ГИДРОЦИКЛОН
HYDRAULIC CYCLONE

Изобретение относится к области разделения неоднородных жидких систем под действием центробежных сил, в частности к гидроциклонам для разделения суспензий, и может быть использовано в химической, нефтехимической, микробиологической, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности.
Известен гидроциклон с экраном, гасящим турбулентность (Патент США 5133861, МКП В04С 3/00. Опубл. 28.07.92), содержащий цилиндрическую камеру и конический участок. В цилиндрической камере закрученный поток обтекает цилиндрический экран, который гасит турбулентные пульсации и уменьшает перемешивание в потоке, благодаря чему повышается разделительная способность.
Однако разделительная способность такого гидроциклона невысока, так как наиболее существенное влияние на показатели процесса разделения в гидроциклоне оказывает перемешивание в нижней зоне конической части корпуса гидроциклона вблизи сливного отверстия.
Известен гидроциклон с регулируемой диафрагмой (Патент США 5560818, МПК В03D 1/24; В04С 5/16; В04С 5/181, опубл 01.10.96), имеющий цилиндрический корпус, в нижней части которого имеется конусообразная пробка, перекрывающая 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.
Изменение размеров отверстия для выхода обработанной суспензии не обеспечивает уменьшения затухания окружной составляющей скорости в нижней части рабочего пространства гидроциклона и поэтому не обеспечивает высокой разделительной способности гидроциклона.
Известен гидроциклон (Патент США 4838434, МПК В03D 1/02; В04С 5/103; В04С 5/16, опубл. 13.06.1989, снабженный вытеснителем, расположенным внутри рабочего пространства, высотой не менее половины высоты рабочего пространства, имеющим коническую или цилиндроконическую форму, коническая часть которого расширяется по направлению к низу рабочего пространства, служащим для стабилизации потока в гидроциклоне и уменьшения перемешивания.
Применение вытеснителя, имеющего высоту не менее половины высоты рабочего пространства гидроциклона, приводит к усилению затухания окружной составляющей скорости суспензии в осевом направлении вследствие торможения вращения слоев суспензии при контакте с поверхностью вытеснителя, поэтому разделительная способность гидроциклона данной конструкции невысока.
Известен гидроциклон (Патент США №2273271, кл. 209-211, 1942), включающий цилиндроконический корпус с тангенциальным входным патрубком, патрубками для отвода осветленной и сгущенной фракций, в котором над патрубком сгущенной суспензии неподвижно установлен конический вытеснитель.
Недостатками данной конструкции гидроциклона являются низкая разделительная способность вследствие возникновения завихрений в нижней зоне конической части корпуса, связанных с неподвижной установкой конического вытеснителя, и обусловленная этим невозможность регулировки проходного сечения патрубка для отвода сгущенного продукта.
Известен гидроциклон (А.с. СССР 1121048, МПК В04С 5/181, опубл. 30.07.84, Б.И. №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.
Наиболее близким к предлагаемой конструкции гидроциклона по технической сущности и достигаемому техническому результату является гидроциклон (А.с. СССР 566633, МПК В04С 5/181, опубл. 30.07.77, Б.И. №28), включающий цилиндроконический корпус с тангенциальным входным патрубком и патрубками для отвода осветленной и сгущенной фракций суспензии, снабженный с целью повышения разделительной способности при неизменной общей производительности штоком, на котором жестко укреплены регулирующие клапаны, каждый из которых выполнен в форме двух усеченных конусов, обращенных друг к другу большими основаниями.
Существенным недостатком данной конструкции является перераспределение расходов между сгущенным и осветленным потоками суспензии при регулировании положения штока и возникающее при этом нарушение гидродинамики закрученного потока конструкцией сходящихся и расходящихся конусов. Течение в нижней зоне конической части корпуса гидроциклона характеризуется значительным турбулентным перемешиванием, затуханием окружной составляющей скорости потока в осевом направлении и утолщением пленки суспензии, что неизбежно приводит к снижению разделительной способности аппарата.
