Hydrocyklony

Hydrocyklon można określić jako urządzenie, w którym nadaje się cieczy lub zawiesinie ruch wirowy dookoła osi naczynia, wykorzystując do tego celu ciśnienie hydrostatyczne tej cieczy. W celu uzyskania wirowego ruchu strumienia, ciecz wprowadza się stycznie do hydrocyklonu odpowiednio wykształconą dyszą wlotową. W wyniku wirowego ruchu ośrodka w hydrocyklonie uzyskuje się względny ruch składników tego ośrodka, np. cieczy i ciała stałego lub ciał stałych o różnych własnościach fizycznych. Umożliwia to ich rozdział. Produkty rozdziału odprowadza się z hydrocyklonu dwoma strumieniami wylotowymi, umiejscowionymi w osi hydrocyklonu na dwóch przeciwległych końcach. Każdy z tych strumieni wynosi właściwy jemu produkt rozdziału o stopniu czystości zależnym od technologicznej skuteczności pracy hydrocyklonu.

Zasadę pracy hydrocyklonu przedstawia hydrocyklon konwencjonalny (rys. 1).

Hydrocyklon taki składa się z następujących elementów:

• części cylindrycznej, w której znajduje się dysza wlotowa usytuowana stycznie do obwodu części cylindrycznej, nadająca wprowadzanej cieczy ruch wirowy; w osi części cylindrycznej znajduje się jeden z otworów wylotowych hydrocyklonu;

• części stożkowej, zbieżnej w kierunku drugiego otworu wylotowego hydrocyklonu, której zadaniem jest przede wszystkim wywołanie zmiany stanu początkowego wirującej zawiesiny, tj. zwiększenie jej zagęszczenia, zmiany składu ziarnowego lub densymetrycznego;

• końcówki przelewowej, zwanej przelewem, która służy do wyprowadzenia jednego z produktów hydrocyklonu - o mniejszej koncentracji fazy stałej, drobniejszym uziarnieniu lub niższym ciężarze właściwym;

• końcówki wylewowej, zwanej wylewem, którą odprowadza się produkt cięższy, o grubym uziarnieniu lub wyższej koncentracji fazy stałej.

Dobór wielkości poszczególnych elementów konstrukcyjnych zależy od zadania, jakie spełniać ma hydrocyklon.

Miejsce hydrocyklonu w procesach przeróbczych kopalin.

Hydrocyklon jest uniwersalnym urządzeniem i znajduje zastosowanie w przeróbce mechanicznej wszędzie tam, gdzie przy rozdziale mieszanin wieloskładnikowych fazą rozpraszającą jest ciecz. W związku z tym jest on jednym z podstawowych urządzeń w następujących operacjach przeróbczych:

• klasyfikacji,

• zagęszczaniu,

• wzbogacaniu.

Z uwagi na charakter pracy, hydrocyklony znalazły zastosowanie, aczkolwiek jak dotychczas sporadyczne, do odgazowania cieczy, jak również do rozdziału cieczy o różnych własnościach fizycznych.

Operacje klasyfikacji i wzbogacania w hydrocyklonie zalicza się do rozdziału faz: stała - stała w ośrodku ciekłym. W pierwszym przypadku mamy do czynienia z rozdziałem wg wielkości ziarn fazy stałej, w drugim wg różnicy ciężarów właściwych składników fazy stałej.

Klasyfikacja w hydrocyklonie jest procesem powszechnie stosowanym przede wszystkim w przeróbce mechanicznej rud i surowców chemicznych, gdzie hydrocyklony z powodzeniem zastępują lub uzupełniają klasyfikatory grawitacyjne w procesie mielenia i przygotowania rudy do wzbogacania flotacyjnego.

Wzbogacanie w hydrocyklonie może zachodzić zarówno w przypadku klasyfikacji, jak i zagęszczania.

Proces wzbogacania w hydrocyklonie przyjął się przede wszystkim dla ziarn drobniejszych poniżej 6 lub 10 mm i w tym zakresie technologiczna skuteczność tego procesu jest wyższa od dotychczas stosowanych metod wzbogacania grawitacyjnego, a nawet flotacyjnego. Aktualnie dolna granica wielkości ziarn wzbogacanych w hydrocyklonie w zawiesinowej cieczy ciężkiej wynosi około 0,5 mm.

