Hydrocyklony należą do najłatwiejszych urządzeń do przetwarzania minerałów, często działają bez konieczności konserwacji lub uwagi ze strony kogokolwiek obsługującego. Cyklony pozostają wysoce skutecznymi narzędziami separacji pomimo ich skomplikowanych mechanizmów płynowych i konfiguracji strukturalnych, które wpływają na wydajność separacji. W tym artykule omówiono ich działanie, a także możliwe kroki rozwiązywania problemów, gdy nie działają zgodnie z przeznaczeniem.
Oddzielają grubsze cząstki
Hydrocyklony’ głównym celem jest oddzielenie cząstek grubych od drobnych. Siła odśrodkowa przyłożona do jego wewnętrznej struktury zapewnia to oddzielenie; cięższe cząstki mają tendencję do przemieszczania się w dół w wirującym strumieniu, podczas gdy drobniejsze poruszają się bardziej w kierunku jego krawędzi, z większymi cząstkami ostatecznie odprowadzanymi przez dolną wkładkę lub wierzchołek króćca, podczas gdy drobniejsze cząstki przemieszczają się w kierunku przelewu i do górnej komory przelewowej.
Charakterystyka ruchu w hydrocyklonie determinuje jego efekt separacji, a badacze zbadali ten aspekt, aby go zwiększyć. Naukowcy, prowadzony przez Zhanga, przeprowadził szeroko zakrojone testy, aby zrozumieć zachowanie ruchu cząstek, aby poprawić efekt separacji tego cyklonu. Zhang odkrył to w warunkach karmienia o dużej koncentracji, drobne i średnie cząstki o małej gęstości mogą łatwo przedostać się do przelewu, podczas gdy drobne i grube cząstki o dużej gęstości mogą przedostać się przez wewnętrzne przepływy wirowe i zostać usunięte przez wylot w postaci przelewu.
Rdzeń powietrzny tworzy się w środku cyklonu, gdy ciecz jest wprowadzana stycznie do jego cylindrycznej komory, wytwarzając intensywny wirujący wir. Cyklon ma osiowy dolny wylot z ograniczonym dostępem, który ogranicza wypłynięcie całej cieczy z wyjątkiem jej części. Raz w środku, jego przepływ przeciwprądowy w kierunku górnego wylotu powoduje powstanie rdzenia powietrznego w rdzeniu.
Wymiary wtórnego przekroju cylindrycznego hydrocyklonów mają znaczący wpływ na obszar przepływu cyrkulacji cząstek i wydajność separacji, przy czym wartości doskonałości maleją monotonicznie wraz ze wzrostem średnicy tego przekroju. Ze względu na większe cząstki krążące w wirującym strumieniu cyklonu, następuje niewłaściwe rozmieszczenie tych cząstek, co prowadzi do ich rozproszenia na większym obszarze. Obejmowanie bardziej grubych cząstek zmniejsza skuteczność separacji i utrudnia tworzenie efektywnego wzoru przepływu kołowego wewnątrz cyklonu, i utrudnia jego zdolność separacji. Uzyskana wydajność separacji jest zadowalająca; Jednakże, wartości doskonałości nie spełniają oczekiwań ze względu na opory obrotowe i lepkość cieczy cyklonowej wpływające na rozkład prędkości cząstek i trajektorię ruchu.
Oddzielają drobne cząstki
Hydrocyklony wykorzystują siłę odśrodkową i różnicowy przepływ płynu, aby skutecznie oddzielać drobne od grubych cząstek. Siła odśrodkowa powstaje poprzez skierowanie wlotu płynu stycznie w stronę ścianki cylindra, powodując ruch kołowy w cieczy, który powoduje, że ciężkie cząstki przemieszczają się na zewnątrz i gromadzą się, zanim lżejsze skręcą się w dół jego ścianki i wyjdą przez górny otwór przelewowy hydrocyklonu.
Skuteczność separacji hydrocyklonu zależy w dużym stopniu od jego konstrukcji, łącznie z wymiarami wykrywacza wirów, otwory przelewowe i dolne oraz wielkość cyklonu. Ponadto, większe średnice zazwyczaj zapewniają lepszą wydajność separacji.
Hydrocyklony są często wykorzystywane w zastosowaniach mineralnych, jak produkcja piasku betonowego C-33, do kontrolowania rozmiaru materiału opuszczającego obwód rozdrabniania. Różne rodzaje rud charakteryzują się różną wielkością wyzwolenia, którą należy ściśle monitorować, aby stworzyć produkt ekonomicznie uzasadniony.
Spadek ciśnienia, ilość energii potrzebna do przejścia cząstek przez hydrocyklon, stanowi integralną część jego kontroli. Zmiana ciśnienia wlotowego może radykalnie zmienić skuteczność separacji – na przykład, jeśli ciśnienie zostanie ustawione na niższą wartość niż docelowa, więcej drobnych cząstek będzie zgłaszać niedomiar, co prowadzi do grubszych punktów cięcia; i odwrotnie, jeśli ciśnienie przekroczy wartość docelową, do przepełnienia będzie zgłaszać się więcej drobnych cząstek, co prowadzi do zmniejszenia wartości d50 i dokładniejszej separacji.
Gęstość materiału zasilającego może mieć ogromny wpływ na separację hydrocyklonów. Wyższa gęstość może skutkować grubszymi cięciami, podczas gdy niższa gęstość powoduje drobniejsze cięcia; Aby wybrać rozwiązanie w zakresie paszy o optymalnej gęstości, istotne jest zrozumienie celu ich zastosowania i wybranie gęstości paszy zgodnie z tym.
