ГИДРОЦИКЛОН-КЛАССИФИКАТОР

Полезная модель относится к технике для разделения материалов с помощью жидкостей под действием центробежных сил, в частности к гидроциклонам с автоматическим регулированием их работы, и может быть использовано на обогатительных фабриках, в металлургической, химической, биологической и других отраслях промышленности, а также при классификации нерудных или инертных строительных материалов.
Методы разделения в гидроциклонах частиц твердой фазы широкого диапазона крупности и удельного веса основаны, главным образом, на различии в движении частиц под действием центробежной силы, силы сопротивления движению и воздействия возможных случайных факторов, таких как стесненное движение частиц, особенно в нижней части гидроциклона, турбулизация потока, возникающая в различных зонах аппарата при изменении режима его работы.
Вращательное движение гидросмеси и ее перемещение от периферии к центру гидроциклона, а также в направлении вдоль его оси, возникает благодаря тому, что гидросмесь подается по касательной к его наружной стенке, а разгрузка происходит через два отверстия, расположенные в центре по вертикальной оси аппарата.
В процессе работы через разгрузочные отверстия в гидроциклон подсасывается значительное количество воздуха, который вместе с газом, выделившимся из жидкости, образует вдоль центральной вертикальной оси зону разряжения в виде воздушного осевого канала, радиус которого обычно составляет ≈0,606 радиуса сливного патрубка. Образование осевого воздушного канала значительно уменьшает проходные сечения выходных патрубков гидроциклона, что в свою очередь приводит к снижению производительности гидроциклона. Наличие осевого воздушного канала оказывает также существенное воздействие на турбулентность жидкости в центральной зоне гидроциклона, увеличивая градиент пульсаций в этой зоне, что снижает разделительную способность аппарата.
Известен напорный гидроциклон «Дорклон» фирмы «Дорра», состоящий из цилиндроконического корпуса с тангенциальным входным, а также сливным и песковым патрубками, в котором регулирование чистоты разделения осуществляется за счет регулированиия размера пескового отверстия, величина которого, в свою очередь, зависит от величины разряжения в осевом воздушном канале, образующемся вдоль продольной
оси аппарата, в процессе разделения, которое фиксируется посредством трубки, введенной во внутрь по его продольной оси со стороны сливного патрубка (Найденко В.В. «Применение математических методов и ЭВМ для оптимизации и управления процессами разделения суспензий в гидроциклонах», Горький, Волго-Вятское кн. Изд-во, 1976, стр.26, рис.3.2).
Недостатком данного гидроциклона является низкая надежность и качество регулирования процесса разделения вследствие большого и неравномерного износа песковой насадки, а также то, что изменение размеров пескового отверстия, т.е. вмешательство в гидродинамику потока вместе наибольшего скопления твердой фазы пульпы ведет к значительной турбулизации потока и снижению качества разделения, при этом изменять размеры пескового отверстия, не нарушая гидродинамику твердой фазы пульпы, возможно лишь в незначительных пределах, а этого не всегда достаточно при больших изменениях входных параметров гидросмеси, как, например, при классификации нерудных материалов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является гидроциклон, состоящий из цилиндроконического корпуса с тангенциальным входным, а также сливным и Песковым патрубками, у которого, с целью улучшения гидродинамического режима, за счет регулирования разряжения в осевом воздушном канале, по продольной оси установлены две вакуумные трубки, одна из которых расположена со стороны сливного, а другая со стороны пескового патрубков, причем они установлены с возможностью синхронного возвратно-поступательного движения (RU №2170622, МПК В04С 11/00, опубл. 2001)
Недостатком этого гидроциклона является низкая эффективность в работе, так как воздействие на процесс разделения осуществляется лишь за счет регулирования разряжения в осевой зоне аппарата, подводимого через трубки в определенном месте и в определенное время, однако, воздействие на внутреннюю структуру потока устройство оказать не в состоянии. При этом осевая зона разряжения служит не только дополнительным источником турбулизации потока жидкости, что снижает эффективность разделения гидросмеси, но и уменьшает проходные сечения сливного и пескового патрубков, значительно повышая неравномерность истечения из них жидкой фазы, и снижает производительность гидроциклона.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение эффективности разделения гидросмеси и увеличение производительности гидроциклона.
