ГИДРОЦИКЛОН С УМЕНЬШЕНИЕМ СОДЕРЖАНИЯ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО МАТЕРИАЛА В НИЖНЕМ СЛИВЕ ЦИКЛОНА
HYDRAULIC CYCLONE WITH REDUCED CONTENT OF FINE MATERIAL IN LOWER DRAINING CYCLONE

Объектом этого изобретения является гидроциклон, имеющий область притока, которая имеет тангенциальный приток для загружаемой пульпы, и разделительную область, следующую за областью притока и имеющую насадку нижнего слива для выгрузки тяжелых материалов, крупнозернистых материалов или крупной фракции. Объектом данного изобретения также является способ работы гидроциклона в соответствии с изобретением.
Гидроциклоны представляют собой центробежные сепараторы для суспензий или смесей. С их помощью главным образом отделяются или разделяются на фракции твердые частицы. С их помощью также могут разделяться эмульсии, такие как, например, смеси нефть/вода.
Гидроциклон является важным компонентом обезвоживания гипса в установке влажной очистки дымового газа. В этом случае суспензия, извлекаемая из абсорбера, частично обезвоживается одним или несколькими гидроциклонами и затем проходит на ленточный фильтр или на центрифугу. В результате этого способа гипс приводится к остаточной влажности, составляющей обычно менее 10%, и затем может увозиться.
Обычные гидроциклоны, как правило, состоят из цилиндрического сегмента с тангенциальным притоком (насадка притока) и присоединяющегося конического сегмента, имеющего насадку нижнего слива или нижнюю насадку. Сливная насадка или насадка верхнего слива выступает в осевом направлении сверху в форме трубки с погруженным концом внутрь циклона.
В настоящем изобретении под верхним сливом или верхним потоком понимается особо более легкая и/или более мелкозернистая фракция, а нижний слив может обозначать особо более тяжелую и/или более крупную фракцию.
В настоящем изобретении верхний слив необязательно должен покидать гидроциклон «сверху» или в области притока. Также могут предусматриваться показательные варианты осуществления, в которых гидроциклон работает по принципу прямотока, то есть когда нижний слив и верхний слив покидают гидроциклон в одном направлении.
В настоящем описании обозначения «верх» и «низ» связаны с притоком и нижним сливом. Однако фактическое положение гидроциклона до максимально возможной степени независимо от этого, таким образом, часто используются и горизонтально установленные гидроциклоны.
В гидроциклонах на принципе противотока жидкость проводится через тангенциальный приток в цилиндрический сегмент по круговой траектории и течет вниз в направленном вниз водовороте. Сужение в коническом сегменте приводит к ускорению и внутреннему смещению объема и накоплению в нижней области конуса. Это ведет к образованию внутреннего направленного вверх водоворота, который выпускается через насадку верхнего слива. Цель состоит в разделении особо более тяжелой фракции (например, твердых веществ, крупнозернистого материала, крупных частиц) на стенке циклона и, следовательно, выгрузке через насадку нижнего слива, тогда как особо более легкая или более мелкозернистая фракция уходит через насадку верхнего слива.
Фундаментальный принцип разделения и расслоения на фракции гидроциклона описывается взаимодействием центробежных сил и гидродинамических сил. В то время как центробежная сила действует в большей степени на большие особо тяжелые частицы (крупнозернистые материалы) и они, таким образом, отделяются наружу к стенке циклона, в случае малых легковесных частиц, ввиду их большей удельной поверхности, воздействие потока на частицы (сила сопротивления) имеет большую важность.
В обычных гидроциклонах однородное распределение мелкозернистых материалов в притоке гарантирует разделение этих классов размеров частиц в соответствии с разделением объемной скорости потока между верхним сливом и нижним сливом. Это означает, что мелкозернистые материалы обычно отделяются от крупнозернистых материалов во фракции, соответствующей объемному разделению нижнего слива/притока (отношению объемных потоков).
Следовательно, обычные гидроциклоны, как правило, не способны уменьшать в нижнем сливе дисперсную фазу, плотность которой подобна плотности текучей среды или размер частицы которой мал (<5 мкм).
Современные разработки, такие как описаны, например, в документе DE 102009057079 A, идут на шаг вперед в том, что, создавая промывочный поток из чистой текучей среды, они пытаются отделить мелкозернистые фракции из нижнего слива. Поток промывочной воды в этом случае обычно вводится тангенциально в конус или в нижнюю область циклона. Результатом этого разбавления является то, что концентрация мелкозернистого материала в сливе крупнозернистого материала, то есть в нижнем сливе, уменьшается. Недостатком в этом случае является то, что вводимая жидкость и сопутствующая турбулентность заставляют уже отделенные тяжелые фракции снова вливаться в центральный поток. Это ухудшает чистоту верхнего слива. Ввиду этих недостатков уменьшение содержания мелкозернистых материалов в нижнем сливе может быть осуществлено только в ограниченной степени, в основном только в степени, соответствующей дополнительно введенному потоку воды. В документе EP 1069234 B1 раскрыто добавление разбавляющей жидкости прямо в центральный поток через трубку притока, расположенную по центру в верхней насадке.