Задачей изобретения является создание конструкции гидроциклона для разделения суспензий, обеспечивающей высокую разделительную способность.
Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является повышение разделительной способности гидроциклона за счет уменьшения толщины пленки суспензии в нижней зоне конической части корпуса, что приводит к снижению интенсивности турбулентного перемешивания суспензии в данной зоне, а также возрастания окружной составляющей скорости суспензии и увеличения наполненности ее радиального распределения и обеспечения возможности регулирования толщины пленки суспензии в нижней зоне конической части корпуса гидроциклона.
Указанный технический результат достигается тем, что гидроциклон, содержащий цилиндроконический корпус, патрубок подачи исходной суспензии и патрубки для отвода осветленной и сгущенной фракций суспензии, снабжен устройством для отвода сгущенной фракции суспензии, выполненным в виде двух установленных коаксиально корпусу гидроциклона горизонтальных дисков, нижний из которых закреплен на валу и имеет возможность вращения и вертикального перемещения, а верхний имеет форму кольца, внутренний диаметр которого равен диаметру патрубка для отвода сгущенной фракции суспензии и жестко соединен с корпусом гидроциклона, образующих радиальный канал и включающим емкость, жестко соединенную с верхним диском и образующую с ним цилиндрическую камеру с патрубками для отвода сгущенной фракции суспензии.
Выполнение устройства для отвода сгущенной фракции суспензии из гидроциклона в виде двух установленных коаксиально корпусу горизонтальных дисков, нижний из которых имеет возможность вращения и вертикального перемещения, а верхний имеет форму кольца, внутренний диаметр которого равен диаметру патрубка для отвода сгущенной фракции суспензии и жестко соединен с корпусом гидроциклона, позволит повысить разделительную способность гидроциклона за счет уменьшения толщины пленки суспензии в нижней зоне конической части корпуса и снижения в результате этого турбулентных пульсаций и интенсивности турбулентного перемешивания суспензии в данной зоне, возрастания окружной составляющей скорости суспензии и увеличения наполненности ее радиального распределения.
Возможность вращения нижнего диска с изменяющейся угловой скоростью и его одновременного вертикального перемещения при неподвижности верхнего диска обеспечивает возможность регулирования толщины пленки суспензии в нижней зоне конической части корпуса гидроциклона и создает распределение радиальной составляющей скорости в канале между дисками, обеспечивающее устойчивый гидродинамический режим работы гидроциклона, что сопровождается повышением его разделительной способности.
Возможность вращения нижнего диска с изменяющейся угловой скоростью и его одновременного вертикального перемещения обеспечивает распределение потоков осветленной и сгущенной фракций суспензии между верхним и нижним патрубками в соответствии со степенью сгущения фракции суспензии, отводимой через нижний патрубок, что повышает разделительную способность аппарата.
На чертеже изображен гидроциклон предлагаемой конструкции, общий вид.
Гидроциклон содержит цилиндроконический корпус 1 с крышкой 2 и патрубками для подачи суспензии 3, отвода осветленной фракции суспензии 4 и сгущенной фракции 5 и снабжен устройством для отвода сгущенной фракции суспензии, выполненным в виде двух установленных коаксиально корпусу гидроциклона дисков 6 и 7, образующих радиальный канал 8 и емкости 9 для сгущенной фракции суспензии, жестко соединенной с верхним диском 6 и образующей с ним цилиндрическую камеру 10 с патрубками 11 для отвода сгущенной фракции суспензии. Нижний диск 7, закрепленный на валу 12, имеет возможность вращения и вертикального перемещения, а верхний диск 6 неподвижен и жестко соединен с корпусом гидроциклона 1 и имеет форму кольца, внутренний диаметр которого равен диаметру нижнего патрубка 5 для отвода сгущенной фракции суспензии.
