ГИДРОЦИКЛОН
HYDROCYCLONE

Изобретение относится к области разделения неоднородных жидких систем под действием центробежных сил, в частности к гидроциклонам для разделения суспензий, и может быть использовано в химической, нефтехимической, микробиологической, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности.
Известен гидроциклон с экраном, гасящим турбулентность (Патент 5133861 США, МКП В04С 3/00. Опубл. 28.07.92), содержащий цилиндрическую камеру и конический участок. В цилиндрической камере закрученный поток обтекает цилиндрический экран, который гасит турбулентные пульсации и уменьшает перемешивание в потоке, благодаря чему повышается разделительная способность.
Однако разделительная способность такого гидроциклона невысока, так как наиболее существенное влияние на показатели процесса разделения в гидроциклоне оказывает перемешивание в нижней зоне конической части корпуса гидроциклона вблизи сливного отверстия.
Известен гидроциклон с регулируемой диафрагмой (Патент 5560818 США, МПК В03D 1/24; В04С 5/16; В04С 5/181, опубл 1.10.96), имеющий цилиндрический корпус, в нижней части которого имеется конусообразная пробка, перекрывающая боковое отверстие для выхода обработанной суспензии. Скорость потока в гидроциклоне регулируется путем изменения размеров бокового отверстия при перемещении пробки и таким образом поддерживаются многие режимные параметры гидроциклона.
Изменение размеров отверстия для выхода обработанной суспензии не обеспечивает уменьшения затухания окружной составляющей скорости в нижней части рабочего пространства гидроциклона и поэтому не обеспечивает высокой разделительной способности гидроциклона.
Известен гидроциклон (Патент США 4838434, МПК В03D 1/02; В04С 5/103; В04С 5/16, опубл. 13.06.1989, снабженный вытеснителем, расположенным внутри рабочего пространства, высотой не менее половины высоты рабочего пространства, имеющим коническую или цилиндроконическую форму, коническая часть которого расширяется по направлению к низу рабочего пространства, служащим для стабилизации потока в гидроциклоне и уменьшения перемешивания.
Применение вытеснителя, имеющего высоту не менее половины высоты рабочего пространства гидроциклона, приводит к усилению затухания окружной составляющей скорости суспензии в осевом направлении, вследствие торможения вращения слоев суспензии из-за контакта с поверхностью вытеснителя, поэтому разделительная способность гидроциклона данной конструкции невысока.
Известен гидроциклон (Патент США №2273271, кл. 209-211, 1942), включающий цилиндроконический корпус с тангенциальным входным патрубком, патрубками для отвода осветленной и сгущенной фракций, в котором над патрубком сгущенной суспензии неподвижно установлен конический вытеснитель.
Недостатками данной конструкции гидроциклона являются низкая разделительная способность вследствие возникновения завихрений в нижней зоне конической части корпуса, связанных с неподвижной установкой конического вытеснителя, и обусловленная этим невозможность регулировки проходного сечения патрубка для отвода сгущенного продукта.
Известен гидроциклон (А.с. 1121048 СССР, МПК В04С 5/181, опубл. 30.07.84 Б.И. №40), содержащий цилиндрический корпус с тангенциальным входным патрубком, сливным и песковым патрубками, снабженный с целью повышения разделительной способности коническим вытеснителем с кольцевыми отражателями, установленным на штоке с возможностью осевого перемещения.
Однако применение конического вытеснителя с кольцевыми отражателями не устраняет основного недостатка гидроциклонов данной конструкции - затухания окружной составляющей скорости потока в нижней части корпуса гидроциклона, ввиду того, что поверхность контакта конического вытеснителя с вращающейся суспензией существенно увеличивается за счет применения кольцевых отражателей, что приводит к усилению затухания окружной составляющей скорости суспензии в осевом направлении, в результате чего гидроциклоны данной конструкции не могут обеспечить высокой разделительной способности.
Известен гидроциклон (А.с. 566633 СССР, МПК В04С 5/181, опубл. 30.07.77, Б.И. №28), включающий цилиндроконический корпус с тангенциальным входным патрубком и патрубками для отвода осветленной и сгущенной фракций суспензии, снабженный с целью повышения разделительной способности при неизменной общей производительности штоком, на котором жестко укреплены регулирующие клапаны, каждый из которых выполнен в форме двух усеченных конусов, обращенных друг к другу большими основаниями.
Существенным недостатком данной конструкции является перераспределение расходов между сгущенным и осветленным потоками суспензии при регулировании положения штока и возникающее при этом нарушение гидродинамики закрученного потока конструкцией сходящихся и расходящихся конусов. Течение в нижней зоне конической части корпуса гидроциклона характеризуется значительным турбулентным перемешиванием, затуханием окружной составляющей скорости потока в осевом направлении и утолщением пленки суспензии, что неизбежно приводит к снижению разделительной способности аппарата.
