Hidrocikloni su među najjednostavnijim dijelovima opreme za preradu minerala, često rade bez potrebe za održavanjem ili pažnjom bilo koga tko radi. Cikloni ostaju vrlo učinkoviti alati za odvajanje unatoč svojim zamršenim mehanizmima fluida i strukturnim konfiguracijama koje utječu na performanse odvajanja. Ovaj će članak dati pregled njihovog rada kao i moguće korake za rješavanje problema kada ne rade kako je zamišljeno.
Odvajaju grube čestice
Hidrociklone’ glavna namjena je odvajanje grubih od finih čestica. Centrifugalna sila primijenjena na njegovu unutarnju strukturu osigurava ovo odvajanje; teže čestice imaju tendenciju kretanja prema dolje u njegov vrtložni tok, dok se sitnije pomiču više prema njegovom rubu, s grubljim česticama koje se na kraju ispuštaju kroz donji nastavak ili vrh, dok se one sitnije kreću prema preljevu iu gornju preljevnu komoru.
Karakteristike kretanja unutar hidrociklona određuju njegov učinak razdvajanja, a istraživači su istražili ovaj aspekt kako bi ga povećali. Istraživači, na čelu sa Zhangom, proveli su opsežna ispitivanja kako bi razumjeli ponašanje kretanja čestica kako bi poboljšali učinak odvajanja ovog ciklona. Zhang je otkrio da u uvjetima visoke koncentracije hrane, fine i srednje čestice male gustoće mogu lako ući u preljev, dok fine i grube čestice velike gustoće mogu ući kroz unutarnje vrtložne tokove i ispustiti se kroz njegov izlaz kao preljev.
Zračna jezgra se formira u središtu ciklona kada se tekućina uvede tangencijalno u njegovu cilindričnu komoru, proizvodeći intenzivan kovitlajući vrtlog. Ciklon ima aksijalni donji izlaz s ograničenim pristupom koji sprječava istjecanje cijele tekućine osim dijela. Jednom unutra, njegov protustrujni tok prema njegovom gornjem izlazu stvara zračnu jezgru u jezgri.
Veličine sekundarnog cilindričnog dijela hidrociklona imaju značajan utjecaj na područje protoka cirkulacije čestica i performanse odvajanja, pri čemu se vrijednosti savršenstva monotono smanjuju kako promjer ovog odjeljka raste. Zbog više grubih čestica koje kruže unutar vrtložnog toka ciklona, dolazi do pogrešnog postavljanja ovih čestica, što dovodi do njihovog raspršivanja na većem području. Obuhvaćanje većeg broja grubih čestica smanjuje učinkovitost odvajanja i sprječava stvaranje učinkovitog uzorka kružnog protoka unutar ciklona, i koči njegove sposobnosti odvajanja. Postignuti učinak odvajanja je zadovoljavajući; međutim, savršene vrijednosti ne ispunjavaju očekivanja zbog rotacijskog otpora i viskoznosti ciklonske tekućine koja utječe na raspodjelu brzine čestica i trajektoriju kretanja.
Odvajaju fine čestice
Hidrocikloni koriste centrifugalnu silu i diferencijalni protok tekućine za učinkovito odvajanje finih od grubih čestica. Centrifugalna sila nastaje usmjeravanjem ulazne tekućine tangencijalno prema stijenci cilindra, stvarajući kružno kretanje unutar svoje tekućine koje uzrokuje da se teške čestice kreću prema van i agregiraju prije nego što se lakše spiralno spuste niz njegovu stijenku i izađu kroz gornji preljevni otvor hidrociklona.
Učinkovitost hidrociklonske separacije uvelike ovisi o dizajnu njegove strukture, uključujući i dimenzije njegovog vrtložnog tražila, preljevni i donji otvor i veličina ciklona. Nadalje, veći promjeri općenito daju bolju izvedbu odvajanja.
Hidrocikloni se često koriste u mineralnim primjenama, poput proizvodnje betonskog pijeska C-33, za kontrolu veličine materijala koji izlazi iz kruga usitnjavanja. Različite vrste rude imaju različite veličine oslobađanja koje se moraju pomno pratiti kako bi se stvorio ekonomski izvediv proizvod.
Pad tlaka, količina energije koja je potrebna da se čestice kreću kroz hidrociklon, je sastavni dio njegove kontrole. Variranje njegovog ulaznog tlaka može dramatično promijeniti učinkovitost odvajanja – na primjer, ako je tlak postavljen niži od ciljnog, više finih čestica će se javiti u donjem dijelu što dovodi do grubljih točaka rezanja; obrnuto, ako tlak premaši cilj, više sitnih čestica će se prijaviti u preljev što dovodi do smanjenih vrijednosti d50 i finijeg odvajanja.
