הידרוציקלונים – הפרדת חלקיקים גסים ועדינים

הידרוציקלונים הם בין החלקים הקלים ביותר של ציוד לעיבוד מינרלים, פועלים לעתים קרובות ללא צורך בתחזוקה או תשומת לב מאף אחד בפעולה. ציקלון נשארים כלי הפרדה יעילים ביותר למרות מנגנוני הנוזלים המורכבים והתצורות המבניות שלהם המשפיעות על ביצועי ההפרדה. מאמר זה יספק סקירה כללית של פעולתם וכן שלבים אפשריים לפתרון בעיות כאשר הם אינם פועלים כמתוכנן.

הם מפרידים חלקיקים גסים

הידרוציקלונים’ המטרה העיקרית היא הפרדה של חלקיקים גסים מהדקים. כוח צנטריפוגלי המופעל על המבנה הפנימי שלו מבטיח הפרדה זו; חלקיקים כבדים יותר נוטים לנוע כלפי מטה לתוך הזרימה המתערבלת שלו בעוד שחלקיקים עדינים יותר נעים יותר לכיוון הקצה שלו, עם חלקיקים גסים שנפרקים בסופו של דבר דרך ציד קצה תחתון או קודקוד בעוד שחלקיקים עדינים יותר נעים לכיוון גלישה ולתוך תא גלישה עליון.

מאפייני תנועה בתוך הידרוציקלון קובעים את השפעת ההפרדה שלו, וחוקרים חקרו היבט זה כדי להגדיל אותו. חוקרים, בראשות ג'אנג, ערכו בדיקות מקיפות להבנת התנהגות תנועת החלקיקים כדי לשפר את אפקט ההפרדה של ציקלון זה. ג'אנג גילה כי בתנאי האכלה בריכוז גבוה, חלקיקים עדינים ובינוניים עם צפיפות קטנה יכלו להיכנס בקלות לגלישה בעוד שחלקיקים עדינים וגסים בצפיפות גדולה יכלו להיכנס דרך זרימות מתערבלות פנימיות ולהיפלט דרך היציאה שלו כגלישה.

ליבת אוויר נוצרת במרכזו של ציקלון כאשר נוזל מוכנס באופן משיק לתא הגלילי שלו, מייצר מערבולת מתערבלת אינטנסיבית. לציקלון יש מוצא תחתון צירי עם גישה מוגבלת המגביל את כל הנוזל שלו מלבד חלק ממנו מלזרום החוצה. פעם אחת בפנים, זרימתו נגד זרם לעבר המוצא העליון שלו מולידה ליבת אוויר בליבה.

לגדלים של מקטעים משני-גליליים של הידרוציקלונים יש השפעה משמעותית על אזור זרימת זרימת החלקיקים וביצועי ההפרדה, עם ערכי השלמות יורדים באופן מונוטוני ככל שהקוטר של קטע זה גדל. בשל חלקיקים גסים יותר המסתובבים בתוך הזרימה המתערבלת של ציקלון, מתרחשת מיקום שגוי של חלקיקים אלה, מה שמוביל לפיזורם על פני שטח גדול יותר. הקפת חלקיקים גסים יותר מפחיתה את ביצועי ההפרדה ומעכבת היווצרות של דפוס זרימה מעגלית יעילה בתוך הציקלון, ומקשה על יכולות ההפרדה שלו. ביצועי ההפרדה שהושגו משביעי רצון; אוּלָם, ערכי השלמות אינם עומדים בציפיות עקב התנגדות סיבוב וצמיגות של נוזל ציקלון המשפיעים על התפלגות מהירות החלקיקים ומסלול התנועה.

