АППАРАТЫ ДЛЯ РАДЕЛЕНИЯ В ИНЕРЦИОННОМ ПОЛЕ.

Петербургское изд. «Профессионал», 7 том «Новый справочник химика и технолога» Часть II «Процессы и аппараты химической технологии», под общей редакцией чл.-корр. АН СССР Б.П. Никольского. 2004год.

Источник:http://chemanalytica.com/book/tekhnologiy_chast_II/7019

В статье рассмотрены аппараты для разделения в инерционном поле, в частности гидроциклоны схема и принцип действия.

Для классификации тонкоизмельченных материалов по гидравлической крупности в центробежном поле широкое применение нашли гидроциклоны (рис. 1). Они применяются также для обогащения мелко- и среднезернистых руд в тяжелых суспензиях.

Исходная пульпа подается в гидроциклон под давлением через питающую насадку 2, установленную тангенциально непосредственно под крышкой аппарата. Пески разгружаются через песковую насадку 3, а слив – через сливной патрубок 4, расположенный в центре крышки и соединенный со сливной трубой 5 непосредственно или через сливную коробку 6 (см. рис. 1). Движущихся деталей в гидроциклоне нет.

Возникающая при вращении пульпы благодаря тангенциальной подаче питания центробежная сила выводит частицы из потока к наружной стенке циклона. Поскольку скорость радиальной миграции частиц пропорциональна плотности частиц и их диаметру в квадрате, то более крупные и более тяжелые частицы успевают выйти из ядра потока, а мелкие, в основной своей массе, остаются в ядре потока. В результате крупная фракция частиц выгружается через песковую насадку 3.

При вихревом движении жидкости в гидроциклоне образуются два вращающихся потока – внешний, перемещающийся вдоль стенок конуса вниз к песковой насадке, и внутренний цилиндрический, направленный вверх вдоль оси к сливному патрубку. Вблизи геометрической оси аппарата центробежная сила становится настолько большой, что происходит разрыв жидкости – вокруг оси образуется воздушное ядро (воздушный столб). Диаметр его составляет 0,6–0,7 диаметра сливного патрубка d. Линии тока в продольном сечении гидроциклона показаны на рис. 2. Тангенциальная скорость пульпы увеличивается с уменьшением расстояния от оси, поэтому в гидроциклоне наблюдается резкое возрастание центробежной силы от стенок к оси. Осевая скорость во внешнем потоке направлена вниз, а во внутреннем – вверх. Таким образом, между внутренним и внешним потоками имеется коническая поверхность, на которой осевые скорости равны нулю. Характер изменения радиальных скоростей изучен еще недостаточно.

Рисунок 1 – Гидроциклон: 1 – цилиндроконический сосуд;
2 – питающая насадка; 3 – песковая насадка; 4 – сливной патрубок;
5 – сливная труба; 6 – сливная коробка

Рисунок 2 – Линия тока в гидроциклоне.

Абсолютные значения скорости жидкости зависят от большого числа исходных условий. Поэтому попытки аналитического выражения скоростей приводят к чрезвычайно сложным уравнениям, дающим лишь качественную характеристику процесса.

Твердые частицы, поступая в гидроциклон вместе с потоком пульпы, вовлекаются во вращательное движение со скоростью, близкой к окружной скорости жидкой фазы. Одновременно они движутся относительно пульпы в осевом и радиальном направлениях в соответствии с действующими на них силами, из которых главными являются: центробежная сила; сила тяжести; силы, обусловленные воздействием жидкости (гидродинамическое давление, жидкостное трение, архимедова подъемная сила); силы, связанные с воздействием других твердых частиц и стенок гидроциклона.

Чем мельче частицы, или чем ближе их плотность к плотности жидкой фазы пульпы, тем относительно бльшее влияние оказывает на них сопротивление среды, поэтому тем ближе совпадают траектории их движения с линиями тока жидкости. Самые тонкие и легкие по плотности частицы распределяются в том же соотношении между сливом и песками, что и жидкость.

Если гидроциклоны работают на сравнительно плотных пульпах, что характерно для обогатительных фабрик, то из-за стесненных условий движения частиц их концентрация неравномерно распределяется в объеме аппарата – плотность пульпы, крупность и плотность твердых частиц увеличиваются в направлении от геометрической оси гидроциклона к его стенкам и от сливного патрубка к песковой насадке.

В результате повышения плотности пульпы и крупности частиц в нижней части гидроциклона уплотненная пульпа вращается почти как твердое тело. Распределение пульпы по плотности и ее твердой фазы по крупности в гидроциклоне диаметром 1000 мм, работавшем в операции поверочной классификации в замкнутом цикле с мельницей объемом 70 м3, показано на рис. 3.