Gustoća materijala za punjenje može imati ogroman učinak na odvajanje hidrociklona. Veća gustoća može rezultirati grubljim rezovima, dok niža gustoća daje finije rezove; za odabir optimalne gustoće rješenja za hranu, stoga je bitno razumjeti cilj njihove primjene i odabrati gustoću hrane u skladu s tim.
Podešavanje promjera nastavka omogućuje podešavanje sitnih čestica premosnice koje se šalju izravno u preljev, povećavajući ili smanjujući njihov protok izravno prema njemu i smanjujući ono što se vraća u ciklon za daljnju obradu.
Odvajaju tekućine
Hidrocikloni odvajaju tekućine od finih čestica stvarajući vrtložno djelovanje koje baca teži materijal na unutarnju stijenku cilindra dok se lakši materijal kreće prema van i prema dolje. Ova metoda odvajanja najbolje funkcionira kada krutine imaju promjer veći od 10 mikrona i sfernog su oblika; međutim, njihova učinkovitost ovisi o uvjetima; na primjer, kako se koncentracija kaše povećava, tako raste i otpornost na centrifugalne sile čestica povećavajući njihovu veličinu i broj.
Tekućina koja ulazi u ciklon iz pumpe mora svladati otpor; to uzrokuje padove tlaka i povećanje radijalnog gradijenta tlaka, što u konačnici rezultira interferencijskim sedimentacijskim stanjima između čestica i tekućine. Stoga, korištenje tekućine za bušenje niske viskoznosti je važno – to omogućuje česticama različitih veličina da se talože vlastitim brzinama bez da ostanu zarobljene između tekućine i čestica.
Gustoća punjenja još je jedan kritični element koji treba uzeti u obzir u izvedbi hidrociklona. Za postizanje ciljanih veličina rezanja, gustoća dodavanja mora odgovarati ciljnoj veličini rezanja, što se može postići promjenom gustoće punjenja ili promjenom tlaka na ulazu – niži tlak šalje više sitnih čestica u preljev, stvarajući grublji rez; viši tlak šalje sitne čestice u donji tok za finije rezove.
Hidrocikloni se naširoko koriste za kontrolu veličine materijala koji izlazi iz krugova usitnjavanja za primjenu u tvrdim stijenama i plemenitim metalima. Kada se primijeni u ovim kontekstima, trenutni dotok tekućine u hidrociklon jednak je ukupnom trenutnom protoku lakih čestica plus protok teških čestica; teške čestice kretat će se brže od lakih i akumulirati će se na gornjem preljevu hidrociklona.
Teški materijali tada se mogu ukloniti iz sustava. Sva preostala mješavina tekućine u ciklonu tada će se ispumpati kroz donji izlaz, poznat kao Apex, preko cijevi za traženje vrtloga.
Odvajaju ulja
Hidrocikloni su postali inovativno rješenje za izazov odvajanja zauljenih čestica od grubog materijala. Osmišljen je poseban oblik opreme koji koristi smične sile za odvajanje kapljica ulja od tekućeg medija. Ova se tehnologija može primijeniti u obradi metala za odvajanje maziva od vode za hlađenje ili operacijama bušenja za uklanjanje pijeska i gline iz isplake.
Hidrocikloni se razlikuju od druge opreme za obradu minerala po tome što imaju malo pokretnih dijelova i ovise o geometriji i pritisku tekućine za izvođenje procesa odvajanja. Dizajnirani su kao jednostavni, ali pouzdani dijelovi strojeva koji često rade godinama bez velikih troškova održavanja – no mnogi korisnici ne znaju kako riješiti problem hidrociklona kada nešto ne ide prema očekivanjima.
Jedan od ključnih izazova povezanih s hidrociklonima je odvođenje. Kada se grubi materijal odvoji od sitnog, neki teži materijali bit će odneseni u preljev dok će drugi ostati uhvaćeni ispod toka zbog složenog unutarnjeg polja protoka hidrociklona. Povezivanje više ciklona može pomoći u rješavanju ovog problema, ali zahtijeva dodatne pumpe, cjevovoda i investicijskih troškova također.
Kao takva, od vitalne je važnosti razumjeti kako hidrociklon radi i njegov mehanizam za odvajanje. Da bi čestica izašla kroz svoj preljev i bila ispuštena u svoj donji tok, moraju migrirati prema položajima gdje centrifugalna sila premašuje silu otpora – ova tri područja mogu se identificirati na konturama radijalne brzine unutar samog hidrociklona; prvo u blizini bočne stijenke gdje je aksijalna brzina negativna pa tekućina teče prema dolje prema donjem dijelu.
Drugo područje nalazi se u sredini stožastog presjeka, gdje je aksijalna brzina pozitivna i tekućina se kreće prema gore u preljev. Ovdje se odvija većina odvajanja. Konačno, na vrhu konusa postoji negativna aksijalna brzina koja se ispušta natrag, a učinci smicanja pomažu koncentrirati teške faze koje se oslobađaju kroz njega.