Hydrocykloner

Beskrivning

Hydrocyklonerär konocylindriska till formen, med ett tangentiellt matningsinlopp in i den cylindriska sektionen och ett utlopp vid varje axel. Utloppet vid den cylindriska sektionen kallas virvelfinnaren och sträcker sig in i cyklonen för att minska kortslutningsflöde direkt från inloppet. Vid den koniska änden finns det andra utloppet, tappen. För storleksseparation är båda utloppen vanligtvis 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 virvelfinnaren överflödet. Figur 1 visar schematiskt det huvudsakliga flödet och designfunktionerna för en typiskhydrocyklon: de två virvlarna, det tangentiella inloppet och de axiella utloppen. Förutom det omedelbara området kring det tangentiella inloppet har fluidrörelsen 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, spiralformas nedåt och producerar ett centrifugalfält i fritt virvelflöde. Större partiklar rör sig genom vätskan till utsidan av cyklonen i en spiralrörelse och ut genom tappen med en bråkdel av vätskan. På grund av tappens begränsade area etableras en inre virvel, som roterar i samma riktning som den yttre virveln men strömmar 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 tappens utlopp ändras från en paraplyformad spray till ett "rep" och en förlust av grovt material till överflödet.

Diametern på den cylindriska sektionen är den viktigaste variabeln som påverkar storleken på de partiklar som kan separeras, även om utloppsdiametrarna kan ändras oberoende för att förändra den uppnådda separationen. Medan tidiga forskare experimenterade med cykloner så små som 5 mm i diameter, varierar kommersiella hydrocyklondiametrar för närvarande från 10 mm till 2,5 m, med separationsstorlekar för partiklar med en densitet på 2700 kg m−3 på 1,5–300 μm, vilket minskar med ökad partikeldensitet. Driftstryckfallet varierar från 10 bar för små diametrar till 0,5 bar för stora enheter. För att öka kapaciteten används flera små...hydrocyklonerkan manifoldas från en enda matningsledning.

Även om funktionsprincipen är enkel, är många aspekter av deras funktion fortfarande dåligt förstådda, och val och förutsägelse av hydrocykloner 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 siktar

Hydrocykloner har kommit att dominera klassificeringen när det gäller fina partikelstorlekar i slutna malningskretsar (<200 µm). Den senaste utvecklingen inom siktteknik (kapitel 8) har dock förnyat intresset för att använda siktar i malningskretsar. Siktar separerar baserat på storlek och påverkas inte direkt av densitetsspridningen i råmaterialmineralerna. Detta kan vara en fördel. Siktar har inte heller någon bypass-fraktion, och som exempel 9.2 har visat kan bypass-fraktionen vara ganska stor (över 30 % i det fallet). Figur 9.8 visar ett exempel på skillnaden i fördelningskurva för cykloner och siktar. Data kommer 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 överensstämmelse med förväntan hade sikten en skarpare separation (kurvans lutning är högre) och liten bypass jämfört med cyklonen. En ökning av malningskretsens kapacitet rapporterades på grund av högre brottfrekvenser efter implementeringen av sikten. Detta tillskrevs elimineringen av förbikopplingen, vilket minskade mängden fint material som skickades tillbaka till kvarnarna, vilket tenderar att dämpa partikel-partikel-stötar.

Övergången är dock inte en väg: ett aktuellt exempel är en övergång från sikt till cyklon, för att dra nytta av den ytterligare storleksminskningen av de tätare paymineralerna (Sasseville, 2015).

Metallurgisk process och design

Eoin H. Macdonald, i Handbok för guldprospektering och utvärdering, 2007

Hydrocykloner

Hydrocykloner är föredragna enheter för att sortera eller avslemma stora slamvolymer billigt och eftersom de upptar mycket lite golvyta eller takhöjd. De fungerar mest effektivt när de matas med jämn flödeshastighet och massadensitet och används individuellt eller i kluster för att uppnå önskad totalkapacitet vid erforderliga uppdelningar. Sorteringskapaciteten är beroende av centrifugalkrafter som genereras av höga tangentiella flödeshastigheter genom enheten. Den primära virveln som bildas av den inkommande slammen verkar spiralformigt nedåt runt den inre konväggen. Fasta ämnen slungas utåt av centrifugalkraften så att när massan rör sig nedåt ökar dess densitet. Vertikala komponenter av hastigheten verkar nedåt nära konväggarna och uppåt nära axeln. Den mindre täta centrifugalseparerade slamfraktionen tvingas uppåt genom virvelsökaren för att passera ut genom öppningen i konens övre ände. En mellanliggande zon eller hölje mellan de två flödena har noll vertikal hastighet och separerar de grövre fasta ämnena som rör sig nedåt från de finare fasta ämnena som rör sig uppåt. Huvuddelen av flödet passerar uppåt i 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 återigen till jiggen.

