ГИДРОЦИКЛОН-ФЛОТАТОР
FLOTATION HYDROCYCLONE

Изобретение относится к области разделения неоднородных жидких систем под действием центробежных сил, в частности к гидроциклонам для разделения суспензий флотацией, и может быть использовано в химической, нефтехимической, микробиологической, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности.
Известен гидроциклон-флотатор (А.с. СССР 973174, МПК В04С 9/00, опубл. 15.11.82, БИ №42), содержащий цилиндроконический корпус с тангенциальным входным патрубком, в котором цилиндрическая камера снабжена тангенциально установленным сужающимся коническим насадком, расположенным соосно с входным патрубком. За счет эжекции в насадок подсасываются газы, выделяющиеся при электролизе жидкости в кольцевом пространстве между корпусом и цилиндрической камерой, которые используются для флотации.
В данной конструкции гидроциклона-флотатора подсасываемые за счет эжекции пузырьки вторичного газа обладают низкой дисперсностью, что снижает эффективность процесса флотации и разделительную способность гидроциклона.
Известен гидроциклон для отделения газа от жидкости (А.с. СССР 1526836, МПК В04С 5/02, опубл. 07.12.89, БИ №45), содержащий тангенциальный входной патрубок с конфузором, снабженным статическим завихрителем, выполненный в виде трубы с периодическими расширениями и сужениями сечения. В сужениях входного патрубка из-за резкого понижения давления происходит увеличение размеров микропузырьков и их частичная коагуляция.
Выполнение входного патрубка гидроциклона в виде трубы с периодическими расширениями и сужениями сечения ведет к резкому возрастанию гидравлического сопротивления аппарата и повышению энергозатрат на проведение процесса. Кроме того, увеличение размеров микропузырьков неблагоприятно воздействует на кинетику процесса флотации мелких частиц.
Известен гидроциклон-флотатор (А.с. СССР 1607960, МПК В04С 9/00, опубл. 23.11.90, БИ №43), включающий аэратор и электроды, присоединенные к источнику постоянного тока, в котором с целью повышения эффективности в работе электроды выполнены в виде установленных соосно с корпусом вертикальных пластин, размещенных с зазором и с углом наклона в направлении, противоположном направлению подачи исходной смеси. Размещение пластин позволяет регулировать общую площадь электродов, что дает возможность оптимизировать условия аэрации и флотации.
В данной конструкции гидроциклона-флотатора установка пластин затрудняет транспорт комплексов частица-пузырек к поверхности суспензии и снижает разделительную способность гидроциклона. Кроме того, для проведения процесса электролиза воды требуются дополнительные энергозатраты.
Известен газожидкостный сепаратор (Патент РФ 2071838, МПК В04С 3/06, B01D 43/00, опубл. 20.01.97, БИ №2), содержащий цилиндроконический корпус гидроциклона, эжектор с патрубками подвода обрабатываемой жидкости и газа, соединенный с расположенной соосно над гидроциклоном камерой смешения, выходной конец которой расположен внутри гидроциклона и оснащен направляющим аппаратом и коническим раструбом под ним, примыкающим к корпусу гидроциклона, и перфорированным тангенциальными отверстиями.
При разделении суспензий флотацией в сепараторе данной конструкции применение эжекции газа жидкостью и установка раструба, примыкающего к корпусу гидроциклона, перфорированного тангенциальными отверстиями, приводят к значительному увеличению общего гидравлического сопротивления аппарата и повышению энергозатрат на проведение процесса разделения.
Известен гидроциклон с подачей газа (Европейский патент 0473566, МПК B03D 1/14, В04С 5/10; В04С 5/103; В04С 5/14 опубл. 04.03.92, Бюл. 92/10), содержащий первую вихревую камеру с пористой стенкой в виде поверхности вращения, через которую из коллектора, разделенного в осевом направлении на две секции, подаются газ и жидкость, насыщенная газом для образования пузырьков малого размера. Вторая вихревая камера образована коническим участком корпуса и кожухом в виде перевернутого конуса с осевым отверстием для прохода газа, установленным на кронштейнах, соединяющих его с корпусом, который интенсифицирует разделение во второй вихревой камере.
В данной конструкции гидроциклона предусмотрена раздельная подача по зонам в первую вихревую камеру газа и жидкости, насыщенной газом, что обусловливает присутствие в одной зоне пузырьков только крупного размера, а во второй зоне - пузырьков только мелкой фракции, следовательно, в гидроциклоне данной конструкции не обеспечивается высокое значение кинетических констант флотации и при разделении суспензий, содержащих полидисперсную твердую фазу, не может быть достигнута высокая разделительная способность.