הם מפרידים חלקיקים עדינים

הידרוציקלונים משתמשים בכוח צנטריפוגלי ובזרימת נוזלים דיפרנציאלית כדי להפריד ביעילות בין חלקיקים עדינים לגסים. כוח צנטריפוגלי נוצר על ידי הפניית נוזל הכניסה למשיקית לכיוון דופן הגליל, יצירת תנועה מעגלית בתוך הנוזל שלו שגורמת לחלקיקים כבדים לנוע החוצה ולהצטבר לפני שהקלים יותר מסתחררים במורד הקיר שלו ויוצאים מפתח ההצפה העליון של ההידרוציקלון.

יעילות הפרדת הידרוציקלון תלויה במידה רבה בתכנון המבנה שלו, כולל מידות מאתר המערבולת שלו, פתחי גלישה ותתפר וגודל הציקלון. יֶתֶר עַל כֵּן, קטרים ​​גדולים יותר בדרך כלל מניבים ביצועי הפרדה טובים יותר.

הידרוציקלונים משמשים לעתים קרובות ביישומי מינרלים, כמו לייצר חול בטון C-33, כדי לשלוט באיזה גודל חומר יוצא ממעגל הפירוק. לסוגי עפרות שונים יש גדלי שחרור שונים שיש לפקח עליהם מקרוב על מנת ליצור מוצר כדאי מבחינה כלכלית.

ירידת לחץ, כמות האנרגיה שדרושה לחלקיקים לעבור דרך הידרוציקלון, הוא מרכיב בלתי נפרד מהשליטה בו. שינוי לחץ הכניסה שלו יכול לשנות באופן דרמטי את יעילות ההפרדה – לדוגמה, אם הלחץ מוגדר נמוך מהיעד, יותר קנסים ידווחו על זרימה תת שיובילו לנקודות חיתוך גסות יותר; לעומת זאת, אם הלחץ חורג מהיעד, יותר קנסים ידווחו על הצפת שיוביל להפחתת ערכי d50 והפרדה עדינה יותר.

לצפיפות של חומר הזנה יכולה להיות השפעה עצומה על הפרדות הידרוציקלון. צפיפות גבוהה יותר יכולה לגרום לחתכים גסים יותר בעוד שצפיפות נמוכה יותר מייצרת חתכים עדינים יותר; כדי לבחור פתרון הזנה צפיפות אופטימלית, לכן חיוני להבין את מטרת היישום שלהם ולבחור צפיפות הזנה לפי זה.

התאמת קוטר השקע מאפשרת התאמה בקנסות עוקפים הנשלחים ישירות לגלישה, הגדלת או הקטנת הזרימה שלהם ישירות אליו והקטנת מה שחוזר לציקלון לעיבוד נוסף.

הם מפרידים נוזלים

הידרוציקלונים מפרידים בין נוזלים מחלקיקים עדינים על ידי יצירת פעולת מסתחרר הזורקת חומר כבד יותר על הדופן הפנימית של גליל בעוד שחומר קל יותר נע כלפי חוץ ומטה. שיטת הפרדה זו פועלת בצורה הטובה ביותר כאשר למוצקים יש קטרים ​​גדולים מ 10 מיקרונים וצורתם כדורית; אוּלָם, היעילות שלהם משתנה בהתאם לתנאים; לְמָשָׁל, ככל שריכוז התרחיץ גדל כך גם ההתנגדות נגד כוחות צנטריפוגליים מחלקיקים המגדילים את גודלם ומספרם.

נוזל הנכנס לציקלון ממשאבה חייב להתגבר על התנגדות; זה גורם לירידות לחץ ולעלייה בשיפוע הלחץ הרדיאלי, בסופו של דבר התוצאה היא מצבי שיקוע הפרעות בין חלקיקים לנוזל. לָכֵן, שימוש בנוזל קידוח בעל צמיגות נמוכה חשוב – זה מאפשר לחלקיקים בגדלים שונים לשקוע בקצב שלהם מבלי להילכד בין נוזל לחלקיקים.

