Гидроциклон-классификатор

Гидроциклон-классификатор, предназначен для разделения пульпы под действием центробежных сил и может быть использовано на обогатительных фабриках, в металлургической, химической, биологической и других отраслях промышленности, а также при классификации нерудных или инертных строительных материалов. Гидроциклон включает цилиндроконическую рабочую камеру I с тангенциальным входным 1 и сливным патрубками 5 и Песковым отверстием 4, цилиндроконическую вихревую камеру II с углом конусности 120°, содержащую расположенный в цилиндрической части тангенциальный входной патрубок 8, соединенный со средством подачи воды, и разгрузочный патрубок 15 в конической части, причем коническая часть 3 рабочей камеры погружена в вихревую камеру на глубину ³/₄ ее цилиндрической части. Устройство обеспечивает повышение эффективности разделения на 5-18%, в зависимости от исходных параметров гидросмеси, а также увеличение производительности гидроциклона по сливу твердой фазы.

Полезная модель относится к технике для разделения материалов с помощью жидкостей под действием центробежных сил, в частности к гидроциклонам с автоматическим регулированием их работы, и может быть использовано на обогатительных фабриках, в металлургической, химической, биологической и других отраслях промышленности, а также при классификации нерудных или инертных строительных материалов.

Методы разделения в гидроциклонах частиц твердой фазы широкого диапазона крупности и удельного веса основаны, главным образом, на различии в движении частиц под действием центробежной силы, силы сопротивления движению и воздействия возможных случайных факторов, таких как стесненное движение частиц, особенно в нижней части гидроциклона, турбулизация потока, возникающая в различных зонах аппарата при изменении режима его работы.

Вращательное движение гидросмеси и ее перемещение от периферии к центру гидроциклона, а также в направлении вдоль его оси, возникает благодаря тому, что гидросмесь подается по касательной к его наружной стенке, а разгрузка происходит через два отверстия, расположенные в центре по вертикальной оси аппарата.

В процессе работы через разгрузочные отверстия в гидроциклон подсасывается значительное количество воздуха, который вместе с газом, выделившимся из жидкости, образует вдоль центральной вертикальной оси зону разряжения в виде воздушного осевого канала, радиус которого обычно составляет 0,606 радиуса сливного патрубка. Образование осевого воздушного канала значительно уменьшает проходные сечения выходных патрубков гидроциклона, что в свою очередь приводит к снижению производительности гидроциклона. Наличие осевого воздушного канала оказывает также существенное воздействие на турбулентность жидкости в центральной зоне гидроциклона, увеличивая градиент пульсаций в этой зоне, что снижает разделительную способность аппарата.

Известен напорный гидроциклон «Дорклон» фирмы «Дорра», состоящий из цилиндроконического корпуса с тангенциальным входным, а также сливным и песковым патрубками, в котором регулирование чистоты разделения осуществляется за счет регулированиия размера пескового отверстия, величина которого, в свою очередь, зависит от величины разряжения в осевом воздушном канале, образующемся вдоль продольной

оси аппарата, в процессе разделения, которое фиксируется посредством трубки, введенной во внутрь по его продольной оси со стороны сливного патрубка (Найденко В.В. «Применение математических методов и ЭВМ для оптимизации и управления процессами разделения суспензий в гидроциклонах», Горький, Волго-Вятское кн. Изд-во, 1976, стр.26, рис.3.2).

Недостатком данного гидроциклона является низкая надежность и качество регулирования процесса разделения вследствие большого и неравномерного износа песковой насадки, а также то, что изменение размеров пескового отверстия, т.е. вмешательство в гидродинамику потока вместе наибольшего скопления твердой фазы пульпы ведет к значительной турбулизации потока и снижению качества разделения, при этом изменять размеры пескового отверстия, не нарушая гидродинамику твердой фазы пульпы, возможно лишь в незначительных пределах, а этого не всегда достаточно при больших изменениях входных параметров гидросмеси, как, например, при классификации нерудных материалов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является гидроциклон, состоящий из цилиндроконического корпуса с тангенциальным входным, а также сливным и Песковым патрубками, у которого, с целью улучшения гидродинамического режима, за счет регулирования разряжения в осевом воздушном канале, по продольной оси установлены две вакуумные трубки, одна из которых расположена со стороны сливного, а другая со стороны пескового патрубков, причем они установлены с возможностью синхронного возвратно-поступательного движения (RU №2170622, МПК В04С 11/00, опубл. 2001)

Недостатком этого гидроциклона является низкая эффективность в работе, так как воздействие на процесс разделения осуществляется лишь за счет регулирования разряжения в осевой зоне аппарата, подводимого через трубки в определенном месте и в определенное время, однако, воздействие на внутреннюю структуру потока устройство оказать не в состоянии. При этом осевая зона разряжения служит не только дополнительным источником турбулизации потока жидкости, что снижает эффективность разделения гидросмеси, но и уменьшает проходные сечения сливного и пескового патрубков, значительно повышая неравномерность истечения из них жидкой фазы, и снижает производительность гидроциклона.

Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение эффективности разделения гидросмеси и увеличение производительности гидроциклона.

Указанная задача решается тем, что гидроциклон, включающий рабочую цилиндроконическую камеру с тангенциальным входным и сливным патрубками и Песковым отверстием, дополнительно содержит цилиндроконическую вихревую камеру с углом конусности 120°, содержащую расположенный в цилиндрической части тангенциальный входной патрубок, соединенный со средством подачи воды, разгрузочный патрубок в конической части, причем коническая часть рабочей камеры погружена в вихревую камеру на % ее цилиндрической части. При этом, площадь сечения цилиндрической части вихревой камеры преимущественно в 4,5 раза меньше сечения цилиндрической части рабочей камеры, а соотношение площади сечений пескового и входного патрубков вихревой камеры и площади сечения пескового отверстия рабочей камеры преимущественно равно 1:1,5:5,5.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства;

На фиг.2 схема движения потоков в рабочей камере без подключения к вихревой камере.

На фиг.3 - схема движения потоков в предлагаемом устройстве.

Гидроциклон - классификатор содержит: (см. фиг 1) рабочую цилиндроконическую камеру I, включающую питающий тангенциальный патрубок 1, установленный в цилиндрической части 2 и соединенный с транспортным пульпопроводом, песковое отверстие 4, расположенное в конической части 3, и сливной патрубок 5; цилиндроконическую вихревую камеру II с углом конусности 120°, в которую на глубину ³/ ₄ ее цилиндрической части 6 погружении коническая часть 3 рабочей камеры; вихревая камера содержит тангенциальный питающий патрубок 8, расположенный в цилиндрической части 6 и соединенный через расходомер 9, регулирующий клапан 10 и отсечную арматуру 11 с магистральным водоводом 12, кроме того, патрубок 8 соединен с магистральным водоводом 12 через обводную линию 13 с отсечной арматурой 14; вихревая камера также содержит разгрузочный (песковой) патрубок 15, расположенный в конической части 7. Гидроциклон также снабжен прибором 16 для измерения давления подаваемой пульпы (гидросмеси), установленным на патрубке 1, линиями связи 17, 18 и 19 от расходомера 9, регулирующего клапана 10 и измерителя давления 16, соединенными с пультом управления 20. Площадь сечения цилиндрической части 6 вихревой камеры меньше площади сечения цилиндрической части 2 рабочей камеры в 4,5 раза, а соотношение площади сечений пескового патрубка 15, питающего патрубка 8 и пескового отверстия 4 составляет 1:1,5:5,5.

Гидроциклон работает следующим образом:

Из магистрального водовода 12, по линии 13, через отсечную арматуру 14 и патрубок 8 в цилиндрическую часть вихревой камеры II, тангенциально подают поток чистой воды, которая через песковое отверстие 4 заполняет рабочую камеру I и сливается через сливной 5 и песковой 15 патрубки. После проверки на герметичность всех его узлов устройства и приборов контроля, по патрубку 1 в рабочую камеру подают с заданной скоростью U _вх исходную гидросмесь с концентрацией S _o, соблюдая постоянство расхода и напора подачи гидросмеси, которая, попадая на стенку, расположенную под углом к первоначальному направлению струи, растекается тонким слоем по поверхности цилиндрической части 2, затем по конической части 3 (см. фиг.2) и по спирали с большой скоростью движется вниз к песковому отверстию 4. Таким образом, в рабочей камере образуется (см. фиг.2) внешний спиральный поток W_1т, направленный вдоль стенок корпуса рабочей камеры от питающего патрубка 1 к песковому отверстию 4, который делится в районе первой трети высоты конической части 3 на нисходящий поток W_1к, располагающийся по поверхности конической части 3 и содержащий отделенные крупные зерна, доставляемые, к песковому отверстию 4; и внутренний восходящий спиральный поток W_1z, образующийся в поле центробежных сил вдоль оси гидроциклона I, несущий на выход из сливного патрубка 5 «граничные» зерна, группирующиеся в коаксиальном сечении с радиусом, равным радиусу сливного патрубка, а также более мелкие зерна твердой фазы гидросмеси. «Граничные» зерна, за счет миделевой площади каждой частицы выносятся в слив, в процессе, колебания скорости внутреннего восходящего потока W _1z, и за счет коррекции скорости в процессе гидроклассификации исходного материала на фракции.