В документе US 4652363 описан гидроциклон, в котором водная суспензия разделяется на два подпотока посредством пластины. Это разделение предназначено для обеспечения более равномерного износа стенки гидроциклона.
В документе US 4696737 описан гидроциклон для очищения волокнистой суспензии. В этом случае примеси разделяются посредством нижнего слива, в то время как волокна разделяются посредством верхнего слива. Подача суспензии и подача разбавляющей воды отделены посредством пластины.
Цель, на которой основано изобретение, следовательно, состоит в том, чтобы предоставить гидроциклон, который улучшает разделение таким образом, что неправильный выпуск как мелкозернистого материала или мелких частиц в нижнем сливе, так и крупнозернистого материала или крупных частиц в верхнем сливе сокращается. Содержание мелкозернистых материалов, следовательно, уменьшается в нижнем сливе, что касается отнесенной к объему концентрации в притоке.
Эта цель достигается с помощью гидроциклона, в котором барьерным слоем воды или другой вводимой текучей среды делается доступной чистая фаза, через которую должен осаждаться крупнозернистый материал, тогда как мелкозернистая фракция преимущественно остается позади в изначальном потоке. Подача этой барьерной текучей среды происходит через по меньшей мере один дополнительный приток, независимый от подачи суспензии. Поток барьерной текучей среды отделяется от суспензии или подаваемой пульпы пластиной и может вводиться в цилиндрический сегмент. Пластина в этом случае выполняет задачу предотвращения взаимного перемешивания во входной области и обеспечения контакта слоев потока только после образования стабильного профиля.
Согласно изобретению ниже по течению от пластины, если смотреть в направлении потока подаваемой пульпы, расположен разделитель потока, посредством которого смешанные поток барьерной текучей среды и подаваемая пульпа снова отделяются друг от друга. Посредством разделителя потока последующее взаимное перемешивание уже разделенных слоев может быть уменьшено или предотвращено. Также может предусматриваться подача барьерного слоя в конической области, в таком случае может обеспечиваться ступенчатое расширение диаметра циклона, так что барьерный поток воды может вводиться без какого-либо смещения суспензии. Стенка гидроциклона в этом случае также одновременно образует пластину.
Ключевая мысль изобретения состоит в том, чтобы получить условия для осаждения, насколько возможно, образованием вспомогательного слоя осаждения (барьерного потока текучей среды), который не взаимодействует или лишь незначительно взаимодействует с основным потоком, чтобы получать хорошее разделение частиц на его траектории осаждения и без какого-либо обогащения, которое обычно в других случаях.
Мелкозернистые фракции (мелкозернистые материалы) в преобладающей части остаются в центральном потоке. Поток барьерной текучей среды в этом случае окружает подаваемую пульпу в форме кольца. Содержание мелкозернистых материалов или мелких частиц, следовательно, уменьшается в нижнем сливе или, в идеальном случае, они вовсе отделяются, что касается отнесенной к объему концентрации в притоке (даже принимая во внимание применяемое количество барьерной текучей среды или количество барьерной воды).
Поток барьерной текучей среды может предпочтительно подаваться тангенциально в область притока через по меньшей мере один дополнительный приток. Следовательно, стабильный кольцевой поток барьерной текучей среды может быть образован внутри циклона.
Предпочтительно пластина имеет, по существу, цилиндрическую или коническую форму. В этом случае она может проходить в области притока или в цилиндрическом сегменте, от области притока барьерного потока текучей среды до перехода в область разделения или конический сегмент или может быть закреплена в конической области. Поэтому остается достаточно времени, чтобы обеспечить образование стабильного кольцевого потока как в барьерном слое текучей среды, так и в подаваемой пульпе.
Преимущественным является, если пластина сужается до точки на своем нижнем конце или выполнена насколько можно тонкой, так что поток барьерной текучей среды и подаваемая пульпа могут смешиваться, чтобы быть насколько можно свободными от вихрей. Два потока также должны течь далее, насколько можно дальше разделенными друг от друга, ниже пластины.
Предпочтительно расстояние между пластиной и разделителем потока регулируется. Таким образом можно влиять на размер разделяемых частиц.
Использование разделителя потока делает возможным получить вариант осуществления гидроциклона, в котором поток барьерной текучей среды образует нижний слив, то есть фракцию, обогащенную тяжелыми или крупнозернистыми материалами, и в котором подаваемая пульпа с уменьшенным содержанием тяжелых материалов образует верхний слив. В этом случае также возможно, что нижний слив и верхний слив выводятся из гидроциклона вниз. Следовательно, в этом варианте осуществления гидроциклон работает по принципу прямотока.