Рисунок 3 – Распределение содержания твердого (а),
содержания классов –0,071 мм (б) и +0,16 мм (в) в объеме гидроциклона:
1 – зона слива; 2 – промежуточная зона; 3 – зона питания;
4 – зона песков; I–V – сечение по высоте гидроциклона

Здесь можно выделить четыре зоны в объеме работающего гидроциклона: зону песков 4, занимающую пространство вблизи песковой насадки; зону питания исходной пульпы 3, располагающуюся концентрически внутри зоны песков 4; промежуточную зону 2, в которой крупность твердой фазы и плотность пульпы изменяются от крупности и плотности исходной пульпы до крупности и плотности слива; зону слива 1, находящуюся непосредственно под сливным патрубком.

В зависимости от конструкции гидроциклона (в частности от угла конусности) и от условий работы относительный объем этих зон может существенно изменяться.

Конструкция гидроциклонов. Известен целый ряд конструктивных модификаций гидроциклонов и оборудования гидроциклонного типа. Однако на обогатительных фабриках применяют только гидроциклоны цилиндроконического типа.

В зависимости от назначения они отличаются между собой: соотношением геометрических размеров и углом конусности a (от 5 до 140°); способом подачи питания – с тангенциальным вводом, по прямому патрубку или со спиральным вводом; способом удаления слива – через сливной патрубок, соединенный непосредственно со сливной трубой, или через приемную камеру, к которой присоединена сливная труба. Иногда применяются трехпродуктовые гидроциклоны – с двумя концентрически установленными сливными патрубками, причем из внутреннего удаляется наиболее тонкий слив, а из внешнего – более крупный. Количество последнего регулируется краном; конструкцией песковых насадок (сменные нерегулируемые и регулируемые вручную или автоматически); конструкцией корпуса и материалом футеровки (легированный чугун, каменное литье, резина, полиуретаны и пр.). В некоторых конструкциях предусмотрено устройство для подачи промывной воды в песковую насадку.

Для получения тонкого слива при сравнительно высокой производительности применяют батареи гидроциклонов малого диаметра. Батареи компонуются либо из отдельных гидроциклонов, либо имеют специальную конструкцию блочного типа. Известно большое число конструктивных модификаций батарейных гидроциклонов, отличающихся между собой числом отдельных гидроциклонов, их размером, способами соединения в батареи, способом питания и разгрузки продуктов, материалом, из которого изготовлены гидроциклоны и корпус батареи. Батарейные гидроциклоны применяют главным образом в тех отраслях промышленности, где требуется обработка весьма тонкодисперсных суспензий с малой плотностью твердой фазы, не загрязненных крупными посторонними включениями, например в пищевой, химической и других отраслях промышленности. При необходимости получения тонкого слива крупностью < 20 мкм (например, при дешламации перед обогащением на шлюзах или перед флотацией) применяют стандартные гидроциклоны малого диаметра (250–75 мм), скомпонованные в батареи. При компоновке предпочтительнее радиальное расположение гидроциклонов относительно питающей трубы, что обеспечивает более равномерное распределение питания.

Стандартные гидроциклоны, применяемые на отечественных и зарубежных обогатительных фабриках для классификации по крупности (или дешламации), имеют угол конусности около 20°. Малые гидроциклоны диаметром меньше 150 мм выпускаются с углом конусности 10°. Обогащение в тяжелых суспензиях и обогащение золотосодержащих продуктов в водной среде производится в гидроциклонах с углом конусности от 40 до 140°.

В СССР стандартные гидроциклоны диаметром от 75 до 500 мм выпускались до 1980 г. Уфимским заводом горного оборудования, а с 1980 г. их производство передано Усольскому заводу горного оборудования, причем гидроциклоны Уфимского завода имеют футеровку из каменного литья, а Усольского завода – из резины. Гидроциклоны диаметром 710–1400 мм, футерованные плитками из каменного литья, производятся Днепропетровским заводом горно-шахтного оборудования. Кроме того, некоторые крупные горно-обогатительные предприятия производят гидроциклоны для обеспечения собственных нужд на своих ремонтно-механических заводах. На рис. 4 показан гидроциклон, футерованный сменными резиновыми деталями, выпускаемый Усольским заводом горно-обогатительного оборудования.

На рис. 5 показан пример компоновки гидроциклонов малого размера в батареи.

На показатели работы гидроциклонов открытого цикла (не связанных с работой мельниц) влияют конструктивные и технологические факторы. К первым относятся форма и геометрические размеры гидроциклона, включая питающую и разгрузочную насадки, давление на входе, способ удаления слива, состояние внутренней поверхности.

