерывного действия, использовавшиеся в 1920-х и 1930-х годах для удаления песка из пульпы, были сняты с производства после разработки гидроциклонов. Gyroclean, разработанный в Центре технологий бумажной промышленности в Гренобле, Франция, состоит из цилиндра, вращающегося со скоростью 1200–1500 об/мин (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). Сочетание относительно длительного времени пребывания и высокой центробежной силы позволяет низкоплотным загрязняющим веществам достаточно времени для миграции в центральную часть очистителя, где они выбрасываются через центральный вихревой выход.

М. Тью, в «Энциклопедии науки о разделении», 2000 г.

Синопсис

Хотя твердое тело–жидкостьгидроциклонНесмотря на то, что технология была разработана на протяжении большей части XX века, удовлетворительные результаты разделения жидкости и жидкости были достигнуты лишь в 1980-х годах. Морская нефтяная промышленность нуждалась в компактном, прочном и надежном оборудовании для удаления мелкодисперсной нефтяной грязи из воды. Эту потребность удовлетворил совершенно иной тип гидроциклона, который, конечно же, не имел движущихся частей.

После более подробного объяснения этой потребности и ее сравнения с циклонным разделением твердой и жидкой фаз при обогащении полезных ископаемых приводятся преимущества, которые гидроциклон давал по сравнению с другими типами оборудования, установленными ранее для выполнения этой задачи.

Критерии оценки эффективности разделения перечислены до обсуждения производительности с точки зрения состава подачи, управления оператором и требуемой энергии, т. е. произведения падения давления и расхода.

Условия добычи нефти накладывают определённые ограничения на материалы, включая проблему эрозии, вызываемой твердыми частицами. Упоминаются типичные используемые материалы. Приводятся относительные данные о затратах на различные типы установок по разделению нефти, как капитальных, так и текущих, хотя источники информации немногочисленны. В заключение приводятся некоторые рекомендации по дальнейшему развитию, поскольку нефтяная промышленность рассматривает возможность установки оборудования на морском дне или даже на забое скважины.

Отбор проб, контроль и балансировка масс

3.7.1 Использование размера частиц

Многие подразделения, такие какгидроциклоныи гравитационные сепараторы обеспечивают определенную степень разделения по размеру, а данные о размере частиц могут быть использованы для балансировки массы (пример 3.15).

Пример 3.15 представляет собой пример минимизации дисбаланса узлов; он, например, предоставляет начальное значение для минимизации обобщенного метода наименьших квадратов. Этот графический подход можно использовать при наличии «избыточных» данных компонентов; в примере 3.9 он мог бы быть использован.

В примере 3.15 в качестве узла используется циклон. Второй узел — отстойник: это пример двух входов (свежее питание и разгрузка шаровой мельницы) и одного выхода (питание циклона). Это даёт другой баланс масс (пример 3.16).

В главе 9 мы вернемся к этому примеру схемы измельчения, используя скорректированные данные для определения кривой разделения циклона.

Время публикации: 07 мая 2019 г.