Гидроциклонная установка

Заявляемая полезная модель предназначена для процессов разделения под действием центробежных сил гетерогенных систем. Применяется для классификации в водной среде тонкоизмельченных материалов по крупности, для сгущения продуктов обогащения и может быть использована в цветной, цементной и других отраслях промышленности.
Известен стандартный гидроциклон, содержащий верхнюю цилиндрическую и нижнюю коническую часть, тангенциальный входной, сливной и песковый патрубки
(М.М. Башаров, О.А. Сергеева Устройство и расчет гидроциклонов: учебное пособие. Под ред. А.Г. Лаптева. - Казань: Вестфалика, 2012-92 с.)
Недостаток известного гидроциклона заключается в том, что разделение в нем гетерогенных систем, в которых содержание твердого компонента превышает 50%, существенно снижается и, в конечном счете, становится невозможным вследствие резкого увеличения вязкости пульпы. Снижение вязкости пульпы увеличением ее влажности в ряде случаев недопустимо по технологии производства.
При бурении скважин нашли промышленное применение аэрированные буровые растворы. Согласно материалам публикаций введение пузырьков воздуха в буровой раствор и их рассредоточение в нем вызывает в многофазной системе псевдоожижение твердой фазы. При этом твердая фаза бурового раствора и насыщающая ее выбуренная порода равномерно распределяются по объему, рассредоточиваясь между воздушными пузырьками. Такое разделение в дисперсии ее отдельных частиц и агрегатов воздушными пузырьками способствует снижению внутреннего трения в системе, снижая вязкость, повышая ее текучесть в динамических условиях и снижая гидравлическое сопротивление в трубах. (Псевдоожижение. Под редакцией проф. Н.М. Гальперина, М., Химия, 1974 г. ).
Наиболее близкой по технической сущности является гидроциклонная установка, для приготовления известняково-нефелиновой шихты по патенту №170230, в которой напорные трубопроводы подачи пульпы в циклоны снабжены инжекторами, соединенными с источником сжатого воздуха.
Однако опытные испытания показывают, что такая аэрация потока пульпы, содержащей более 50% твердого, не дает того эффекта, который требуется для классификации пульпы в гидроциклоне.
Под влиянием градиента гидростатического давления в жидкой среде пузырьки воздуха преимущественно концентрируются в верхней части сечения горизонтальных участков трубопровода. При этом происходит их слияние в более крупные, схлопывание и периодическое образование воздушной пробки, которая перекрывает сечение трубы, наступает чисто пробковый режим движения воздушно-жидкостной смеси, приводящий к скачкам давления, оказывающих негативное влияние на процесс классификации пульпы в гидроциклоне.
Образование воздушных пробок также не способствует равномерному рассредоточению мелких пузырьков воздуха в объеме пульпы.
Наличие пробок резко сокращает поверхность взаимодействия фаз и уменьшает возможности растворения воздуха на молекулярном уровне в жидкой фазе.
В результате образования воздушных пробок, неэффективного рассредоточения мелких воздушных пузырьков воздуха в объеме пульпы и сокращения количества растворенного в жидкой фазе воздуха, не достигается тот эффект псевдоожижения и снижения вязкости пульпы, который требуется для полноценной классификации ее в гидроциклоне.
Основной задачей полезной модели является - снижение вязкости пульпы с большим содержанием твердых частиц (более 50%) и обеспечение полноценной классификации ее в гидроциклоне.
Технический результат достигается тем, что в гидроциклонной установке, включающая гидроциклон с входным патрубком, трубопровод подачи сжатого воздуха, напорный трубопровод подачи исходной пульпы и смеситель, отличающаяся тем, что смеситель, выполнен в виде цилиндрических трубопроводов с переменным поперечным сечением, при этом трубопровод исходной пульпы тангенциально присоединен к боковой поверхности трубопровода с большим поперечным сечением, в одно из оснований которого введен трубопровод подачи сжатого воздуха, в другое его основание установлен трубопровод с меньшим поперечным сечением, соединенный с входным патрубком гидроциклона.
На фиг. показана схема заявляемой гидроциклонной установки. Установка имеет гидроциклон 1 с входным патрубком 2, трубопровод с большим поперечным сечением 3 и с меньшим поперечным сечением 4, трубопровод для подачи сжатого воздуха 5, трубопровод подачи исходной пульпы 6, при этом трубопровод исходной пульпы 6 тангенциально установлен в боковой поверхности трубопровода с большим поперечным сечением 3,
Установка работает следующим образом:
Смесь тонкоизмельченного материала с водой в виде пульпы с содержанием твердого более 50% по трубопроводу 6 нагнетают под давлением тангенциально в трубопровод 3. В центральную часть основания трубопровода 3 по трубопроводу 5 одновременно подают сжатый воздух. В результате тангенциального ввода пульпы воздушно-жидкостный поток в трубопроводе 3 наряду с поступательным приобретает вращательное движение.