Operacja zagęszczania w hydrocyklonie leży między dwiema końcowymi operacjami rozdziału fazy stałej i ciekłej: klarowaniem, którego celem jest całkowite strącenie części stałych i uzyskanie czystej wody, a odwadnianiem, tj. mechanicznym wydzieleniem cieczy z mieszaniny ciało stałe - ciecz o wysokiej koncentracji części stałych w mieszaninie.

Podział hydrocyklonów.

1. Stosownie do przyjętych operacji przeróbczych, w których hydrocyklony znalazły zastosowanie, można podzielić je na:

• hydrocyklony klasyfikujące,

• hydrocyklony zagęszczające,

• hydrocyklony wzbogacające.

2. W zależności od stosowanych ciśnień hydrocyklony dzieli się na:

• hydrocyklony niskociśnieniowe pracujące przy ciśnieniu wlotowym poniżej 1 at nadciśnienia,

• hydrocyklony średniociśnieniowe pracujące przy ciśnieniu wlotowym w granicach od 1 do około 3 at,

• hydrocyklony wysokociśnieniowe, w których stosuje się ciśnienie wlotowe powyżej 3 at.

Podział ten dotyczy przede wszystkim hydrocyklonów w konwencjonalnym rozwiązaniu, w jakim znajdują powszechne zastosowanie w przeróbce mechanicznej węgla i rud.

3. W zależności od konstrukcji hydrocyklony dzielimy na:

• cylindryczne bez części stożkowej,

• stożkowe bez części cylindrycznej,

• cylindryczno - stożkowe.

4. Ze względu na dalsze róznice konstrukcyjne, układy i warunki pracy podział hydrocyklonów jest następujący:

• jedno i wielostronnie zasilane,

• dwu- i wieloproduktowe,

• jedno- i wielostopniowe,

• równoległe i szeregowe,

• pracujące pojedynczo i w odpowiednich bateriach,

• oraz multihydrocyklony jedno- i wieloproduktowe.

Przepływ cieczy w hydrocyklonie.

Styczne wprowadzenie cieczy do hydrocyklonu przez otwór wlotowy oraz kształt geometryczny hydrocyklonu powodują, że w jego części cylindrycznej wytwarza się w pierwszej fazie spiralna struga cieczy, która przesuwa się w kierunku stożkowej części hydrocyklonu. Można stwierdzić, że wyjąwszy obszar tuż przy otworze wlotowym, cały ruch strugi ma charakter symetrycznego ruchu spiralnego o zmiennej średnicy i skoku spirali. Usytuowanie otworów wylotowych i ich wzajemne proporcje wymiarowe powodują, że w drugiej fazie w części stożkowej hydrocyklonu istnieje przepływ cieczy w kierunku obu otworów i upraszczając można powiedzieć, że powstaje druga wewnętrzna spiralna struga cieczy skierowana w stronę części cylindrycznej, w której znajduje się otwór przelewowy hydrocyklonu. Przy pionowym ustawieniu hydrocyklonu zewnętrzna - pierwotna spiralna struga cieczy przesuwa się w dół w stronę otworu wylewowego, natomiast wtórna - wewnętrzna struga spiralna przesuwa się w górę w stronę otworu przelewowego. Schematyczny ruch wzajemny tych dwu strug cieczy przedstawia rys.2.

Poza dwoma głównymi strumieniami cieczy w hydrocyklonie występują jeszcze lokalne wiry w sąsiedztwie otworu przelewowego oraz przepływ strugi, która bezpośrednio z otworu wlotowego kieruje się do otworu przelewowego wzdłuż ścian łączących oba otwory.

Wynikiem spiralnego ruchu strugi jest istnienie składowych prędkości cząstki cieczy w hydrocyklonie, a mianowicie:

• prędkości stycznej v_t,

• prędkości promieniowej v_r,

• prędkości osiowej v_z.

Najważniejsza spośród trzech składowych jest prędkość styczna, jest ona 6- do 10-krotnie większa od sumy dwóch pozostałych składowych prędkości.

Charakterystyka pracy hydrocyklonu.