Известен гидроциклон с регулируемой диафрагмой (Патент США 5560818, МПК B03D 1/24; В04С 5/16; В04С 5/181, опубл. 1.10.96), имеющий цилиндрический корпус, в который для образования пены по всей высоте подается газ из коллектора, имеющего по крайней мере один вход газа, через пористую диафрагму, выполненную в виде поверхности вращения. В нижней части гидроциклона имеется конусообразная пробка, которая перекрывает 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.
Одновременное воздействие на многие режимные параметры гидроциклона путем изменения размеров отверстия для выхода обработанной суспензии не обеспечивает оптимального режима работы гидроциклона и высокой разделительной способности.
Известен гидроциклон-флотатор (Патент РФ 2310517, МПК В04С 9/00, B03D 1/14 опубл. 20.11.2007, БИ №32), содержащий цилиндрический корпус с пористой проницаемой боковой стенкой и кольцевой коллектор для подачи газа в корпус гидроциклона, отличающийся тем, что в кольцевом коллекторе установлено устройство для распределения давления газа, выполненное в виде кольцевых элементов, установленных коаксиально корпусу гидроциклона с возможностью независимого перемещения в осевом направлении.
Устройство для распределения давления газа, примененное в данной конструкции, не обеспечивает передачи дополнительной кинетической энергии потоку суспензии в окружном направлении по мере его движения в направлении осевой координаты за счет энергии газа, подаваемого через микропоры, в результате чего окружная составляющая скорости потока затухает в осевом направлении, что приводит к снижению кинетического коэффициента флотации и разделительной способности гидроциклона-флотатора.
Наиболее близким к предлагаемой конструкции гидроциклона-флотатора по технической сущности и достигаемому техническому результату является гидроциклонный сепаратор с подачей воздуха (Патент США 4876016, МПК C02F 1/38; B01D 17/038; В04С 5/18; В04С 11/00, опубл. 24.10.89), включающий цилиндрический корпус с крышкой и перфорированной стенкой с облицовкой из пористого материала, кольцевой коллектор для подачи газа в корпус гидроциклона, патрубки для подачи суспензии в корпус гидроциклона, для отвода пены и для подачи газа в коллектор и разгрузочное устройство, позволяющий регулировать количество воздуха, подаваемого в гидроциклон через перфорированную стенку корпуса с облицовкой из пористого материала из коллектора в зависимости от концентрации нефтепродуктов в очищенной воде. Сепарация нефтепродуктов из воды происходит путем флотации при прохождении пузырьков воздуха через воду, насыщенную нефтепродуктами.
Данная конструкция гидроциклонного сепаратора с подачей воздуха не обеспечивает увеличения наполненности профиля окружной составляющей скорости потока суспензии по мере его движения в направлении осевой координаты за счет энергии воздуха, подаваемого через микропоры перфорированной стенки корпуса с облицовкой из пористого материала, в результате чего окружная составляющая скорости потока затухает в осевом направлении, что приводит к снижению кинетического коэффициента флотации и разделительной способности гидроциклона-флотатора.
В соответствии с данным методом регулирование подачи воздуха в коллектор осуществляется без учета распределения концентрации нефтепродуктов в воде по высоте гидроциклонного сепаратора и предусматривает равномерную подачу воздуха в гидроциклон через перфорированную стенку корпуса с облицовкой из пористого материала, что не обеспечивает высоких значений степени извлечения нефтепродуктов в зонах со значительной их концентрацией в воде. В результате разделительная способность гидроциклонного сепаратора данной конструкции невысока.
Задачей изобретения является создание конструкции гидроциклона-флотатора для разделения суспензий, обеспечивающей высокую разделительную способность.
Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является повышение разделительной способности гидроциклона-флотатора за счет возрастания кинетического коэффициента флотации и увеличения скорости всплывания комплексов частица-пузырек к поверхности пленки суспензии, обусловленных уменьшением затухания окружной составляющей скорости потока в осевом направлении.
Указанный технический результат достигается тем, что в гидроциклоне-флотаторе, содержащем цилиндрический корпус с крышкой и пористой проницаемой боковой стенкой, кольцевой коллектор для подачи газа в корпус гидроциклона, патрубки для подачи суспензии в корпус гидроциклона, для отвода пены и для подачи газа в коллектор и разгрузочное устройство, микропоры проницаемой боковой стенки корпуса выполнены в виде горизонтальных цилиндрических сквозных каналов, имеющих в верхнем сечении корпуса радиальное направление, а в нижнем сечении - направление, тангенциальное к его внутренней поверхности, причем направление микропор изменяется от радиального до тангенциального по мере возрастания расстояния от крышки корпуса гидроциклона, а направление тангенциальных микропор совпадает с направлением подачи суспензии в корпус, при этом патрубок подачи газа установлен тангенциально в нижней части коллектора и его направление совпадает с направлением микропор в нижнем сечении корпуса гидроциклона.