Ко вторым – объемная производительность и свойства обрабатываемой пульпы (концентрация частиц, их плотность и дисперсный состав).

Рисунок 4 – Гидроциклон, футерованный
сменными резиновыми деталями (Усольский завод УЗГО).

Рисунок 5 – Батарея из гидроциклона (D = 40 мм)
с фильтром для слива и песков (фирма «АКА Вортекс»).

Основным фактором, определяющим показатели работы гидроциклона при обработке рядовых пульп обогатительных фабрик, является отношение диаметра песковой насадки к диаметру сливного патрубка (см. рис. 4), называемое разгрузочным отношением ?/d. С увеличением разгрузочного отношения ?/d увеличивается выход песков, понижается их крупность и содержание твердого, соответственно этому уменьшается крупность слива и его выход. Эффективность классификации достигает максимума при оптимальном разгрузочном отношении. Если изменение разгрузочного отношения ?/d производится за счет изменения диаметра песковой насадки ?, то при постоянном давлении на входе объемная производительность гидроциклона при этом изменяется мало, если же за счет диаметра сливного патрубка d, то производительность изменяется прямо пропорционально этому диаметру.

Оптимальной длиной h сливного патрубка считается такая длина, при которой его нижний край погружен в гидроциклон несколько ниже питающего патрубка (см. рис. 9.2.5.4). Увеличение глубины погружения сливного патрубка в гидроциклон приводит к увеличению крупности слива.

Размер питающей насадки dп влияет главным образом на производительность гидроциклона, которая прямо пропорциональна эквивалентному диаметру этой насадки dэ. При этом качественные показатели изменяются в большинстве случаев незначительно.

С увеличением угла конусности ? гидроциклона при прочих постоянных условиях снижается объемная производительность, уменьшается выход песков и соответственно увеличивается крупность продуктов классификации. При обработке сравнительно крупнозернистых пульп и необходимости получения малого выхода песков (например, при обогащении золотосодержащих руд) предпочтительнее гидроциклоны с большим углом конусности (90°), в которых при этих условиях не происходит забивания песковых насадок.

Гидроциклоны с малым углом конусности (5–10°) применяются для получения весьма тонкого слива (10–20 мкм) в операциях дешламации.

Сливная труба может оказывать существенное влияние на показатели работы гидроциклона. Чем больше перепад высоты между концами сливной трубы, тем больше возрастает ее действие как сифона. При большом перепаде может происходить постоянное или периодическое засасывание в слив некоторой части крупных частиц. Для нормальной работы гидроциклона требуется, чтобы диаметр сливной трубы был больше диаметра сливного патрубка d, а также чтобы вакуум в его воздушном столбе поддерживался в пределах от 0 до высоты водяного столба, равной высоте гидроциклона.

Давление на входе р при заданной объемной производительности Q и достаточной мощности насоса определяется главным образом диаметрами сливного d и питающего dп отверстий.

Средние пределы давления при работе гидроциклонов на обогатительных фабриках составляют 0,05–0,15 МПа (0,5–1,5 кгс/см2). Более высокое давление требуется при получении тонкого плотного слива.

Для получения удовлетворительных результатов классификации в гидроциклонах важно, чтобы давление на входе поддерживалось постоянным без резких кратковременных колебаний.

С изменением объема исходного питания (а следовательно, и давления на входе) изменяется нагрузка на песковое отверстие. При слишком большом объеме питания песковая насадка может оказаться перегруженной и часть песков уйдет в слив. При слишком малом объеме питания и соответственно давлении, близком нулю, через песковую насадку будет уходить исходная пульпа.

Влияние давления проявляется на тонкодисперсных разжиженных пульпах (рис. 6).

Рисунок 6 – Влияние давления на крупность граничного зерна (сульфидная руда Дегтярского месторождения).

Список источников.

1. Перов В.А., Андреев Е.Е., Биленко Л.Ф. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых: Учеб. пособие для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1990. 301 с.
2. Справочник по обогащению руд / Гл. ред. О.С. Богданов. Подготовительные процессы. Т. I. М.: Недра, 1972. 448 с.
3. Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы / Под ред. О.С. Богданова, В.А. Олевского. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1982. 366 с.
4. Справочник по обогащению полезных ископаемых / Под ред. А.Ф. Таггарта. Т. II. М.: Металлургиздат, 1950. 956 с.
5. Разумов К.А., Перов В.А. Проектирование обогатительных фабрик. М.: Недра, 1982. 518 с.
6. Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий. Ч. 1. СПб.: АНО НПО "Профессионал", 2004. С. 196.