В процессе поступления гидросмеси на вход рабочей камеры гидроциклона, давление гидросмеси в питающем патрубке 1 фиксируется измерителем давления 16, от которого, преобразованное значение давления в виде стандартного выходного сигнала по линии связи 19 поступает на пульт 20, где ПИ-регулятор (на схеме не показан) подает командный сигнал на исполнительный механизм регулирующего клапана 10, с целью открытия его проходного сечения на столько, чтобы пропустить через патрубок 8 на вход вихревой камеры объем воды, соответствующий концентрации исходной гидросмеси (пульпы). Далее, закрывают отсечную арматуру 14, перекрывая, тем самым, проход воды через линию 13 и система установки, состоящая из элементов 9-20 переходит в режим автоматического управления.

В вихревой камере, при подаче в нее воды, также формируются рабочие потоки (см. фиг.3). Объем воды, тангенциально поданный в цилиндрическую часть 6 вихревой камеры образует нисходящий спиральный поток W_2т, двигающийся вдоль стенок корпуса

вихревой камеры от питающего патрубка 8 к патрубку 15, который в районе первой трети высоты конической части 7 делится на нисходящий поток W_2к , двигающийся по поверхности конической части 7 на выход к патрубку 15, и на восходящий спиральный поток W_2z , образующийся в поле центробежных сил вдоль оси вихревой камеры, который, двигаясь вверх проходит через песковое отверстие 4, размывает (разжижает) скопление песков, концентрирующихся над Песковым отверстием 4, соединяется с потоком W ¹_z, заполняет в рабочей камере осевую зону в виде воздушного канала, вытесняя воздух, и, двигаясь к сливному патрубку 5, захватывает частицы (зерна), скорость витания которых меньше скорости движения восходящего потока, не только с осевой зоны канала, но и с его внутренней граничной поверхности. При этом заданные соотношения параметров рабочей и вихревой камеры позволяют создать в вихревой камере скоростной восходящий поток воды, позволяющий выводить через сливной патрубок рабочей камеры гидроциклона частицы твердой фазы исходной гидросмеси заданного размера.

При максимальном увеличении концентрации гидросмеси на входе в рабочую камеру гидроциклона - уменьшается давление гидросмеси в пульпопроводе, вследствие увеличения сопротивления твердой фазы гидросмеси. При этом, уменьшается и скорость питания на входном патрубке, и тангенциальная скорость внутри гидроциклона, и, следовательно, уменьшается скорость восходящего потока и его выталкивающая сила, т.е. из осевой зоны будут выноситься частицы меньше заданного размера. Поэтому, для поддержания необходимых скоростных потоков и получения в сливе гидроциклона частиц, заданной крупности, на основании показания давления исходной гидросмеси в патрубке 1 - ПИ-регулятор дает сигнал на максимальное открытие сечения магистрального водовода 12, что ведет к увеличению скорости осевого восходящего потока в рабочем корпусе гидроциклона до расчетного значения, вследствие чего, интенсифицируется перемещение увеличенной, за счет увеличения концентрации исходной гидросмеси, массы твердой фазы, которая разделяется по заданной границе крупности и беспрепятственно выносится в слив, так как сечение сливного, патрубка 5 увеличилось за счет исчезновения осевого воздушного канала, а проходимость пескового отверстия 4 увеличилась за счет ликвидации скопления крупной фазы гидросмеси восходящим потоком чистой воды из вихревой камеры.

При подаче на вход гидроциклона гидросмеси минимальной концентрации, увеличивается давление гидросмеси в пульпопроводе, вследствие чего, сопротивление твердой фазы гидросмеси уменьшается, при этом увеличивается скорость питания на входном патрубке 1 и тангенциальная скорость в рабочей камере, следовательно, увеличивается

скорость восходящего осевого потока в рабочей камере и его выталкивающая сила. Т.е. из осевого канала будут выноситься частицы больше заданной крупности, и, для поддержания необходимых скоростных потоков и получения в сливе гидроциклона частиц заданной крупности, на основании показания давления исходной гидросмеси в патрубке 1, ПИ-регулятор дает сигнал на минимальное открытие сечения магистрального водовода 12, что ведет к уменьшению до расчетного значения скорости восходящего осевого потока в рабочей камере гидроциклона.