צפיפות הזנה היא מרכיב קריטי נוסף שיש לקחת בחשבון בביצועי ההידרוציקלון. כדי לעמוד בגדלי חיתוך יעד, צפיפות ההזנה חייבת להיות בקנה אחד עם גודל החתך היעד, דבר שניתן להשיג באמצעות שינוי צפיפות ההזנה או שינוי לחץ בכניסה – לחץ נמוך יותר שולח יותר קנסות לגלישה, יצירת גודל חיתוך גס יותר; לחץ גבוה יותר שולח קנסים לזרימה תת-קרקעית עבור חתכים עדינים יותר.

הידרוציקלונים נמצאים בשימוש נרחב כדי לשלוט באיזה גודל חומר יוצא ממעגלי פירוק עבור יישומי סלע קשה ומתכת יקרות. כשמיושמים בהקשרים אלה, זרימת נוזלים מיידית להידרוציקלון שווה סה"כ זרימת חלקיקים קלים מיידית בתוספת זרימת חלקיקים כבדים; חלקיקים כבדים ינועו מהר יותר מאשר קלים ויצטברו בגלישה העליונה של ההידרוציקלון.

לאחר מכן ניתן להסיר חומרים כבדים מהמערכת. כל תערובת הנוזלים שנותרה בציקלון תישאב החוצה דרך השקע התחתון שלו, המכונה Apex, באמצעות צינור מאתר מערבולת.

הם מפרידים שמנים

הידרוציקלונים הפכו לפתרון חדשני לאתגר של הפרדת חלקיקים שמנים מחומר גס. תוכננה צורה מיוחדת של הציוד המנצלת כוח גזירה כדי להפריד טיפות שמן ממדיום נוזלי. טכנולוגיה זו יכולה להיות מיושמת בעיבוד מתכת כדי להפריד חומרי סיכה ממי קירור או פעולות קידוח להסרת חול וחימר מבוץ.

הידרוציקלונים שונים מציוד אחר לעיבוד מינרלים בכך שהם כוללים מעט חלקים נעים ותלויים בגיאומטריה ובלחץ הנוזל לביצוע תהליכי הפרדה. הם נועדו להיות מכונות פשוטות אך אמינות שלעתים קרובות פועלות במשך שנים ללא הרבה במונחים של עלויות תחזוקה – עם זאת, משתמשים רבים אינם יודעים כיצד לפתור בעיות בהידרוציקלון כאשר משהו לא הולך כמצופה.

אחד האתגרים המרכזיים הקשורים להידרוציקלונים הוא הסחף. כאשר חומר גס מופרד מהדקים, חלק מהחומרים הכבדים יותר יישאו לתוך הגלישה בעוד שאחרים יישארו נתפסים בתת זרימה עקב שדה הזרימה הפנימי המורכב של הידרוציקלון. חיבור מספר ציקלונים יחד עשוי לסייע בפתרון בעיה זו אך דורש משאבות נוספות, גם צינורות ועלויות השקעה.

בְּתוֹר שֶׁכַזֶה, חשוב מאוד להבין כיצד פועל הידרוציקלון ומנגנון ההפרדה שלו. לחלקיק לצאת דרך הגלישה שלו ולהישפך לתוך השטף שלו, הם חייבים לנדוד לעבר עמדות שבהן הכוח הצנטריפוגלי עולה על כוח הגרירה – ניתן לזהות את שלושת האזורים הללו על קווי מתאר של מהירות רדיאלית בתוך ההידרוציקלון עצמו; תחילה ליד הדופן שלו, שם המהירות הצירית שלילית ולכן הנוזל זורם כלפי מטה לעבר הזרימה התחתונה שלו.

האזור השני נמצא באמצע הקטע החרוט, כאשר המהירות הצירית חיובית והנוזל נע כלפי מעלה לגלישה. כאן מתרחשת רוב ההפרדה. לְבָסוֹף, בקודקוד החרוט ישנה מהירות צירית שלילית שנפרקת בחזרה החוצה והשפעות גזירה עוזרות לרכז שלבים כבדים שישוחררו דרכו.