Гидроциклон предназначен для проведения процесса разделения суспензий в поле центробежных сил и работает следующим образом. Исходный поток суспензии подается в корпус 1 гидроциклона через патрубок 3, установленный тангенциально в верхней части корпуса. Поступившая в корпус 1 гидроциклона суспензия стекает, образуя вращающуюся пленку, по его стенкам вниз. Частицы твердой фазы под действием центробежной силы инерции движутся к стенке корпуса гидроциклона.
Осветленная фракция суспензии вовлекается во вращательное возвратное течение в средней части корпуса 1 гидроциклона и удаляется из рабочего пространства аппарата через верхний отводящий патрубок 4. Сгущенная фракция суспензии удаляется из гидроциклона через нижний патрубок 5 и попадает в радиальный канал 8, образованный верхним диском 6, имеющим форму кольца, внутренний диаметр которого равен диаметру нижнего патрубка 5 для отвода сгущенной фракции суспензии, и жестко соединенным с корпусом 1 гидроциклона и нижним диском 7, закрепленным на валу 12, имеющим возможность вращения и вертикального перемещения. Пройдя радиальный канал 8, сгущенная фракция суспензии попадает в цилиндрическую камеру 10, образованную емкостью 9 и жестко соединенным с ней верхним диском 6, из которой отводится через патрубки 11.
Вращение нижнего диска 7 приводит к вовлечению во вращательное движение прилежащих к диску слоев суспензии и к увеличению окружной составляющей скорости суспензии в радиальном канале 8 между дисками 6 и 7 пропорционально расстоянию от верхнего неподвижного диска 6, а также в нижней зоне конической части корпуса гидроциклона 1 как в области ниже точки смыкания потока, так и в области пленочного течения. Возрастание окружной составляющей скорости суспензии в радиальном канале 8 приводит к возрастанию центробежной силы, действующей на поток, увеличению радиальной составляющей скорости в канале и расхода сгущенной фракции суспензии, отводимой из гидроциклона через нижний патрубок 5. Максимум радиальной составляющей скорости суспензии в канале 8 расположен в нижней части канала, что позволяет уменьшить толщину пленки суспензии в нижней зоне конической части корпуса гидроциклона 1, уменьшить турбулентные пульсации и турбулентное перемешивание в данной зоне при сохранении устойчивого гидродинамического режима. Увеличение окружной составляющей скорости в нижней зоне конической части корпуса гидроциклона 1 сопровождается увеличением наполненности ее радиального распределения, так как окружная скорость поверхности диска, вовлекающего во вращательное движение суспензию, пропорциональна радиальной координате и имеет максимальное значение у стенки корпуса гидроциклона.
Указанные процессы вызывают увеличение окружной составляющей скорости суспензии в нижней зоне конической части корпуса гидроциклона 1 и увеличение наполненности ее радиального распределения, а также утоньшение пленки суспензии вследствие увеличения расхода сгущенной фракции суспензии через нижний патрубок 5, что приводит к смещению точки смыкания потока вниз и уменьшению размеров зоны интенсивного турбулентного перемешивания и сопровождается увеличением степени сгущения фракции суспензии, отводимой через нижний патрубок 5, и таким образом приводит к повышению разделительной способности гидроциклона.
Возможность вращения нижнего диска 7 с изменяющейся угловой скоростью и его одновременного вертикального перемещения обеспечивает распределение потоков осветленной и сгущенной фракций суспензии между верхним 4 и нижним 5 патрубками в соответствии со степенью сгущения фракции суспензии, отводимой через нижний патрубок 5, что повышает разделительную способность аппарата.
Возможность вращения нижнего диска 7 с изменяющейся угловой скоростью и его одновременного вертикального перемещения при неподвижности верхнего диска 6 обеспечивает возможность регулирования толщины пленки суспензии в нижней зоне конической части корпуса гидроциклона 1 и создает распределение радиальной составляющей скорости в канале 8 между дисками, обеспечивающее устойчивый гидродинамический режим работы гидроциклона, что сопровождается повышением его разделительной способности.