Geometrin och driftsförhållandena inom det spiralformade flödesmönstret för en typiskhydrocyklonbeskrivs i figur 8.13. Operativa variabler är massadensitet, matningsflödeshastighet, fastämnesegenskaper, matningsinloppstryck och tryckfall genom cyklonen. Cyklonvariabler är matningsinloppets area, virvelfinnarens diameter och längd, samt tapputloppets diameter. Värdet på luftmotståndskoefficienten påverkas också av formen; ju mer en partikel varierar från sfäricitet, desto mindre är dess formfaktor och desto större är dess sedimentationsmotstånd. Den kritiska spänningszonen kan sträcka sig till vissa guldpartiklar så stora som 200 mm och noggrann övervakning av klassificeringsprocessen är därför avgörande för att minska överdriven återvinning och den resulterande uppbyggnaden av slam. Historiskt sett, när liten uppmärksamhet ägnades åt återvinningen av 150μm guldkorn verkar överföring av guld i slamfraktionerna ha varit till stor del ansvarig för guldförlusterna som registrerades vara så höga som 40–60 % i många guldplaceringsoperationer.

Figur 8.14 (Warmans urvalstabell) är ett preliminärt urval av cykloner för separation vid olika D50-storlekar från 9–18 mikron upp till 33–76 mikron. Detta diagram, liksom andra sådana diagram över cyklonprestanda, är baserat på en noggrant kontrollerad matning av en specifik typ. Det antar en fast substanshalt på 2 700 kg/m3 i vatten som en första vägledning för valet. Cykloner med större diameter används för att producera grovseparationer men kräver höga matningsvolymer för korrekt funktion. Finseparationer vid höga matningsvolymer kräver kluster av cykloner med liten diameter som arbetar parallellt. De slutliga designparametrarna för snäv dimensionering måste bestämmas experimentellt, och det är viktigt att välja en cyklon runt mitten av intervallet så att eventuella mindre justeringar som kan krävas kan göras i början av driften.

CBC-cyklonen (cirkulerande bädd) påstås klassificera alluviala guldråvaror upp till 5 mm i diameter och erhålla en konsekvent hög jiggmatning från underflödet. Separationen sker vid ungefär ...D50/150 mikron baserat på kiseldioxid med densitet 2,65. CBC-cyklonens underflöde påstås vara särskilt lämpat för jiggeparation på grund av dess relativt jämna storleksfördelningskurva och nästan fullständiga avlägsnande av fina avfallspartiklar. Även om detta system påstås producera ett högkvalitativt primärkoncentrat av lika stora tungmineraler i ett svep från en råvara med relativt långt storleksintervall (t.ex. mineralsand), finns inga sådana prestandasiffror tillgängliga för alluvialt råmaterial som innehåller fint och flagnande guld. Tabell 8.5 ger tekniska data för AKW.hydrocyklonerför gränsvärden 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	Slam (m3/timme)	Fasta ämnen (max t/h).	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

