ГИДРОЦИКЛОН-ФЛОТАТОР
HYDRAULIC CYCLONE-FLOTATOR

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.
Известно устройство для разделения суспензий (А.с. 1316123 СССР, МПК B01D 45/12. Опубл. 15.11.90, БИ №42), содержащее узел формирования потока суспензии, выполненный в виде распределительного конуса, имеющего возможность вращения и имеющего на наружной поверхности однозаходную спиральную ленту и многолопаточный завихритель, устанавливаемый на уровне патрубка подачи газового потока.
Недостатком описанного устройства для разделения суспензий является высокое гидравлическое сопротивление, связанное с наличием в аппарате распределительного конуса, имеющего на наружной поверхности спиральную ленту, и многолопаточного завихрителя, что обуславливает дополнительные потери энергии.
Известен гидроциклон (А.с. 1150041 СССР, МПК В04С 5/08. Опубл. 15.04.85, БИ №14), содержащий цилиндрический корпус с тангенциальным питающим патрубком и крышкой, разгрузочное устройство, выполненное в виде концентрично установленных перегородок, образующих каналы для прохода продуктов классификации, на выходе из которых установлены регулирующие устройства, в котором питающий патрубок выполнен равным по ширине радиусу корпуса и снабжен вертикальными направляющими перегородками, повторяющими форму патрубка и корпуса и заканчивающимися в первой четверти окружности корпуса. При этом питающий патрубок оснащен спиралевидной крышкой, плавно переходящей в крышку корпуса.
Оснащение питающего патрубка спиралевидной крышкой позволяет исключить в аппарате нежелательные зоны турбулентного перемешивания суспензии, а также снизить гидравлическое сопротивление гидроциклона, однако в данном гидроциклоне особенности конструкции входного патрубка приводят к снижению скорости ввода разделяемой суспензии в гидроциклон и фактора разделения, что приводит к невысоким значениям разделительной способности.
Известен гидроциклон (А.с. 1121048 СССР, МПК В04С 5/181, опубл. 30.07.84, БИ №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 для отделения газа от жидкости (А.с. 1526836 СССР, 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. 1607960 СССР, 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 флотокомплексов к поверхности суспензии и снижает разделительную способность гидроциклона. Кроме того, для проведения процесса электролиза воды требуются дополнительные энергозатраты.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является гидроциклонный сепаратор с подачей воздуха (Патент 4997549 США, МПК B03D 1/24; МПК B03D 1/14. Опубл. 5.03.91), в котором разделяемая суспензия вводится в гидроциклон через тангенциальный патрубок и движется по спиральной траектории по внутренней поверхности проницаемой боковой стенки корпуса, снабженного крышкой. Воздух из коллектора подается в гидроциклон через проницаемую боковую стенку корпуса. Образовавшаяся пена, содержащая частицы твердой фазы, очищается в пенопромывателе от гидрофильных частиц и удаляется через верхний отводящий патрубок гидроциклонного сепаратора. Осветленная жидкость отводится из гидроциклонного сепаратора через нижний отводящий патрубок.
Недостатком такой конструкции гидроциклонного сепаратора является высокое затухание окружной составляющей скорости суспензии в осевом направлении, в результате чего уменьшаются радиальные составляющие скорости частиц твердой фазы, пузырьков газа и комплексов частица - пузырек в нижней зоне корпуса гидроциклона и снижается значение кинетического коэффициента флотации в этой зоне и количество образовавшихся флотокомплексов, а также уменьшается количество флотокомплексов, достигших поверхности пленки и вышедших в пену, что приводит к снижению разделительной способности гидроциклонного сепаратора.
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 увеличения толщины пленки суспензии и времени пребывания разделяемой суспензии в гидроциклоне, а также за счет снижения интенсивности затухания окружной составляющей скорости потока в направлении оси гидроциклона, увеличения наполненности профиля радиального распределения окружной составляющей скорости и повышения кинетического коэффициента флотации.
Указанный технический результат достигается тем, что гидроциклон-флотатор, содержащий цилиндрический корпус с крышкой, патрубки для подачи исходного продукта, для отвода пены и осветленной жидкости, имеет внутреннюю поверхность стенки корпуса, выполненную в виде винтовой поверхности синусоидального профиля, направление нарезки которой совпадает с направлением вращения потока разделяемой суспензии, расстояние между выступами которой возрастает, а амплитуда уменьшается в осевом направлении по мере удаления от патрубка для подачи исходного продукта, причем в стенке корпуса установлен теплоэлектронагреватель, витки обмотки которого расположены на оси симметрии каждого выступа винтовой поверхности корпуса.
