הידרוציקלונים – איך הם מפרידים חלקיקים מנוזלים

הידרוציקלונים הם אחד מהחלקים הנפוצים ביותר של ציוד לעיבוד מינרלים. העיצוב הבסיסי שלהם מסתמך על לחץ מבחוץ כדי לייצר תנועה סיבובית בתערובת הנוזלית שבתוכה, גורם לחלקיקים כבדים להתאסף לאורך קירותיו לפני פריקתו דרך השקע התחתון שלו.

הם מפרידים חלקיקים

הידרוציקלונים הם מכשירים סטטיים המשתמשים בתאוצה צנטריפוגלית כדי להפריד בין חלקיקים בצפיפות שונה מהנוזל. חלקיקים צפופים – בין אם מוצק או נוזלי – לנוע לכיוון הקצה החיצוני של מערבולת בעוד שחלקיקים קלים יותר נודדים לכיוון הליבה המרכזית שלה, עם חלקיקים גסים וגדולים יותר היוצאים דרך הזרימה התחתונה שלו, בעוד שקנסות נוסעים עוד יותר בעלייה לפני שהם יוצאים דרך הקודקוד שלהם באמצעות כוח צנטריפוגלי והחוצה דרך ההצפה שלו.

ביצועי ההפרדה תלויים במספר גורמים, כולל גודל ציקלון, קוטר וצורה וכן דינמיקה של נוזל ותכונות חלקיקים ביחס למאפייני המדיום הנוזלי. חומר הזנה שוחק או צפוף לא יופרד ביעילות באמצעות הידרוציקלונים.

מחקרים שונים חקרו את ההשפעות של גודל וצורת החלקיקים על ההפרדה. התוצאות הוכיחו שכוחות הגרר הם פרופורציונליים לחלקיקי השטח המוקרן המרבי לאורך כיוון זרימת הנוזל בהידרוציקלון; Kashiwaya et al.. חקר את הפרמטר הזה הן על הפרדות בודדות והן על הפרדות מעורבות באמצעות טכנולוגיית צימוד CFD-DEM וכן שיטות בדיקה ניסיוניות.

כמדד ליעילות ההפרדה, מדידת הריכוז של “כבדים” בגלישה היא הדרך האידיאלית להעריך את ביצועי ההידרוציקלון. ניתן להשיג זאת על בסיס אחוז נפח או, בצורה מדויקת יותר, באמצעות מדידות משקל.

הם מפרידים חלקיקים גסים

הידרוציקלונים משתמשים במהירות כניסת משיקית כדי לסובב מתלה בפנים, יצירת זרימת מערבולת חיצונית יורדת ובידוד רכיבים כבדים מנוזל. רכיבים כבדים יותר מתקבצים בדפנות הציקלון בעוד שחלקיקים עדינים קלים יותר עוברים דרך המוצא העליון שלהם.

הידרוציקלונים הם בין הציוד הנפוץ ביותר להפרדת חלקיקים עדינים וגסים בתעשיית העיסה והנייר, הודות לקלות העיצוב שלהם, עלות אפקטיבית, קלות תפעול וחיי שירות ארוכים ללא צורך בהרבה במונחים של תחזוקה או קלט מהמפעילים. עם זאת, אפילו עם כל היתרונות שלהם הם עדיין עשויים לחוות ירידה בביצועים לאורך זמן.

בעת פתרון בעיות עם הידרוציקלונים, זה יכול לעזור להבין את פעולתם ואת הגורמים המשפיעים על הביצועים שלהם. שיקול חשוב ביעילות ההפרדה שלהם הוא לחץ המופעל בכניסה שלהם – בעל השפעה מיידית על נקודת החיתוך של החלקיקים בהתאם ללחץ המופעל, גודל קוטר החרוט וסוג החומר.

הידרוציקלונים מצוידים באחד משלושה עיצובי כניסות: מַשִׁיקִי, פיתול או קשת. תוצאות בדיקה שנערכו באמצעות כל שלושת עיצובי הכניסה ניתן לראות באיור 7 ושולחן 2, שבו הידרוציקלונים של כניסת קשת עלו בעקביות על שני מקביליהם במגוון רחב של תנאי סיווג גודל (SC).

הם מפרידים חלקיקים עדינים

הידרוציקלונים יכולים לשמש להפרדת חלקיקים עדינים על ידי שימוש בלחץ נוזלים ליצירת דפוס זרימה המפריד בין חלקיקים על בסיס צפיפות וצורה. התאמת רמות הלחץ בקו ההזנה משנה את נקודת ההפרדה (נקרא גם נקודת חיתוך); לחץ נמוך יותר יוצר חתכים גסים יותר בעוד לחץ גבוה יותר מייצר הפרדה עדינה יותר.

הידרוציקלונים מנצלים את החלק הפנימי בצורת החרוט שלהם כדי ליצור אזור של לחץ נמוך, מה שמאיץ את קצב שקיעת החלקיקים. חלקיקים השוקעים מהר יותר נודדים לכיוון דופן הציקלון ויוצאים דרך פתח הקודקוד שלו כזרימה תת-קרקעית, בעוד שחלקיקי שקיעה איטיים יותר, כבדים יותר ממדיום התמיסה שמסביבם, נמשכים כלפי מטה בכוח צנטריפוגלי ויוצאים דרך מאתר המערבולת שלהם כגלישה.

בְּ 6.5 מ"מ מקיר של ציקלון, שלבי חלקיקים ב 6.5 מרחק מ"מ מהדופן שלו נמדד כסכום תאוצת שיפוע הלחץ ותאוצת הגרר, עם האצת גרר מוגדרת כתנועה יחסית בין שלבים. מכל הכניסות המשמשות לצורכי סיווג, שדה האצת הגרר החזק יותר של C מסביר את חדות הסיווג המעולה שלו ב-SCs הזנה גבוהים יותר.

הם מפרידים מים

הידרוציקלונים משתמשים בלחץ נוזלים כדי ליצור כוח צנטריפוגלי ודפוסי זרימה שיכולים להפריד חלקיקים או טיפות ממדיום נוזלי. על מנת שהפרידה הזו תתרחש, הצפיפות שלהם חייבת להיות שונה משמעותית מזו של המדיום הנוזל.

עיצוב טיפוסי כולל הזרקת הזנה משיקית במהירות גבוהה לתוך קטע גלילי עליון המצטרף לגוף חרוטי, יצירת תנועת נוזלים חזקה מאלצת חומרים גסים יותר דרך יציאות ציריות תחתונות הידועות כדפנות דחייה, ועדינים יותר דרך צינורות צירים עליונים הידועים כצדדי גלישה.

שליטה בגודל החתך יכולה להתבצע על ידי שינוי לחץ ההזנה לתוך הציקלון. ניסויי פיילוט משתמשים בדרך כלל בשני שסתומים להתאמת פיצול הזרימה בין יציאות עד לעמידה בערך d50 הרצוי; ברגע שזה נקבע, פתח אחד יכול להחליף את השסתומים הללו בפעולה שגרתית.

ציוד זה נמצא בשימוש נרחב בעיבוד מינרלים כדי לסווג חלקיקים למחזור חוזר במעגלי טחינה, להבחין בין מינרלים כלכליים לגנג, הפרד שמן ממים בתעשיות נפט בזיקוק ובאופן חוף והסר חול/סחף מאספקת השקיה או מים לשתייה, בין שימושים רבים אחרים. יֶתֶר עַל כֵּן, ציוד זה יכול לשמש גם כהעשרה מצטברת כדי להפחית את העומס על ציוד הפרדה יקר יותר תוך שיפור הכלכלה התפעולית הכוללת.