Utvecklingen inom teknik för sönderdelning och klassificering av järnmalm

A. Jankovic, i Järnmalm, 2015

8.3.3.1 Hydrocyklonseparatorer

Hydrocyklonen, även kallad cyklon, är en klassificeringsanordning som använder centrifugalkraft för att accelerera sedimenteringshastigheten för slampartiklar och separera partiklar efter storlek, form och specifik vikt. Den används ofta inom mineralindustrin, med sin huvudsakliga användning inom mineralbearbetning som klassificeringsanordning, vilket har visat sig extremt effektivt vid fina separationsstorlekar. Den används i stor utsträckning i slutna malningsprocesser men har funnit många andra användningsområden, såsom avslamning, avsandning 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 försluten med en platta genom vilken ett axiellt monterat överflödesrör passerar. Röret förlängs in i cyklonens kropp med en kort, avtagbar sektion, känd som virvelfinnaren, som förhindrar kortslutning av matningen direkt i överflödet. Matningen införs under tryck genom den tangentiella ingången, vilket ger massan en virvlande rörelse. 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 ansluten till atmosfären genom spetsöppningen, men delvis skapad av upplöst luft som kommer ut ur lösningen i lågtryckszonen. Centrifugalkraften accelererar partiklarnas sedimenteringshastighet, varigenom partiklarna separeras efter storlek, form och specifik vikt. Snabbare sedimenterande partiklar rör sig till cyklonens vägg, där hastigheten är lägst, och migrerar till apexöppningen (underflödet). På grund av bromskraftens inverkan rör sig de långsammare sedimenterande partiklarna mot lågtryckszonen längs axeln och transporteras uppåt genom virvelsökaren till överflödet.

Hydrocykloner används nästan universellt i malningskretsar på grund av sin höga kapacitet och relativa effektivitet. De kan också klassificera över ett mycket brett spektrum av partikelstorlekar (vanligtvis 5–500 μm), där enheter med mindre diameter används för finare klassificering. Emellertid kan cyklonanvändning 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 mineral separeras vid en finare skärstorlek än lättare mineral. Därför koncentreras frigjord magnetit i cyklonens underflöde, med åtföljande övermalning av magnetiten. Napier-Munn et al. (2005) noterade att förhållandet mellan den korrigerade skärstorleken (d50c) och partikeldensiteten följer ett uttryck av följande form beroende på flödesförhållanden och andra faktorer:

d50c∝ρs−ρl−n

därρs är den fasta substansens densitet,ρl är vätskedensiteten, ochnär mellan 0,5 och 1,0. Detta innebär att effekten av mineraldensitet på cyklonens prestanda kan vara ganska betydande. Till exempel, omd50c av magnetiten är 25 μm, dåd50c av kiseldioxidpartiklar kommer att vara 40–65 μm. Figur 8.13 visar cyklonklassificeringseffektivitetskurvorna för magnetit (Fe3O4) och kiseldioxid (SiO2) erhållna från undersökningen av en industriell kulkvarns magnetitmalningskrets. Storleksseparationen för kiseldioxid är mycket grövre, med end50c för Fe3O4 på 29 μm, medan den för SiO2 är 68 μm. På grund av detta fenomen är magnetitmalningskvarnar i slutna kretsar med hydrocykloner mindre effektiva och har lägre kapacitet jämfört med andra malningskretsar för basmetallmalm.

Högtrycksprocessteknik: Grunder och tillämpningar

MJ Cocero PhD, i industriell kemi, biblioteket, 2001

Anordningar för separation 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 starkt beroende av partikelstorlek och temperatur. Brutto separationseffektiviteter nära 80 % kan uppnås för kiseldioxid och temperaturer över 300 °C, medan brutto separationseffektiviteterna för tätare zirkonpartiklar inom samma temperaturintervall är större än 99 % [29].

Det största nackdelen med hydrocyklondrift är tendensen hos vissa salter att vidhäfta till cyklonväggarna.

•

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 för separation av utfällda salter som fasta ämnen, vilket ger partikelseparationseffektiviteter som vanligtvis överstiger 99,9%. Goemansm.fl.[30] studerade separation av natriumnitrat från superkritiskt vatten. Under studiens förhållanden var natriumnitrat närvarande som smält salt och kunde passera filtret. Separationseffektiviteter erhölls som varierade med temperaturen, eftersom lösligheten minskar när temperaturen ökar, mellan 40 % och 85 %, för 400 °C respektive 470 °C. Dessa forskare förklarade separationsmekanismen som en konsekvens av en distinkt permeabilitet hos filtermediet gentemot den superkritiska lösningen, i motsats till det smälta saltet, baserat på deras tydligt 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 huvudsakligen på filterkorrosion orsakad av salterna.