Предложено выполнить в гидроциклоне внутреннюю поверхность стенки корпуса в виде винтовой поверхности синусоидального профиля, направление нарезки которой совпадает с направлением вращения потока разделяемой суспензии, расстояние между выступами которой возрастает, а амплитуда уменьшается в осевом направлении по мере удаления от патрубка для подачи исходного продукта.
Выполнение внутренней поверхности стенки корпуса гидроциклона в виде винтовой поверхности синусоидального профиля, направление нарезки которой совпадает с направлением вращения потока разделяемой суспензии, с установленным в стенке теплоэлектронагревателем позволяет увеличить толщину пленки и время пребывания разделяемой суспензии в гидроциклоне, поверхность теплообмена разделяемой суспензии со стенкой корпуса гидроциклона, вследствие чего температура нагрева пленки суспензии возрастает и становится вблизи стенки корпуса гидроциклона выше критической температуры пленочного кипения перенасыщенной газом дисперсионной среды. В результате этого количество выделившихся из перенасыщенного растворенным газом раствора пузырьков газа вблизи стенки корпуса увеличивается, что приводит к образованию и удержанию на винтовой поверхности стенки корпуса гидроциклона вследствие развитой поверхности контакта пристеночного газового слоя с малой вязкостью, в результате чего радиальный профиль окружной составляющей скорости разделяемой суспензии становится более наполненным и снижается затухание окружной составляющей скорости в осевом направлении, увеличиваются радиальные составляющие скоростей движения частиц твердой фазы, пузырьков газа и флотокомплексов в нижней зоне корпуса гидроциклона, повышается кинетический коэффициент флотации и увеличивается число образовавшихся флотокомплексов и флотокомплексов, достигших поверхности пленки и вышедших в пену, и повышается разделительная способность гидроциклона-флотатора. Совпадение направления нарезки внутренней винтовой поверхности стенки корпуса гидроциклона с направлением вращения потока разделяемой суспензии обеспечивает движение потока разделяемой суспензии по спиральной траектории винтовой поверхности стенки, в результате чего происходит увеличение толщины пленки и времени пребывания разделяемой суспензии в гидроциклоне при выделении значительного количества газовых пузырьков из перенасыщенного растворенным газом раствора вблизи стенки корпуса, что приводит к возрастанию пути, проходимого пузырьками газа и частицами твердой фазы в жидкости, и количества столкновений частиц твердой фазы с пузырьками газа и увеличению количества образовавшихся флотокомплексов, что также ведет к повышению разделительной способности гидроциклона-флотатора.
Возрастание расстояния между выступами внутренней винтовой поверхности стенки корпуса синусоидального профиля и уменьшение ее амплитуды в осевом направлении по мере удаления от патрубка для подачи исходного продукта позволяет в наибольшей степени увеличить время пребывания разделяемой суспензии и ее температуру нагрева за счет интенсификации теплообмена на более развитой поверхности теплообмена стенки в зоне наиболее интенсивного выделения пузырьков газа и образования флотокомплексов вблизи от патрубка для подачи исходного продукта, что приводит к повышению разделительной способности гидроциклона-флотатора.
Предложено расположить витки обмотки теплоэлектронагревателя на оси симметрии каждого выступа винтовой поверхности корпуса.
Расположение витков обмотки теплоэлектронагревателя на оси симметрии каждого выступа винтовой поверхности корпуса синусоидального профиля позволяет увеличить температуру нагрева разделяемой суспензии в зоне наиболее интенсивного выделения пузырьков газа и образования флотокомплексов вблизи от патрубка для подачи исходного продукта и приводит к повышению разделительной способности гидроциклона-флотатора.
На фиг.1 изображен гидроциклон-флотатор предлагаемой конструкции, общий вид; на фиг.2 - разрез по А-А.
Гидроциклон-флотатор содержит цилиндрический корпус 1 с крышкой 2, установленный тангенциально патрубок для подачи исходного продукта 3, патрубки для отвода пены, насыщенной частицами отделяемого продукта, 4 и осветленного продукта 5. Внутренняя поверхность корпуса гидроциклона-флотатора выполнена в виде винтовой поверхности 6 синусоидального профиля, направление нарезки которой совпадает с направлением вращения потока разделяемой суспензии, расстояние h между выступами которой возрастает, а амплитуда а уменьшается в осевом направлении по мере удаления от патрубка для подачи исходного продукта 3. В стенке корпуса установлен теплоэлектронагреватель, витки 7 обмотки которого расположены на оси симметрии каждого выступа винтовой поверхности 6 корпуса.