Изменение направления микропор пористой проницаемой боковой стенки корпуса гидроциклона по мере возрастания расстояния от крышки корпуса от радиального в верхнем сечении корпуса до тангенциального в нижнем сечении при условии совпадения направления тангенциальных микропор в нижнем сечении с направлением подачи суспензии в корпус гидроциклона позволяет увеличить наполненность радиального распределения окружной составляющей скорости потока суспензии и уменьшить затухание окружной составляющей скорости в осевом направлении путем придания дополнительной кинетической энергии потоку суспензии в окружном направлении по мере его движения в осевом направлении вниз за счет кинетической энергии потока вторичного газа, подаваемого через микропоры, обусловленной окружной составляющей скорости потока газа, что приводит к возрастанию кинетического коэффициента флотации и увеличению скорости всплывания комплексов частица-пузырек к поверхности пленки суспензии и повышению разделительной способности гидроциклона-флотатора.
Изменение направления микропор пористой проницаемой боковой стенки корпуса гидроциклона от радиального в верхнем сечении корпуса до тангенциального в нижнем сечении позволяет одновременно обеспечить уменьшение объемной доли поступившего через микропоры пузырьков вторичного газа по мере возрастания расстояния от крышки корпуса за счет увеличения протяженности каналов микропор и возрастания перепада давления газа при прохождении через микропоры, что создает распределение объемной доли пузырьков поступившего в гидроциклон вторичного газа по осевой координате, пропорциональное объемной доле комплексов частица-пузырек в разделяемой суспензии, что также способствует увеличению количества образующихся вторичных флотокомплексов и увеличению разделительной способности гидроциклона-флотатора.
Горизонтальное расположение сквозных цилиндрических каналов микропор в пористой проницаемой боковой стенке корпуса гидроциклона обеспечивает воздействие кинетической энергии потока газа, подаваемого через микропоры, на радиальное распределение окружной составляющей скорости суспензии и обеспечивает повышение разделительной способности гидроциклона-флотатора.
Выполнение сквозных каналов микропор цилиндрическими повышает равномерность образования пузырьков вторичного газа на пористой проницаемой боковой стенке корпуса и увеличивает разделительную способность гидроциклона-флотатора.
Тангенциальная установка патрубка для подачи газа в коллектор в нижней части коллектора при условии совпадения его направления с направлением микропор в нижнем сечении корпуса гидроциклона уменьшает завихрения при входе потока газа в микропоры и, вследствие затухания окружной составляющей скорости потока газа при движении через коллектор в осевом направлении, обеспечивает максимальное значение окружной составляющей скорости потока газа в нижней части коллектора, где микропоры стенки корпуса имеют тангенциальное направление, в результате чего улучшается равномерность распределения потока газа из коллектора через пористую стенку корпуса в гидроциклон в окружном и осевом направлениях, что приводит к повышению разделительной способности гидроциклона-флотатора.
На фиг.1 изображен гидроциклон-флотатор предлагаемой конструкции, общий вид; на фиг.2 - разрез по А-А; на фиг.3 - разрез по Б-Б.
Гидроциклон-флотатор содержит цилиндрический корпус 1 с крышкой 2, включающий пористую проницаемую боковую стенку 3, имеющую микропоры 4, выполненные в виде горизонтальных цилиндрических сквозных каналов, и тангенциальный патрубок для подачи суспензии 5, установленный в верхней части корпуса, разгрузочное устройство, выполненное в виде двух концентрично установленных кольцевых вертикальных перегородок 6 и стенок 7, образующих каналы для прохода осветленных продуктов разделения 8, на выходе из которых установлены регулирующие устройства 9, имеющие возможность поворота относительно осей 10 и патрубок для отвода пены, насыщенной частицами отделяемого продукта 11. Подача газа в гидроциклон осуществляется из кольцевого коллектора 12 через микропоры 4 пористой стенки 3 корпуса 1. Направление микропор 4 изменяется по мере возрастания расстояния от крышки 2 корпуса от радиального в верхнем сечении (А-А) цилиндрического корпуса 1 до тангенциального в нижнем сечении (Б-Б), причем направление тангенциальных микропор совпадает с направлением подачи суспензии в корпус гидроциклона. В коллектор 12 газ поступает через патрубок 13, установленный тангенциально в его нижней части и снабженный регулирующей заслонкой 14. Направление тангенциального патрубка 13 совпадает с направлением микропор 4 в нижнем сечении корпуса гидроциклона.