Указанная задача решается тем, что гидроциклон, включающий рабочую цилиндроконическую камеру с тангенциальным входным и сливным патрубками и Песковым отверстием, дополнительно содержит цилиндроконическую вихревую камеру с углом конусности 120°, содержащую расположенный в цилиндрической части тангенциальный входной патрубок, соединенный со средством подачи воды, разгрузочный патрубок в конической части, причем коническая часть рабочей камеры погружена в вихревую камеру на % ее цилиндрической части. При этом, площадь сечения цилиндрической части вихревой камеры преимущественно в 4,5 раза меньше сечения цилиндрической части рабочей камеры, а соотношение площади сечений пескового и входного патрубков вихревой камеры и площади сечения пескового отверстия рабочей камеры преимущественно равно 1:1,5:5,5.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства;
На фиг.2 схема движения потоков в рабочей камере без подключения к вихревой камере.
На фиг.3 - схема движения потоков в предлагаемом устройстве.
3
4
Гидроциклон - классификатор содержит: (см. фиг 1) рабочую цилиндроконическую камеру I, включающую питающий тангенциальный патрубок 1, установленный в цилиндрической части 2 и соединенный с транспортным пульпопроводом, песковое отверстие 4, расположенное в конической части 3, и сливной патрубок 5; цилиндроконическую вихревую камеру II с углом конусности 120°, в которую на глубину / ее цилиндрической части 6 погружении коническая часть 3 рабочей камеры; вихревая камера содержит тангенциальный питающий патрубок 8, расположенный в цилиндрической части 6 и соединенный через расходомер 9, регулирующий клапан 10 и отсечную арматуру 11 с магистральным водоводом 12, кроме того, патрубок 8 соединен с магистральным водоводом 12 через обводную линию 13 с отсечной арматурой 14; вихревая камера также содержит разгрузочный (песковой) патрубок 15, расположенный в конической части 7. Гидроциклон также снабжен прибором 16 для измерения давления подаваемой пульпы (гидросмеси), установленным на патрубке 1, линиями связи 17, 18 и 19 от расходомера 9, регулирующего клапана 10 и измерителя давления 16, соединенными с пультом управления 20. Площадь сечения цилиндрической части 6 вихревой камеры меньше площади сечения цилиндрической части 2 рабочей камеры в 4,5 раза, а соотношение площади сечений пескового патрубка 15, питающего патрубка 8 и пескового отверстия 4 составляет 1:1,5:5,5.
Гидроциклон работает следующим образом:
вх
o
1т
1к
1z
1z
Из магистрального водовода 12, по линии 13, через отсечную арматуру 14 и патрубок 8 в цилиндрическую часть вихревой камеры II, тангенциально подают поток чистой воды, которая через песковое отверстие 4 заполняет рабочую камеру I и сливается через сливной 5 и песковой 15 патрубки. После проверки на герметичность всех его узлов устройства и приборов контроля, по патрубку 1 в рабочую камеру подают с заданной скоростью U исходную гидросмесь с концентрацией S, соблюдая постоянство расхода и напора подачи гидросмеси, которая, попадая на стенку, расположенную под углом к первоначальному направлению струи, растекается тонким слоем по поверхности цилиндрической части 2, затем по конической части 3 (см. фиг.2) и по спирали с большой скоростью движется вниз к песковому отверстию 4. Таким образом, в рабочей камере образуется (см. фиг.2) внешний спиральный поток W, направленный вдоль стенок корпуса рабочей камеры от питающего патрубка 1 к песковому отверстию 4, который делится в районе первой трети высоты конической части 3 на нисходящий поток W, располагающийся по поверхности конической части 3 и содержащий отделенные крупные зерна, доставляемые, к песковому отверстию 4; и внутренний восходящий спиральный поток W, образующийся в поле центробежных сил вдоль оси гидроциклона I, несущий на выход из сливного патрубка 5 «граничные» зерна, группирующиеся в коаксиальном сечении с радиусом, равным радиусу сливного патрубка, а также более мелкие зерна твердой фазы гидросмеси. «Граничные» зерна, за счет миделевой площади каждой частицы выносятся в слив, в процессе, колебания скорости внутреннего восходящего потока W, и за счет коррекции скорости в процессе гидроклассификации исходного материала на фракции.