Наиболее близким к предлагаемой конструкции гидроциклона по технической сущности и достигаемому техническому результату является гидроциклон (Патент 2372147 РФ, МПК В04С 5/14, опубл. 10.11.2009, Б.И. №31), содержащий цилиндроконический корпус, патрубок подачи исходной суспензии и патрубки для отвода осветленной и сгущенной фракций, причем он снабжен устройством для отвода сгущенной фракции суспензии, выполненным в виде двух установленных коаксиально корпусу гидроциклона горизонтальных дисков, нижний из которых закреплен на валу и имеет возможность вращения и вертикального перемещения, а верхний неподвижен и имеет форму кольца, внутренний диаметр которого равен диаметру патрубка для отвода сгущенной фракции суспензии и жестко соединен с корпусом гидроциклона, образующих радиальный канал и включающим емкость для сгущенной фракции суспензии, жестко соединенную с верхним диском и образующую с ним цилиндрическую камеру с патрубками для отвода сгущенной фракции суспензии.
Недостатком данной конструкции является установка устройства для отвода сгущенной фракции суспензии вне конической части корпуса гидроциклона, что снижает эффективность его воздействия на затухание окружной составляющей скорости в осевом направлении и на разделительную способность гидроциклона.
Задачей изобретения является создание конструкции гидроциклона для разделения суспензий, обеспечивающей высокую разделительную способность.
Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является повышение разделительной способности гидроциклона за счет использования дополнительной ступени разделения в коническом канале, образованном внешней вращающейся перфорированной конической насадкой и конической частью корпуса гидроциклона, и снижения интенсивности турбулентного перемешивания суспензии в нижней зоне конической части корпуса за счет установки внутренней вращающейся перфорированной конической насадки, за счет уменьшения затухания окружной составляющей скорости в осевом направлении и толщины пленки суспензии в данной зоне, а также за счет обеспечения возможности регулирования толщины пленки суспензии в нижней зоне конической части корпуса гидроциклона и в наружном коническом канале.
Указанный технический результат достигается тем, что в гидроциклоне, содержащем цилиндроконический корпус, патрубки для подачи суспензии и для отвода осветленной фракции суспензии, устройство для отвода сгущенной фракции суспензии, включающее емкость для сбора сгущенной фракции суспензии, причем устройство для отвода сгущенной фракции суспензии выполнено в виде установленных коаксиально корпусу гидроциклона внутренней и внешней перфорированных конических насадок с углом конусности, равным углу конусности конической части корпуса гидроциклона, образующих с конической частью корпуса гидроциклона каналы для прохода суспензии, имеющих возможность вращения с разными угловыми скоростями и возможность перемещения вдоль оси корпуса гидроциклона, причем высота и угловая скорость вращения внешней конической насадки больше, чем у внутренней конической насадки, и дополнительно содержит емкость для сбора промежуточной фракции, подающейся в гидроциклон рециклом через патрубок для подачи суспензии.
Установка внутренней перфорированной конической насадки внутри конической части корпуса гидроциклона, имеющей возможность вращения и образующей с конической частью корпуса канал для прохода суспензии, приводит к снижению интенсивности турбулентного перемешивания суспензии в данной зоне и уменьшению затухания окружной составляющей скорости в осевом направлении и толщины пленки суспензии, что приводит к повышению разделительной способности гидроциклона.
Установка внешней перфорированной конической насадки снаружи конической части корпуса гидроциклона, имеющей возможность вращения и образующей с конической частью корпуса канал для прохода суспензии, приводит к повышению разделительной способности гидроциклона за счет использования дополнительной ступени разделения в коническом канале и отвода промежуточной фракции суспензии в емкость.
Подача промежуточной фракции суспензии из емкости рециклом в гидроциклон через патрубок для подачи суспензии обеспечивает ее дополнительную очистку от частиц твердой фазы, что приводит к повышению разделительной способности гидроциклона.
2
1
Выполнение внешней перфорированной конической насадки с высотой, большей, чем высота внутренней перфорированной конической насадки (Н>Н), и ее вращение с угловой скоростью, большей, чем угловая скорость вращения внутренней конической насадки, приводит к повышению разделительной способности гидроциклона за счет повышения разделительной способности дополнительной ступени разделения в наружном коническом канале и создает дополнительный гидродинамический напор для обеспечения движения суспензии через канал.
Возможность перемещения внутренней и внешней конических насадок вдоль оси корпуса гидроциклона позволяет поддерживать оптимальный гидродинамический режим работы гидроциклона в соответствии с его производительностью и приводит к снижению интенсивности турбулентного перемешивания суспензии в нижней зоне конической части корпуса гидроциклона, уменьшению затухания окружной составляющей скорости в осевом направлении, и приводит к повышению разделительной способности гидроциклона.
Выполнение внутренней и внешней конических насадок перфорированными позволяет отводить продукты разделения непосредственно из каналов, образованных внутренней и внешней коническими насадками и конической частью корпуса гидроциклона и приводит к повышению разделительной способности гидроциклона.