Regulacja średnicy króćca umożliwia regulację drobnych cząstek obejściowych kierowanych bezpośrednio do przelewu, zwiększając lub zmniejszając ich przepływ bezpośrednio do niego i zmniejszając to, co trafia z powrotem do cyklonu w celu dalszego przetwarzania.
Oddzielają ciecze
Hydrocyklony oddzielają ciecze od drobnych cząstek, tworząc ruch wirowy, który rzuca cięższy materiał na wewnętrzną ściankę cylindra, podczas gdy lżejszy materiał przemieszcza się na zewnątrz i w dół. Ta metoda separacji działa najlepiej, gdy ciała stałe mają średnicę większą niż 10 mikronów i mają kształt kulisty; Jednakże, ich skuteczność zmienia się w zależności od warunków; na przykład, wraz ze wzrostem stężenia gnojowicy wzrasta również opór siłom odśrodkowym powodowanym przez cząstki zwiększające ich rozmiar i liczbę.
Płyn wpływający do cyklonu z pompy musi pokonać opór; powoduje to spadki ciśnienia i wzrost promieniowego gradientu ciśnienia, ostatecznie skutkując interferencyjnymi stanami sedymentacji pomiędzy cząstkami a płynem. Dlatego, ważne jest stosowanie płynu wiertniczego o niskiej lepkości – umożliwia to cząstkom o różnych rozmiarach osadzanie się we własnym tempie, bez wpadania w pułapkę pomiędzy płynem a cząstkami.
Gęstość nadawy to kolejny krytyczny element, który należy wziąć pod uwagę przy wydajności hydrocyklonu. Aby spełnić docelowe rozmiary cięcia, gęstość podawania musi pokrywać się z docelowym rozmiarem cięcia, co można osiągnąć albo poprzez zmianę gęstości surowca, albo zmianę ciśnienia na wlocie – niższe ciśnienie wysyła więcej drobnych cząstek do przelewu, tworząc grubszy rozmiar cięcia; wyższe ciśnienie powoduje, że drobne cząstki trafiają do dolnego strumienia w celu uzyskania drobniejszych cięć.
Hydrocyklony są szeroko stosowane do kontrolowania wielkości materiału opuszczającego obwody rozdrabniania w przypadku zastosowań w twardych skałach i metalach szlachetnych. Stosowane w tych kontekstach, chwilowy dopływ płynu do hydrocyklonu jest równy całkowitemu chwilowemu przepływowi cząstek lekkich i przepływowi ciężkich cząstek; ciężkie cząstki będą poruszać się szybciej niż lekkie i gromadzą się w górnym przelewie hydrocyklonu.
Następnie z systemu można usunąć ciężkie materiały. Jakakolwiek pozostała mieszanina płynów w cyklonie zostanie następnie wypompowana przez dolny wylot, znany jako Apex, przez rurkę wirową.
Oddzielają oleje
Hydrocyklony stały się innowacyjnym rozwiązaniem problemu oddzielania cząstek oleistych od materiału gruboziarnistego. Zaprojektowano specjalną formę urządzenia, która wykorzystuje siłę ścinającą do oddzielania kropelek oleju od ciekłego ośrodka. Technologię tę można zastosować w obróbce metali w celu oddzielenia smarów od wody chłodzącej lub podczas wiercenia w celu usunięcia piasku i gliny z błota.
Hydrocyklony różnią się od innych urządzeń do przetwarzania minerałów tym, że mają niewiele ruchomych części i zależą od geometrii i ciśnienia płynu w celu przeprowadzenia procesów separacji. Zostały zaprojektowane tak, aby były prostymi, ale niezawodnymi maszynami, które często działają przez lata, nie ponosząc dużych kosztów konserwacji – jednak wielu użytkowników nie wie, jak rozwiązać problem z hydrocyklonem, gdy coś nie idzie zgodnie z oczekiwaniami.
Jednym z kluczowych wyzwań związanych z hydrocyklonami jest porywanie. Kiedy gruby materiał jest oddzielany od drobnego, niektóre cięższe materiały zostaną przeniesione do przelewu, podczas gdy inne pozostaną w zbiorniku poniżej poziomu ze względu na złożone wewnętrzne pole przepływu hydrocyklonu. Połączenie wielu cyklonów może pomóc w rozwiązaniu tego problemu, ale wymaga dodatkowych pomp, rurociągów i kosztów inwestycji.
Jako taki, niezwykle ważne jest zrozumienie, jak działa hydrocyklon i jak działa jego mechanizm oddzielający. Aby cząstka opuściła swój przelew i została wyrzucona do dolnego strumienia, muszą migrować w kierunku pozycji, w których siła odśrodkowa przewyższa siłę oporu – te trzy obszary można zidentyfikować na konturach prędkości promieniowej w samym hydrocyklonie; najpierw w pobliżu ściany bocznej, gdzie prędkość osiowa jest ujemna, więc ciecz spływa w dół w kierunku dolnego brzegu.
Drugi obszar leży pośrodku przekroju stożkowego, gdzie prędkość osiowa jest dodatnia, a ciecz przemieszcza się w górę do przelewu. Tutaj następuje najwięcej separacji. Wreszcie, na wierzchołku stożka odprowadzana jest ujemna prędkość osiowa, a efekty ścinania pomagają skoncentrować ciężkie fazy, które mają zostać przez niego uwolnione.