Внутренняя область потока занимает меньшую часть сечения трубы и представляет собой цилиндрический вихревой канал 7 повышенной турбулентности. Воздушные пузыри из трубопровода 5 вместе с растворенными в пульпе газами увлекаются движущейся пульпой, происходит интенсивное дробление, дополнительное растворение воздуха в жидкой фазе пульпы, сравнительно равномерное рассредоточение пузырьков воздуха и преимущественное образование механической смеси воздуха с пульпой. Поэтому смесь приобретает пониженную вязкость.
Радиальная миграция пузырьков воздуха под действием градиента уменьшения давления в направлении центра вихревого канала 7 предотвращает образование пробок воздуха в верхней части сечения трубы. Это исключает образование пробкового режима течения пульпы и оказывает позитивное влияние на процесс последующей классификации ее в гидроциклоне.
В этой области наилучшим образом реализуются также основные условия дополнительного высокоэффективного растворения воздуха в жидкости - воздух вводится непосредственно в структуру аэрируемой области, молекулы фаз суспензии наиболее близко расположены друг к другу, и организован поток смеси с повышенной турбулентностью.
При входе в трубопровод 4 происходит сжатие струи, затем струя опять расширяется и при этом интенсивно перемешивается с пульпой в трубопроводе 4, окружающей струю. Из закона Бернулли следует, что при уменьшении поперечного сечения потока, из-за возрастания скорости, т.е. динамического давления, статическое давление падает. Когда в самом узком поперечном сечении трубопровода 3 вследствие больших местных скоростей давление снижается настолько, что становится меньше давления насыщения, т.е. давления, при котором начинается «кипение» жидкости, возникает кавитация, происходит бурное испарение жидкой фазы. При этом в начальной стадии паровыделения паровая фаза находится в виде мелких пузырьков, распределенных по объему движущейся жидкости, происходит увеличение объема потока преимущественно путем образования механической смеси воздуха с другими фазами пульпы, что приводит к уменьшению вязкости пульпы. А растворение воздуха в жидкой фазе пульпы на уменьшение ее вязкости оказывает незначительное влияние и имеет вспомогательный характер.
Так как узкий трубопровод 4 соединен с входным патрубком 2, то в гидроциклон 1 поступает преимущественно воздушно-жидкостная смесь пульпы вихревого канала с повышенной концентрацией механически смешанных с ней воздушных пузырьков и максимального количества растворенных в жидкой фазе молекул воздуха. Такая смесь обладает значительно меньшей плотностью и вязкостью, лучшей подвижностью и способностью к расслоению в сравнении с исходной пульпой.
Таким образом, технический результат в предлагаемой полезной модели заключается в предотвращении образования пробкового режима течения пульпы, снижении вязкости пульпы с большим содержанием твердых частиц (более 50%) не только за счет максимального количества растворенных в ее жидкой фазе молекул воздуха, но и преимущественно созданием повышенной концентрации механически смешанных с ней воздушных пузырьков.
Достигается это тем, что гидроциклонная установка, включающая гидроциклон с входным патрубком, трубопровод подачи сжатого воздуха, напорный трубопровод подачи исходной пульпы и смеситель, который выполнен в виде последовательно соединенных трубопроводов с разными поперечными сечениями, при этом трубопровод исходной пульпы тангенциально присоединен к трубопроводу с большим поперечным сечением смесителя, который в свою очередь соединен с трубопроводом подачи сжатого воздуха с одной стороны, а с другой стороны соединен с трубопроводом меньшего поперечного сечения, соединенным с входным патрубком гидроциклона.
Такое конструктивное исполнение установки обеспечивает формирование вращающегося потока исходной пульпы и структурирование его так, что внутренняя его область занимает меньшую часть сечения трубы и представляет собой цилиндрический вихревой канал повышенной турбулентности с воздушными пузырями воздуха, тесно соприкасающимися со струями пульпы. Воздушные пузыри вместе с растворенными в пульпе газами увлекаются движущейся пульпой, тесно контактируют с ней, происходит интенсивное дробление, дополнительное растворение воздуха в жидкой фазе пульпы, сравнительно равномерное рассредоточение пузырьков воздуха и преимущественное образование механической смеси воздуха с пульпой. Радиальная миграция пузырьков воздуха под влиянием уменьшения давления в направлении центра вихревого канала предотвращает образование пробок воздуха в верхней части сечения трубы.
Таким образом, максимальное насыщение пульпы воздухом и уменьшение ее вязкости достигается благодаря использованию кинетической энергии ее потока, рациональному сочетанию процессов подачи воздуха и пульпы, интенсивному дополнительному растворению воздуха под избыточным давлением в жидкой фазе, но главным образом преимущественному интенсивному образованию механической смеси воздуха с пульпой.. В результате такая смесь обладает значительно меньшей плотностью и вязкостью, лучшей подвижностью и способностью к расслоению в гидроциклоне в сравнении с исходной пульпой.