Гидроциклон-флотатор работает следующим образом. Разделяемая суспензия, содержащая растворенный газ, подается в корпус 1 через патрубок 3 и движется в режиме пленочного течения по спиральной траектории по внутренней поверхности стенки корпуса, выполненной в виде винтовой поверхности 6 синусоидального профиля, направление нарезки которой совпадает с направлением вращения потока разделяемой суспензии, расстояние h между выступами которой увеличивается, а амплитуда а уменьшается в осевом направлении, что позволяет увеличить толщину пленки и время пребывания разделяемой суспензии в гидроциклоне, особенно в зоне наиболее интенсивного выделения пузырьков газа и образования флотокомплексов вблизи входного патрубка.
При падении давления в корпусе 1 гидроциклона до атмосферного перенасыщенная газом дисперсионная среда разделяемой суспензии вскипает и из нее начинают выделяться пузырьки газа, часть из которых выделяется непосредственно на частицах твердой фазы, служащих центрами образования газовых пузырьков, образуя флотокомплексы. Флотокомплексы образуются также в процессе столкновений движущихся к поверхности пленки пузырьков газа с частицами твердой фазы, движущимися к стенке корпуса гидроциклона. Образовавшиеся флотокомплексы движутся к поверхности пленки и выносят частицы твердой фазы в пену. Пена, содержащая частицы твердой фазы, удаляется через верхний отводящий патрубок 4, а осветленная жидкость через нижний отводящий патрубок 5.
При течении пленки разделяемой суспензии по внутренней винтовой поверхности 6 стенки корпуса 1, в которой установлен теплоэлектронагреватель, витки 7 обмотки которого расположены на оси симметрии каждого выступа винтовой поверхности, температура пленки суспензии возрастает и увеличивается количество выделившихся из нее пузырьков газа, особенно в верхней зоне рабочего пространства, где наиболее интенсивно выделяются пузырьки газа и образуются флотокомплексы, за счет меньшего расстояния между витками обмотки теплоэлектронагревателя и интенсификации теплообмена на более развитой поверхности теплообмена стенки. Вблизи стенки корпуса гидроциклона температура становится выше критической температуры пленочного кипения перенасыщенной газом дисперсионной среды, при этом происходит увеличение количества выделившихся из перенасыщенного растворенным газом раствора пузырьков газа вблизи стенки корпуса и образование пристеночного газового слоя с малой вязкостью на стенке корпуса, имеющей форму винтовой поверхности, что способствует удержанию газового слоя на стенке вследствие развитой поверхности контакта. Образование газового слоя с малой вязкостью на внутренней поверхности стенки корпуса гидроциклона делает радиальный профиль окружной составляющей скорости суспензии более наполненным и снижает затухание окружной составляющей скорости в осевом направлении, что способствует увеличению радиальных составляющих скоростей движения частиц твердой фазы, пузырьков газа и флотокомплексов в нижней зоне корпуса гидроциклона, возрастанию кинетического коэффициента флотации и увеличению числа образовавшихся флотокомплексов и флотокомплексов, достигших поверхности пленки и вышедших в пену, и приводит к повышению разделительной способности гидроциклона-флотатора.
Совпадение направления нарезки внутренней винтовой поверхности стенки корпуса гидроциклона с направлением вращения потока разделяемой суспензии обеспечивает движение потока разделяемой суспензии по спиральной траектории винтовой поверхности стенки, в результате чего происходит увеличение толщины пленки и времени пребывания разделяемой суспензии в гидроциклоне при выделении значительного количества газовых пузырьков из перенасыщенного растворенным газом раствора вблизи стенки корпуса, что приводит к возрастанию пути, проходимого пузырьками газа и частицами твердой фазы в жидкости, и к увеличению количества столкновений частиц твердой фазы с пузырьками газа и количества образовавшихся флотокомплексов, что обеспечивает повышение разделительной способности гидроциклона-флотатора.
Таким образом, предлагаемая конструкция гидроциклона-флотатора позволяет снизить затухание окружной составляющей скорости разделяемой суспензии в направлении оси гидроциклона и увеличить наполненность профиля радиального распределения окружной составляющей скорости за счет создания пристеночного газового слоя с малой вязкостью, повысить кинетический коэффициент флотации и скорость транспортировки флотокомплексов к поверхности пленки суспензии, а также увеличить количество образовавшихся флотокомплексов за счет увеличения толщины пленки и времени пребывания разделяемой суспензии в гидроциклоне, в результате чего повышается разделительная способность.