Гидроциклон-флотатор предназначен для проведения процесса двухстадийной напорной флотации и работает следующим образом. Исходный поток, содержащий предварительно насыщенную газом при повышенном (до 0,8 МПа) давлении суспензию, подается в корпус 1 гидроциклона с крышкой 2, имеющий пористую проницаемую боковую стенку 3, микропоры 4 которой выполнены в виде горизонтальных цилиндрических сквозных каналов, через патрубок 5, установленный тангенциально в верхней части корпуса гидроциклона. При снижении давления в корпусе гидроциклона до атмосферного создается перенасыщение растворенного газа и суспензия "вскипает". Поступившая в корпус 1 гидроциклона суспензия стекает, образуя вращающуюся пленку, по его стенкам в осевом направлении вниз. Частицы твердой фазы под действием центробежной силы инерции движутся к стенке корпуса гидроциклона, а пузырьки газа под действием выталкивающей центростремительной силы Архимеда - навстречу им к поверхности пленки. На первой стадии напорной флотации часть пузырьков газа выделяется из суспензии непосредственно на частицах твердой фазы, являющихся центрами кипения, с образованием комплексов частица-пузырек, что приводит к возрастанию кинетического коэффициента флотации и разделительной способности гидроциклона-флотатора. Остальные пузырьки газа, выделившиеся в жидкой фазе, образуют комплексы при столкновении с частицами твердой фазы при встречном движении. Комплексы частица-пузырек выносят частицы твердой фазы на поверхность пленки в пенный слой, который удаляется через патрубок 11. Осветленная суспензия удаляется из гидроциклона-флотатора по фракциям через каналы 8 разгрузочного устройства.
Через микропоры 4 пористой проницаемой боковой стенки 3 корпуса 1 в гидроциклон подаются пузырьки вторичного газа из кольцевого коллектора 12. Ввиду того, что диаметр пузырьков вторичного газа, подаваемого через пористую стенку корпуса 1 гидроциклона, на порядок превышает диаметр пузырьков газа, выделяющихся из суспензии на первой стадии напорной флотации, и в значительно большей мере превышает диаметр частиц твердой фазы, эффективность столкновения свободных частиц твердой фазы с пузырьками вторичного газа согласно известным методикам ее расчета мала и ею можно пренебречь. Кроме того, объемная доля свободных частиц твердой фазы достаточно быстро убывает и становится пренебрежимо малой после подачи суспензии в корпус гидроциклона вследствие образования флотокомплексов с пузырьками газа, выделяющимися из суспензии на первой стадии флотации.
Пузырьки вторичного газа, подаваемого через пористую проницаемую боковую стенку 3 корпуса 1, имеющие на порядок больший диаметр, чем пузырьки газа, выделяющегося из суспензии при снижении давления, имеют значительно большую скорость всплывания к поверхности пленки, чем образовавшиеся комплексы частица-пузырек. На второй стадии флотации пузырьки вторичного газа, сталкиваясь со всплывающими комплексами, образуют с ними вторичные комплексы, в которых частица составляет мостик между пузырьками, которые быстро устремляются к поверхности пленки.
Изменение направления микропор 4 пористой проницаемой боковой стенки 3 корпуса 1 гидроциклона по мере возрастания расстояния от крышки корпуса 2 от радиального в верхнем сечении корпуса (А-А) до тангенциального в нижнем сечении (Б-Б) при условии совпадения направления микропор в нижнем сечении с направлением подачи суспензии в корпус гидроциклона через патрубок 5 позволяет увеличить наполненность радиального распределения окружной составляющей скорости потока суспензии и уменьшить затухание окружной составляющей скорости в осевом направлении путем придания дополнительной кинетической энергии потоку суспензии в окружном направлении по мере его движения в направлении оси гидроциклона за счет кинетической энергии потока вторичного газа, подаваемого через микропоры 4, обусловленной окружной составляющей скорости потока газа. Это повышает кинетический коэффициент флотации и увеличивает скорость всплывания комплексов частица-пузырек к поверхности пленки суспензии, в результате чего возрастает количество комплексов частица-пузырек, достигших поверхности пленки и извлеченных в пенный слой, и приводит к повышению разделительной способности гидроциклона-флотатора. Подача в рабочее пространство гидроциклона-флотатора через пористую проницаемую боковую стенку вторичного газа, имеющего окружную составляющую скорости, позволяет повысить значения окружной составляющей скорости в «проблемной» для гидроциклона зоне, прилежащей к стенке корпуса, где имеют место малые значения окружной составляющей скорости суспензии и малые локальные значения кинетического коэффициента флотации, что приводит к значительному повышению общего кинетического коэффициента флотации и разделительной способности гидроциклона-флотатора.