Charakterystykę pracy hydrocyklonu wyznaczają trzy podstawowe wskaźniki:

• wydajność całkowita hydrocyklonu,

• ilościowy udział produktów w hydrocyklonie,

• technologiczna skuteczność pracy hydrocyklonu.

Wymienione parametry są funkcją rozwiązania konstrukcyjnego hydrocyklonu, jak również - w mniejszym stopniu - własności zawiesiny w hydrocyklonie.

Wydajność hydrocyklonu

W hydrocyklonie występują trzy pojęcia wydajności:

• wydajność całkowita hydrocyklonu, odnosząca się do cieczy wprowadzanej do hydrocyklonu otworem wlotowym,

• wydajność produktu górnego, przelewu,

• wydajność produktu dolnego, wylewu.

Rozróżnia się wydajność objętościową, odnoszącą się do wody i do zawiesiny (mieszaniny faz), oraz wydajność w odniesieniu do substancji suchej, dotyczącą jedynie części stałych zawartych w mieszaninie.

Między tak zdefiniowanymi pojęciami wydajności zachodzi zależność

Q_vn = Q_vp + Q_vw

lub w odniesieniu do substancji suchej

Q_mn = Q_mp + Q_ms

Zależność przedstawiono graficznie na rys. 3.

Rozdział ilościowy produktów w hydrocyklonie

Poza wydajnością całkowitą w odniesieniu do nadawy występuje również pojęcie wydajności produktów hydrocyklonu wychodzących otworami wylotowymi. W praktyce operuje się zazwyczaj pojęciem ilościowego rozdziału produktów w hydrocyklonie, który - niezależnie od definicji - wykazuje, w jakim stosunku nadawa do hydrocyklonu rozdzieliła się na produkty. Wskaźnik ten ma duże znaczenie dla wyników pracy hydrocyklonu. W warunkach ruchowych parametr ten decyduje o następujących wskaźnikach technologicznych:

• koncentracji fazy stałej w produktach hydrocyklonu,

• wielkości tzw. ziarna podziałowego,

• wielkości tzw. ziarna granicznego,

• uzysku fazy stałej z nadawy do hydrocyklonu w każdym z jego produktów,

• skuteczności klasyfikacji.

Istnieją dwie definicje wskaźnika rozdziału ilościowego przyjmowanego jako:

• stosunek ilości produktu górnego (przelewu) do ilości produktu dolnego (wylewu) - Q_vp/Q_vw, oznaczany jako I₁,

• stosunek ilości produktu dolnego hydrocyklonu (wylewu) do wydajności całkowitej hydrocyklonu - Q_vw/Q_vn, oznaczany jako I₂.

Z praktycznego punktu widzenia korzystniejsza jest druga definicja, która podaje wprost procentową ilość produktu dolnego hydrocyklonu - podstawowego parametru regulacji hydrocyklonu w warunkach ruchowych.

Technologiczna skuteczność pracy hydrocyklonu

Wskaźnik skuteczności pracy hydrocyklonu wyznacza się w powiązaniu z zadaniem, jakie ma on do spełnienia w procesie technologicznym. O innym wskaźniku będzie mowa, gdy hydrocyklon pracuje jako wzbogacalnik, a o innym, gdy pracuje jako klasyfikator lub klarownik.

Ogólnie rzecz biorąc, chodzi jednak o wyznaczenie skuteczności rozdziału faz niezależnie od przyjętej definicji.

Najprostszą formą przedstawienia skuteczności pracy hydrocyklonu jest podanie charakterystyki jego produktów.

Bardziej doskonałe jest podanie pojedynczego współczynnika wyliczonego na podstawie charakterystyki produktów lub też wyznaczanie znanych w przeróbce mechanicznej krzywych rozdziału, opartych na rachunku prawdopodobieństwa i uwzględniających masowy charakter rozdziału w hydrocyklonie.

Definicja wskaźnika skuteczności rozdziału faz, która jest wynikiem analizy i dyskusji różnych definicji ma następującą postać:

E = Q_sw /Q_sn - Q_ow /Q_on

Operuje się również pojęciem uzysku fazy stałej w produktach hydrocyklonu. Wskaźnik ten zdefiniować można następująco:

η_s = Q_sw /Q_sn *100%

---