В процессе поступления гидросмеси на вход рабочей камеры гидроциклона, давление гидросмеси в питающем патрубке 1 фиксируется измерителем давления 16, от которого, преобразованное значение давления в виде стандартного выходного сигнала по линии связи 19 поступает на пульт 20, где ПИ-регулятор (на схеме не показан) подает командный сигнал на исполнительный механизм регулирующего клапана 10, с целью открытия его проходного сечения на столько, чтобы пропустить через патрубок 8 на вход вихревой камеры объем воды, соответствующий концентрации исходной гидросмеси (пульпы). Далее, закрывают отсечную арматуру 14, перекрывая, тем самым, проход воды через линию 13 и система установки, состоящая из элементов 9-20 переходит в режим автоматического управления.
2т
В вихревой камере, при подаче в нее воды, также формируются рабочие потоки (см. фиг.3). Объем воды, тангенциально поданный в цилиндрическую часть 6 вихревой камеры образует нисходящий спиральный поток W, двигающийся вдоль стенок корпуса
2к
2z
z
1
вихревой камеры от питающего патрубка 8 к патрубку 15, который в районе первой трети высоты конической части 7 делится на нисходящий поток W, двигающийся по поверхности конической части 7 на выход к патрубку 15, и на восходящий спиральный поток W, образующийся в поле центробежных сил вдоль оси вихревой камеры, который, двигаясь вверх проходит через песковое отверстие 4, размывает (разжижает) скопление песков, концентрирующихся над Песковым отверстием 4, соединяется с потоком W , заполняет в рабочей камере осевую зону в виде воздушного канала, вытесняя воздух, и, двигаясь к сливному патрубку 5, захватывает частицы (зерна), скорость витания которых меньше скорости движения восходящего потока, не только с осевой зоны канала, но и с его внутренней граничной поверхности. При этом заданные соотношения параметров рабочей и вихревой камеры позволяют создать в вихревой камере скоростной восходящий поток воды, позволяющий выводить через сливной патрубок рабочей камеры гидроциклона частицы твердой фазы исходной гидросмеси заданного размера.
При максимальном увеличении концентрации гидросмеси на входе в рабочую камеру гидроциклона - уменьшается давление гидросмеси в пульпопроводе, вследствие увеличения сопротивления твердой фазы гидросмеси. При этом, уменьшается и скорость питания на входном патрубке, и тангенциальная скорость внутри гидроциклона, и, следовательно, уменьшается скорость восходящего потока и его выталкивающая сила, т.е. из осевой зоны будут выноситься частицы меньше заданного размера. Поэтому, для поддержания необходимых скоростных потоков и получения в сливе гидроциклона частиц, заданной крупности, на основании показания давления исходной гидросмеси в патрубке 1 - ПИ-регулятор дает сигнал на максимальное открытие сечения магистрального водовода 12, что ведет к увеличению скорости осевого восходящего потока в рабочем корпусе гидроциклона до расчетного значения, вследствие чего, интенсифицируется перемещение увеличенной, за счет увеличения концентрации исходной гидросмеси, массы твердой фазы, которая разделяется по заданной границе крупности и беспрепятственно выносится в слив, так как сечение сливного, патрубка 5 увеличилось за счет исчезновения осевого воздушного канала, а проходимость пескового отверстия 4 увеличилась за счет ликвидации скопления крупной фазы гидросмеси восходящим потоком чистой воды из вихревой камеры.
При подаче на вход гидроциклона гидросмеси минимальной концентрации, увеличивается давление гидросмеси в пульпопроводе, вследствие чего, сопротивление твердой фазы гидросмеси уменьшается, при этом увеличивается скорость питания на входном патрубке 1 и тангенциальная скорость в рабочей камере, следовательно, увеличивается
скорость восходящего осевого потока в рабочей камере и его выталкивающая сила. Т.е. из осевого канала будут выноситься частицы больше заданной крупности, и, для поддержания необходимых скоростных потоков и получения в сливе гидроциклона частиц заданной крупности, на основании показания давления исходной гидросмеси в патрубке 1, ПИ-регулятор дает сигнал на минимальное открытие сечения магистрального водовода 12, что ведет к уменьшению до расчетного значения скорости восходящего осевого потока в рабочей камере гидроциклона.
