Hydrocyklony – Jak oddzielają cząstki od cieczy

Hydrocyklony są jednym z najczęściej używanych urządzeń do przetwarzania minerałów. Ich podstawowa konstrukcja opiera się na ciśnieniu z zewnątrz, które powoduje ruch obrotowy znajdującej się w nim ciekłej mieszaniny, powodując gromadzenie się ciężkich cząstek wzdłuż jego ścian przed wypuszczeniem przez dolny wylot.

Oddzielają cząstki

Hydrocyklony to urządzenia statyczne, które wykorzystują przyspieszenie odśrodkowe do oddzielania cząstek o różnej gęstości od płynu. Gęste cząstki – czy to stały czy płynny – przemieszczają się w kierunku zewnętrznej krawędzi wiru, podczas gdy lżejsze cząstki migrują w kierunku jego centralnego rdzenia, z grubszymi i większymi cząstkami wypływającymi przez jego dolny strumień, podczas gdy drobne cząstki wędrują dalej w górę, zanim opuszczą wierzchołek pod wpływem siły odśrodkowej i wypłyną przez przelew.

Skuteczność separacji zależy od kilku czynników, łącznie z rozmiarem cyklonu, średnicę i kształt, a także dynamikę płynów i właściwości cząstek w odniesieniu do charakterystyki ciekłego ośrodka. Ścierny lub gęsty materiał wsadowy prawdopodobnie nie będzie skutecznie oddzielany za pomocą hydrocyklonów.

W różnych badaniach badano wpływ rozmiaru i kształtu cząstek na separację. Wyniki wykazały, że siły oporu są proporcjonalne do wielkości cząstek o maksymalnej powierzchni rzutowanej wzdłuż kierunku przepływu płynu w hydrocyklonie; Kashiwaya i in.. zbadali ten parametr zarówno w przypadku separacji pojedynczej, jak i mieszanej, za pomocą technologii sprzęgania CFD-DEM, a także eksperymentalnych metod testowych.

Jako miara efektywności separacji, pomiar stężenia “ciężkie” w przelewie jest idealnym sposobem oceny wydajności hydrocyklonu. Można to osiągnąć albo na podstawie procentu objętościowego, albo, dokładniej, za pomocą pomiarów masy.

Oddzielają grubsze cząstki

Hydrocyklony wykorzystują styczną prędkość wlotową do obracania zawiesiny wewnątrz, tworząc opadający zewnętrzny przepływ wirowy i izolując ciężkie składniki od cieczy. Cięższe składniki gromadzą się na ściankach cyklonu, podczas gdy lżejsze, drobniejsze cząstki wydostają się przez górny wylot.

Hydrocyklony należą do najczęściej stosowanych urządzeń do oddzielania drobnych i grubych cząstek w przemyśle celulozowo-papierniczym, dzięki łatwości projektowania, opłacalność, łatwość obsługi i długa żywotność bez konieczności częstej konserwacji lub wkładu operatorów. Jednak pomimo wszystkich swoich zalet, z czasem może nastąpić spadek wydajności.

Podczas rozwiązywania problemów z hydrocyklonami, pomocne może być zrozumienie ich działania i czynników wpływających na ich wydajność. Ważnym czynnikiem wpływającym na skuteczność separacji jest ciśnienie wywierane na ich wlocie – co ma bezpośredni wpływ na punkt cięcia cząstek w zależności od zastosowanego ciśnienia, wielkość średnicy stożka i rodzaj materiału.

Hydrocyklony są wyposażone w jedną z trzech konstrukcji wlotów: styczny, ewolwenta lub łuk. Wyniki testów przeprowadzonych przy użyciu wszystkich trzech konstrukcji wlotów można zobaczyć na rysunku 7 i Tabela 2, przy czym hydrocyklony na wlocie łuku stale przewyższają oba swoje odpowiedniki w szerokim zakresie warunków klasyfikacji wielkości (SC).

Oddzielają drobne cząstki

Hydrocyklony można stosować do oddzielania drobnych cząstek za pomocą ciśnienia płynu w celu wygenerowania wzorca przepływu, który oddziela cząstki na podstawie gęstości i kształtu. Regulacja poziomów ciśnienia w przewodzie zasilającym zmienia punkt separacji (zwany także punktem cięcia); niższe ciśnienie tworzy grubsze cięcia, podczas gdy wyższe ciśnienie zapewnia drobniejszą separację.

Hydrocyklony wykorzystują swoją wewnętrzną część w kształcie stożka do utworzenia strefy niskiego ciśnienia, co przyspiesza tempo osiadania cząstek. Szybciej osiadające cząstki migrują w kierunku ściany cyklonu i wypływają przez jego wierzchołkowy otwór w postaci dolnego strumienia, podczas gdy wolniej opadające cząstki, które są cięższe od otaczającego je medium szlamowego, są ściągane w dół przez siłę odśrodkową i wyłaniają się przez czujnik wirów w postaci przelewu.

Na 6.5 mm od ściany cyklonu, fazy cząstek w 6.5 mm odległość od jego ściany mierzy się jako sumę przyspieszenia gradientu ciśnienia i przyspieszenia oporu, z przyspieszeniem oporu zdefiniowanym jako ruch względny pomiędzy fazami. Ze wszystkich wlotów używanych do celów klasyfikacji, Silniejsze pole przyspieszenia oporu C wyjaśnia jego doskonałą ostrość klasyfikacji przy wyższych wartościach posuwu SC.

Oddzielają wodę

Hydrocyklony wykorzystują ciśnienie płynu do generowania siły odśrodkowej i wzorców przepływu, które mogą oddzielać cząstki lub kropelki od ciekłego ośrodka. Aby to rozdzielenie miało miejsce, ich gęstość musi znacznie różnić się od gęstości ośrodka płynnego.

Typowa konstrukcja polega na stycznym wtryskiwaniu paszy z dużą prędkością do górnej części cylindrycznej, która łączy się ze stożkowym korpusem, tworząc silny ruch płynu, który przepycha grubsze materiały przez osiowe dolne wyloty, zwane bokami odrzutów, i drobniejsze przez górne rurki osiowe zwane bokami przelewowymi.

Kontrolę wielkości cięcia można osiągnąć poprzez zmianę ciśnienia zasilania cyklonu. W próbach pilotażowych zwykle wykorzystuje się dwa zawory do regulacji rozdziału przepływu pomiędzy wylotami, aż do osiągnięcia pożądanej wartości d50; kiedy już to zostanie ustalone, jedna kryza może zastąpić te zawory w rutynowej pracy.

Sprzęt ten jest szeroko stosowany w przetwórstwie minerałów do klasyfikacji cząstek do recyrkulacji w obwodach mielenia, rozróżnić minerały gospodarcze od skały płonnej, oddzielanie oleju od wody w rafineriach i morskich przemysłach naftowych oraz usuwanie piasku/mułu z systemów nawadniających lub źródeł wody pitnej, wśród wielu innych zastosowań. Ponadto, sprzęt ten można również wykorzystać jako dodatkowe wzbogacanie, aby zmniejszyć obciążenie bardziej kosztownych urządzeń do separacji, poprawiając jednocześnie ogólną ekonomikę operacji.