Из выше описанного процесса разделения очевидно, что гидравлика образующихся потоков W_1z и W_2z приводит не только к исчезновению осевого воздушного канала в рабочей камере гидроциклона и к увеличению проходных сечений сливного патрубка 5 и пескового отверстия 4, но и способствует значительному понижению неравномерности истечения из них жидкой фазы, что приводит к снижению гидравлического сопротивления всего устройства.

Разделяющая способность гидроциклона в режиме работы без осевого воздушного канала, в предлагаемом устройстве увеличивается на 5-18%, в зависимости от исходных входных параметров устройства в целом.

Данные, подтверждающие эффективность работы заявленного устройства, были получены на опытной установке на примере переработки гидросмеси с концентрацией: 10%, 15%, 20% и 25%, в гидроциклоне без вихревой камеры (в режиме работы с осевым воздушным каналом) и с вихревой камерой (в режиме работы без осевого воздушного канала).

Пример 1. (сравнительный) Использован гидроциклон со следующими параметрами рабочей камеры I°: диаметр цилиндрической части D°_ц=18 см.; диаметр питающего патрубка d°_пит.=4 см.; диаметр сливного патрубка d°_сл.=2,5 см; диаметр пескового отверстия d°_песк.=2,4 см; высота цилиндрической части Н°_ц=13 см.; угол конусности конической части =20°.

Гидроциклон был установлен на стенде, подсоединен через патрубок d°_пит и песковый насос типа ПБ 40/16 к выходному каналу смесителя, где готовилась, поочередно, песчаная гидросмесь с концентрацией твердой фазы: 10%, 15%, 20% и 25%. Подача гидросмеси осуществлялась в объеме 373,3 л/мин в режиме постоянного давления = 1,6 кГс/см ². Общая длина транспортного трубопровода для подачи гидросмеси на опытную установку - 16,2 метра. Контроль давления осуществлялся образцовым манометром типа МО с классом точности 0,6, установленным перед входом в гидроциклон на питающем патрубке. Результаты представлены в таблице 1.

Пример 2. Гидроциклон по примеру 1 совместили с вихревой камерой.

Параметры вихревой камеры: D ¹_ц=8,5 см.; d¹_пит=1,2 см.; d¹_сл.=1,1 cм; d¹ _песк.=1,0 см; Н¹ _ц=9,7 см, угол конусности конической части 120°. Соотношение площади сечений цилиндрических частей гидроциклона и вихревой камеры равно 1:4,5 Соотношение площади сечений пескового патрубка вихревой камеры, входного (питающего) патрубка вихревой камеры и пескового отверстия 4 гидроциклона равно 1:1, 5:5.

В вихревую камеру через расходомер и регулирующий клапан насосом подавалась чистая вода из емкости-хранилища, причем объем подаваемой воды изменялся в зависимости от концентрации исходной гидросмеси. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Предлагаемая конструкция гидроциклона-классификатора позволяет повысить эффективность разделения гидросмеси на 5-18%, в зависимости от исходных параметров гидросмеси, а также повысить производительность гидроциклона по сливу твердой фазы.

1. Гидроциклон-классификатор, включающий рабочую цилиндроконическую камеру с тангенциальным входным и сливным патрубками и песковым отверстием, отличающийся тем, что дополнительно содержит цилиндроконическую вихревую камеру с углом конусности 120°, герметично соединенную с рабочей камерой, содержащую расположенный в цилиндрической части тангенциальный входной патрубок, соединенный со средством подачи воды, и разгрузочный патрубок в конической части, причем коническая часть рабочей камеры погружена в вихревую камеру на глубину ³/₄ ее цилиндрической части.

2. Гидроциклон по п.1, отличающийся тем, что площадь сечения цилиндрической части вихревой камеры в 4,5 раза меньше сечения цилиндрической части рабочей камеры.

3. Гидроциклон по п.1 или 2, отличающийся тем, что соотношение площади сечений пескового и входного патрубков вихревой камеры и площади сечения пескового отверстия рабочей камеры равно соответственно 1:1,5:5,5.