В этом случае преимущественно, если гидроциклон имеет в значительной мере цилиндрическую структуру.
Пластина также может иметь компенсационные отверстия, которые реализуют соединение между подаваемой пульпой и потоком барьерной текучей среды, таким образом приводя к компенсации давления между барьерной текучей средой и суспензией до того, как два слоя встречаются друг с другом. В идеале в этом случае на барьерную текучую среду всегда действует несколько более высокое давление, чем на суспензию.
Также подразумевается, что дополнительная промывочная или разбавляющая вода может вводиться в области нижнего слива, так что таким образом может достигаться дополнительное уменьшение содержания мелкозернистых материалов или мелких частиц в нижнем сливе. Например, в нижней области поток воды может подаваться в направлении оси в водоворот, чтобы минимизировать перезавихрение или полное смешивание разделенных слоев.
Целью изобретения также является способ работы гидроциклона в соответствии с изобретением, при этом поток барьерной текучей среды и подаваемая пульпа проводятся дальше вместе в гидроциклоне, как только потоки барьерной текучей среды и поток подаваемой пульпы становятся стабильными.
Согласно изобретению поток барьерной текучей среды и поток подаваемой пульпы после смешивания снова разделяются с помощью разделителя потока.
В таком варианте осуществления два разделенных потока могут выпускаться из гидроциклона вниз.
Нижний слив и верхний слив, следовательно, покидают гидроциклон в одном направлении.
Предпочтительно промывочная или разбавляющая вода вводится в области насадки нижнего слива, например, по трубке притока, расположенной по центру в насадке нижнего слива.
Гидроциклон в соответствии с изобретением описывается ниже с помощью четырех графических материалов, на которых:
фиг. 1 представляет собой схематическое изображение в продольном сечении показательного варианта осуществления гидроциклона в соответствии с изобретением, при этом разделитель потока согласно изобретению не показан;
фиг. 2 представляет собой изображение в поперечном сечении в области притока гидроциклона в соответствии с изобретением;
фиг. 3 и 4 представляют собой схематическое изображение в продольном сечении других показательных вариантов осуществления гидроциклона в соответствии с изобретением, при этом разделитель потока согласно изобретению не показан;
фиг. 5 представляет собой схематическое изображение в продольном сечении показательного варианта осуществления гидроциклона в соответствии с изобретением с разделителем потока;
фиг. 6 представляет собой изображение части гидроциклона с разделителем потока.
Одинаковые номера ссылок на отдельных графических материалах обозначают в каждом случае одинаковые компоненты.
Ниже в качестве примера рассматривается гидроциклон с цилиндрической областью притока и с конической областью разделения. Однако принцип в соответствии с изобретением также может применяться для центрифуг или циклонов, которые являются полностью цилиндрическими, как представлено на фиг. 6, или полностью коническими.
На фиг. 1 изображен гидроциклон 1 в соответствии с изобретением, но без разделителя потока. Он состоит из области 2 притока и области 3 разделения, примыкающей к ней. Здесь область 2 притока имеет цилиндрическую форму, а область 3 разделения - коническую форму.
Подаваемая пульпа 6 подается в гидроциклон 1 через тангенциальный приток 4. Подаваемая пульпа 6, например, может представлять собой гипсовую суспензию.
Область 3 разделения имеет насадку 8 нижнего слива для выгрузки крупнозернистых материалов или крупных частиц. Особо более легкая или более мелкозернистая фракция может выгружаться как верхний слив 12 через насадку 9 верхнего слива, которая выступает в осевом направлении в форме трубки с погруженным концом внутрь гидроциклона 1.
В дополнение к тангенциальному притоку 4 гидроциклон 1 также имеет дополнительный приток 5 (представлен на фиг. 2) для барьерного потока 7 текучей среды, который здесь также тангенциально подается в область 2 притока. Барьерная текучая среда 7 представляет собой, например, воду, спирт или масло. Поток 7 барьерной текучей среды и подаваемая пульпа 6 подаются отдельно в гидроциклон 1 и отделяются друг от друга пластиной 10. Пластина 10 представляет собой, например, цилиндрический тонкостенный компонент, изготовленный из металла. Чистый поток 7 барьерной текучей среды встречается с текущим потоком суспензии (подаваемой пульпой 6) на нижнем конце 13 пластины 10. Это происходит сразу же, когда потоки барьерной текучей среды 7 и подаваемой пульпы 6 приобретают стабильную форму.