1
2
3
1
2
3
Выполнение внутренней и внешней конических насадок с углами конусности (α и α), равными углу конусности α конической части корпуса гидроциклона (α=α=α), расширяет возможность их перемещения в осевом направлении, что позволяет поддерживать оптимальный гидродинамический режим работы гидроциклона в соответствии с его производительностью в широком диапазоне изменения производительности и приводит к повышению разделительной способности гидроциклона.
На чертеже изображен гидроциклон предлагаемой конструкции, общий вид.
1
2
3
2
1
2
1
Гидроциклон содержит цилиндроконический корпус 1 с крышкой 2 и патрубками для подачи 3 суспензии, установленный тангенциально в верхней части корпуса 1, и отвода 4 осветленной фракции суспензии и снабжен устройством для отвода сгущенной фракции суспензии, выполненным в виде установленных коаксиально корпусу гидроциклона внутренней 5 и внешней 6 перфорированных конических насадок. Внутренняя 5 и внешняя 6 перфорированные конические насадки образуют с конической частью корпуса 1 гидроциклона каналы для прохода суспензии, имеют угол конусности, равный углу конусности конической части корпуса 1 гидроциклона (α=α=α), и возможность вращения с разными угловыми скоростями, а также возможность перемещения вдоль оси корпуса 1 гидроциклона. Высота Н внешней 6 конической насадки больше, чем высота Н внутренней конической насадки 5 (Н>Н). Угловая скорость вращения внешней 6 конической насадки больше, чем у внутренней конической насадки 5. Промежуточная фракция собирается в емкость 7, откуда подается рециклом через патрубок 3 для подачи суспензии в гидроциклон по трубопроводам 8 и 9 насосами 10 и 11. Сгущенная фракция суспензии через отверстия перфорации попадает в емкость 12, из которой отводится насосами (на чертеже не показаны) по трубопроводам 13, 14.
Гидроциклон предназначен для проведения процесса разделения суспензий в поле центробежных сил и работает следующим образом. Исходный поток суспензии подается в корпус 1 гидроциклона через патрубок 3. Поступившая в корпус 1 гидроциклона суспензия стекает, образуя вращающуюся пленку, по его стенкам вниз. Частицы твердой фазы под действием центробежной силы инерции движутся к стенке корпуса 1 гидроциклона.
2
1
Вращающаяся пленка суспензии попадает в канал, образованный конической частью корпуса 1 гидроциклона и внутренней вращающейся перфорированной конической насадкой 5, которая, имея возможность перемещения вдоль оси корпуса 1 гидроциклона и вращаясь с большей угловой скоростью, чем пленка суспензии, уменьшает затухание окружной составляющей скорости в осевом направлении, приводит к снижению интенсивности турбулентного перемешивания суспензии в данной зоне, что приводит к повышению разделительной способности гидроциклона. Осветленная фракция суспензии под действием давления, создаваемого центробежной силой, продавливается через отверстия перфорации и, образуя возвратное вращающееся течение, отводится через патрубок 4. Сгущенная фракция суспензии попадает в канал, образованный конической частью корпуса 1 гидроциклона и внешней перфорированной конической насадкой 6, имеющей возможность вращения с большей угловой скоростью, чем внутренняя коническая насадка 5, и перемещения вдоль оси корпуса 1 гидроциклона и имеющей высоту Н, большую, чем высота Н внутренней конической насадки 5, что создает дополнительный гидравлический напор для продавливания разделяемой суспензии через конические каналы. Течение разделяемой суспензии через канал, образованный внешней конической насадкой 6 и конической частью корпуса 1 гидроциклона, создает дополнительную ступень разделения, обеспечивающую повышение разделительной способности гидроциклона. Промежуточная фракция собирается в емкость 7, откуда подается рециклом через патрубок 3 для подачи суспензии в гидроциклон по трубопроводам 8 и 9 насосами 10 и 11. Сгущенная фракция суспензии через отверстия перфорации попадает в емкость 12, из которой отводится насосами по трубопроводам 13, 14.
Таким образом, гидроциклон предлагаемой конструкции обеспечивает высокую разделительную способность, обусловленную применением устройства для отвода сгущенной фракции суспензии, выполненного в виде установленных коаксиально корпусу 1 гидроциклона внутренней 5 и внешней 6 перфорированных конических насадок с углом конусности, равным углу конусности конической части корпуса 1 гидроциклона, образующих с конической частью корпуса 1 гидроциклона каналы для прохода суспензии, имеющих возможность вращения с разными угловыми скоростями и возможность перемещения вдоль оси корпуса 1 гидроциклона, причем высота и угловая скорость вращения внешней конической насадки 6 больше, чем у внутренней конической насадки 5, и дополнительно содержит емкость 7 для сбора промежуточной фракции, подающейся в гидроциклон рециклом через патрубок 3 для подачи суспензии.