Papper: Återvinning och återvunna material

MR Doshi, JM Dyer, i Referensmodul i Materialvetenskap och Materialteknik, 2016

3.3 Rengöring

Städare ellerhydrocykloneravlägsna föroreningar från massa baserat på densitetsskillnaden mellan föroreningen och vatten. Dessa anordningar består av koniska eller cylindrisk-koniska tryckkärl i vilka massa matas tangentiellt vid änden med stor diameter (Figur 6). Under passagen genom renaren utvecklar massan ett virvelflödesmönster, liknande det hos en cyklon. Flödet roterar runt den centrala axeln när det passerar bort från inloppet och mot spetsen, eller underflödesöppningen, längs insidan av renarens vägg. Rotationsflödeshastigheten accelererar när konens diameter minskar. Nära spetsen förhindrar öppningen med liten diameter utsläpp av det mesta av flödet, som istället roterar i en inre virvel vid renarens kärna. Flödet vid den inre kärnan strömmar bort från spetsens öppning tills det släpps ut genom virvelsökaren, som är placerad vid änden med stor diameter i mitten av renaren. Materialet med högre densitet, som har koncentrerats vid renarens vägg på grund av centrifugalkraften, släpps ut vid konens spetsen (Bliss, 1994, 1997).

Rengöringsmedel klassificeras som hög, medel eller låg densitet beroende på densiteten och storleken på de föroreningar som avlägsnas. En högdensitetsrengörare, med en diameter från 15 till 50 cm (6–20 tum), används för att avlägsna lösmetall, gem och häftklamrar och placeras vanligtvis omedelbart efter pulpern. När rengörarens diameter minskar ökar dess effektivitet vid avlägsnande av små föroreningar. Av praktiska och ekonomiska skäl är cyklonen med en diameter på 75 mm (3 tum) i allmänhet den minsta rengöraren som används inom pappersindustrin.

Omvända rengöringsmedel och genomflödesrengöringsmedel är utformade för att avlägsna föroreningar med låg densitet, såsom vax, polystyren och klibbiga ämnen. Omvända rengöringsmedel har fått sitt namn eftersom acceptflödet samlas upp vid rengöringsspetsen medan rejektet kommer ut vid överflödet. I genomflödesrengöringsmedlet kommer accept och rejekt ut i samma ände av rengöraren, med accept nära rengöringsväggen separerade från rejektet av ett centralt rör nära rengöringsmedlets kärna, som visas i figur 7.

Kontinuerliga centrifuger som användes på 1920- och 1930-talen för att avlägsna sand från massa upphörde 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 ger föroreningar med låg densitet tillräckligt med tid att migrera till renarens kärna där de avvisas genom den centrala virvelutströmningen.

MT Thew, i Encyklopedi för separationsvetenskap, 2000

Synopsis

Även om det fasta-flytandehydrocyklonhar funnits under större delen av 1900-talet, men tillfredsställande vätske-vätskeseparationsprestanda uppnåddes inte förrän på 1980-talet. Offshore-oljeindustrin behövde kompakt, robust och pålitlig utrustning för att avlägsna finfördelad förorenande olja från vatten. Detta behov tillgodoses av en betydligt annorlunda typ av hydrocyklon, som naturligtvis inte hade några rörliga delar.

Efter att ha förklarat detta behov mer utförligt och jämfört det med cyklonseparation mellan fasta och flytande ämnen vid mineralbearbetning, presenteras de fördelar som hydrocyklonen gav jämfört med utrustning som installerats tidigare för att uppfylla kraven.

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

Miljön för petroleumproduktion ställer vissa begränsningar för material, inklusive problemet med partikelerosion. Typiska material som används nämns. Relativa kostnadsdata för typer av oljeseparationsanläggningar, både kapitalbaserade och återkommande, beskrivs, även om källorna är sparsamma. Slutligen beskrivs några indikatorer 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.ex.hydrocykloneroch gravitationsseparatorer, producerar en viss grad av storleksseparation och partikelstorleksdata kan användas för massbalansering (Exempel 3.15).

Exempel 3.15 är ett exempel på minimering av nodobalans; det ger till exempel initialvärdet för den generaliserade minstakvadratmetoden för minimering. Denna grafiska metod kan användas närhelst 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 två ingångar (färsk matning och kulkvarnsutmatning) och en utgång (cyklonmatning). Detta ger ytterligare en massbalans (Exempel 3.16).

I kapitel 9 återkommer vi till detta exempel på en slipkrets med hjälp av justerade data för att bestämma cyklonfördelningskurvan.

Publiceringstid: 7 maj 2019