После того как два объемных потока 6, 7 объединяются, начинается осадочное движение тяжелых фракций (крупнозернистых материалов) через барьерный слой 7. Это приводит к уменьшению содержания мелкозернистых материалов в нижнем сливе 11. Прохождение потока в конической области 3 разделения происходит как в обычных гидроциклонах.
Пластина 10 здесь имеет компенсационные отверстия 17, которые реализуют соединение между подаваемой пульпой 6 и потоком 7 барьерной текучей среды, это приводит к компенсации давления между барьерной текучей средой 7 и суспензией 6. Эти компенсационные отверстия также могут быть предусмотрены в области притока 5.
Стрелки потока указывают, что поток 7 барьерной текучей среды и подаваемая пульпа 6 взаимно смешиваются друг с другом настолько мало, насколько возможно. Поток 7 барьерной текучей среды, таким образом, образует относительно стенки конической области 3 разделения слой 7 барьерной текучей среды.
Необязательно промывочная или разбавляющая вода 15 может дополнительно вводиться в области 3 разделения или в области нижнего слива, и отнесенная к объему фракция мелкозернистых материалов в нижнем сливе 11 таким образом может уменьшаться еще больше.
Входное отверстие 14 насадки 9 верхнего слива заканчивается здесь в области ниже конца 13 пластины 10.
В зависимости от соответствующих объемных фракций в барьерном потоке 7 текучей среды и в подаваемой пульпе 6, разделение тяжелой фракции (крупнозернистых материалов) будет более или менее четко определенным.
Фиг. 2 представляет собой изображение в поперечном сечении гидроциклона 1 в соответствии с изобретением в области притока. Здесь ясно можно увидеть тангенциальный приток 4 для подаваемой пульпы 6 и тангенциальный приток 5 для барьерного слоя 7 текучей среды. Эти два притока 4, 5 выпускаются в область 2 притока, в сущности, параллельно в данном случае.
Фиг. 3 представляет собой изображение еще одного показательного варианта осуществления гидроциклона 1. Коническая область 3 разделения гидроциклона 1 имеет ступенчатое расширение, через которое применяется барьерная текучая среда 7. Подаваемая пульпа 6 и барьерная текучая среда 7 в этом случае отделяются друг от друга пластиной 10, которая здесь одновременно составляет часть корпуса 18 циклона. Пластина 10 здесь выполнена конической формы. Поток 7 барьерной текучей среды подается в гидроциклон 1 тангенциально.
Фиг. 4 представляет собой изображение гидроциклона 1, в котором дополнительная промывочная или разбавляющая вода 15 вводится через трубку 16 притока, выступающую в насадку 8 нижнего слива. Трубка 16 притока располагается по центру в насадке 8 нижнего слива.
Фиг. 5 представляет собой изображение еще одного показательного варианта осуществления гидроциклона 1 в соответствии с изобретением. В этом случае под пластиной 10 расположен разделитель 19 потока. Пластина 10 образована здесь стенкой 18 гидроциклона, но также может быть спроектирована как отдельный компонент. Поток 7 барьерной текучей среды снова отделяется от подаваемой пульпы 6 разделителем 19 потока, таким образом предотвращая течение крупнозернистого материала, который выпал в осадок в поток 7 барьерной текучей среды через промежуток 22 осаждения, обратно в подаваемую пульпу 6. Поток 7 барьерной текучей среды, обогащенный крупнозернистыми материалами, течет между разделителем 19 потока и внешней стенкой 20 вниз из гидроциклона 1 и, таким образом, образует нижний слив 11. Подаваемая пульпа 6, очищенная от крупнозернистых материалов, течет как верхний слив 12 вверх из гидроциклона 1.
Промежуток 22 осаждения предпочтительно имеет возможность регулирования, так что таким образом можно влиять на размер разделяемых частиц.
Фиг. 6 представляет собой изображение пластины 10, промежутка 22 осаждения и разделителя 19 потока еще одного показательного варианта осуществления гидроциклона 1 с разделителем 19 потока. Этот гидроциклон 1 работает по принципу прямотока. Подаваемая пульпа 6, очищенная от крупнозернистых материалов 21, то есть верхний слив 12′, в этом случае покидает гидроциклон 1 в направлении вниз, тем же путем, что и нижний слив 11, обогащенный крупнозернистыми материалами 21. Этот гидроциклон 1, работающий по принципу прямотока (верхний слив 12′ и нижний слив 11 выводятся в одном направлении), предпочтительно имеет цилиндрическую конструкцию, поскольку это дает связанные с потоком преимущества.
Варианты осуществления, представленные на графических материалах, являются лишь предпочтительной версией изобретения. Изобретение также охватывает другие варианты осуществления, в которых, например, предоставляется множество дополнительных притоков 5 для барьерного потока 7 текучей среды. В таких гидроциклонах барьерная текучая среда тогда вводится на множестве этапов.