Окружная составляющая скорости подаваемого через сквозные микропоры боковой стенки корпуса гидроциклона потока газа возрастает по мере увеличения расстояния от крышки 2 корпуса 1 при движении потока в осевом направлении вниз за счет изменения направления микропор от радиального в верхнем сечении корпуса до тангенциального в нижнем. Возрастание окружной составляющей скорости вторичного газа и дополнительной кинетической энергии, сообщаемой потоку суспензии вторичным газом, пропорционально увеличению затухания окружной составляющей скорости потока при возрастании расстояния от крышки корпуса позволяет использовать ее наиболее эффективно для снижения затухания окружной составляющей скорости потока в гидроциклоне в осевом направлении, повышения кинетического коэффициента флотации и увеличения разделительной способности гидроциклона-флотатора.
Объемная доля комплексов частица-пузырек изменяется в направлении оси гидроциклона согласно известным закономерностям, зависящим от конструктивных и режимных параметров гидроциклона, согласно которым градиент объемной доли комплексов частица-пузырек возрастает в осевом направлении по мере уменьшения расстояния от крышки 2 корпуса 1 гидроциклона. Следовательно, разделительная способность гидроциклона может быть повышена путем распределения в осевом направлении объемной доли пузырьков вторичного газа, поступившего через пористую стенку 3 корпуса 1, из кольцевого коллектора 12 пропорционально распределению объемной доли комплексов частица-пузырек в суспензии, в результате чего согласно кинетическому уравнению процесса флотации возрастет число образовавшихся вторичных комплексов и возрастет объемная доля частиц твердой фазы, извлекаемых из суспензии пузырьками вторичного газа в пенный слой. Объемная доля пузырьков газа, поступивших в гидроциклон через пористую стенку 3 корпуса 1, распределяется обратно пропорционально перепаду давления газа при прохождении через микропоры 4 боковой стенки 3 и их аэродинамическому сопротивлению.
Следовательно, необходимое распределение объемной доли пузырьков вторичного газа, поступивших в рабочее пространство гидроциклона, может быть достигнуто путем увеличения протяженности микропор 4 пористой проницаемой боковой стенки 3 при возрастании расстояния от крышки 2 корпуса и соответствующим увеличением перепада давления газа при прохождении через микропоры 4. Это обеспечивается изменением направления микропор от радиального в верхнем сечении корпуса гидроциклона до тангенциального в нижнем сечении и соответствующим увеличением протяженности микропор при возрастании расстояния от крышки корпуса. В результате максимальная объемная доля пузырьков вторичного газа подается в верхнюю часть корпуса гидроциклона, где имеет место максимальная объемная доля комплексов частица-пузырек и повышается разделительная способность гидроциклона-флотатора.
Патрубок 13 подачи газа в коллектор 12 установлен тангенциально в нижней части коллектора, причем его направление совпадает с направлением микропор 4 в нижнем сечении корпуса 1 гидроциклона, что уменьшает завихрения при входе потока газа в микропоры 4 и, вследствие затухания окружной составляющей скорости потока газа при движении через коллектор в осевом направлении, обеспечивает максимальное значение окружной составляющей скорости потока газа в нижней части коллектора, где микропоры стенки корпуса имеют тангенциальное направление, в результате чего улучшается равномерность распределения потока газа из коллектора 12 через пористую проницаемую боковую стенку 3 корпуса 1 в гидроциклон в окружном и осевом направлениях, что приводит к повышению разделительной способности гидроциклона-флотатора.
Таким образом, предлагаемая конструкция гидроциклона-флотатора позволяет увеличить наполненность радиального распределения окружной составляющей скорости потока суспензии и снизить затухание окружной составляющей скорости в осевом направлении и увеличить за счет этого кинетический коэффициент флотации и скорость всплывания комплексов частица-пузырек к поверхности пленки суспензии и повысить разделительную способность гидроциклона-флотатора, а также обеспечивает распределение объемной доли пузырьков вторичного газа, поступившего через пористую проницаемую боковую стенку корпуса в гидроциклон, в осевом направлении, пропорциональное распределению объемной доли комплексов частица-пузырек в суспензии, что приводит к повышению разделительной способности гидроциклона-флотатора.