1z
2z
Из выше описанного процесса разделения очевидно, что гидравлика образующихся потоков W и W приводит не только к исчезновению осевого воздушного канала в рабочей камере гидроциклона и к увеличению проходных сечений сливного патрубка 5 и пескового отверстия 4, но и способствует значительному понижению неравномерности истечения из них жидкой фазы, что приводит к снижению гидравлического сопротивления всего устройства.
Разделяющая способность гидроциклона в режиме работы без осевого воздушного канала, в предлагаемом устройстве увеличивается на 5-18%, в зависимости от исходных входных параметров устройства в целом.
Данные, подтверждающие эффективность работы заявленного устройства, были получены на опытной установке на примере переработки гидросмеси с концентрацией: 10%, 15%, 20% и 25%, в гидроциклоне без вихревой камеры (в режиме работы с осевым воздушным каналом) и с вихревой камерой (в режиме работы без осевого воздушного канала).
ц
пит.
сл.
песк.
ц
Пример 1. (сравнительный) Использован гидроциклон со следующими параметрами рабочей камеры I°: диаметр цилиндрической части D°=18 см.; диаметр питающего патрубка d°=4 см.; диаметр сливного патрубка d°=2,5 см; диаметр пескового отверстия d°=2,4 см; высота цилиндрической части Н°=13 см.; угол конусности конической части α=20°.
пит
2
Гидроциклон был установлен на стенде, подсоединен через патрубок d° и песковый насос типа ПБ 40/16 к выходному каналу смесителя, где готовилась, поочередно, песчаная гидросмесь с концентрацией твердой фазы: 10%, 15%, 20% и 25%. Подача гидросмеси осуществлялась в объеме 373,3 л/мин в режиме постоянного давления = 1,6 кГс/см. Общая длина транспортного трубопровода для подачи гидросмеси на опытную установку - 16,2 метра. Контроль давления осуществлялся образцовым манометром типа МО с классом точности 0,6, установленным перед входом в гидроциклон на питающем патрубке. Результаты представлены в таблице 1.
Пример 2. Гидроциклон по примеру 1 совместили с вихревой камерой.
1
1
1
1
1
ц
пит
сл.
песк.
ц
Параметры вихревой камеры: D =8,5 см.; d =1,2 см.; d =1,1 cм; d =1,0 см; Н =9,7 см, угол конусности конической части 120°. Соотношение площади сечений цилиндрических частей гидроциклона и вихревой камеры равно 1:4,5 Соотношение площади сечений пескового патрубка вихревой камеры, входного (питающего) патрубка вихревой камеры и пескового отверстия 4 гидроциклона равно 1:1, 5:5.
В вихревую камеру через расходомер и регулирующий клапан насосом подавалась чистая вода из емкости-хранилища, причем объем подаваемой воды изменялся в зависимости от концентрации исходной гидросмеси. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 1.
№ опыта
Режим работы
Концентрация гидросмеси(%)
Объем подачи гидросмеси в гидроциклон, твердая фаза. (л/мин)
Давление на входе в гидроциклон (кГ/см<sup>2</sup>)
Производительность гидр-на по сливу твердая фаза, (л/мин)
Эффективность осветления слива (%)
1.
С воздушным осевым каналом
10
40,99
1,130
18,2
44,4
2.
15
61,7
1,115
27,91
45,4
3.
20
81,96
1,100
44,10
53,8
4.
25
102,46
1,084
64,63
63,1
Таблица 2.
№ опыта
Режим работы
Концентрация гидросмеси(%)
Объем подачи гидросмеси в гидроциклон, твердая  фаза (л/мин)
Давление на входе в гидроциклон (кГ/см<sup>2</sup>)
Объем подачи водыв вихревуюккамеру I<sup>1 </sup>(л/мин)
Производительность гидр-на посливу, твердая фаза (л/мин)
Эффективость осветления слива (%)
1.
Безвоздушного осевого канала
10
40,99
1,130
10,0
18,98
46,3
2.
15
61,47
1,115
10,92
31,71
51,6
3.
20
81,96
1,100
11,85
48,11
58,7
4.
25
102,46
1,084
12,6
69,05
67,4
Предлагаемая конструкция гидроциклона-классификатора позволяет повысить эффективность разделения гидросмеси на 5-18%, в зависимости от исходных параметров гидросмеси, а также повысить производительность гидроциклона по сливу твердой фазы.