ГИДРОЦИКЛОН С КРИВОЛИНЕЙНОЙ ОБРАЗУЮЩЕЙ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ (ВАРИАНТЫ)
HYDRAULIC CYCLONE WITH CURBED GENERATRIX OF INNER SURFACE (VERSIONS)

Изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых, в которой осуществляются процессы разделения материала в жидкой среде по крупности и плотности. Задачей создания эффективных конструкций гидроциклонов является обеспечение высокой четкости разделения исходного материала по крупности при снижении энергозатрат на подачу пульпы в гидроциклон.
Основное направление в разработке новых гидроциклонов является совершенствование гидродинамических параметров движущейся в разделительном канале гидроциклона пульпы с целью максимального снижения турбулентности потока и увеличения тангенциональной составляющей скорости его движения.
Известен цилиндроконический гидроциклон с соосным расположением цилиндрического и конического разделительных каналов, с питающим и сливным патрубками, песковой насадкой, с постоянным углом конусности 20° конусной его части. (Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы. Недра. 1982.)
<mrow><msubsup><mi>d</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>d</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo><</mo><msubsup><mi>d</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>d</mi><mn>3</mn><mn>2</mn></msubsup><mo><</mo><msubsup><mi>d</mi><mn>3</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>d</mi><mn>4</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Недостатком этой конструкции гидроциклона является то, что относительное сужение сечения разделительного канала конусной части гидроциклона в направлении от питающего патрубка к песковой насадке происходит не равномерно, а с возрастающей величиной. Если рассматривать соотношения площадей смежных сечений, расположенных на равных расстояниях между собой, то
,
1
2
3
4
где d, d, d, d - внутренние диаметры смежных сечений разделительного канала конусной части гидроциклона.
Возрастающее изменение площади сечений гидроциклона и соответственно скорости движения пульпы приводит к увеличению степени турбулизации потоков в конусном канале, снижению четкости разделения зерен по крупности и повышению требуемого давления на входе в гидроциклон.
Цель изобретения: повысить эффективность разделения исходного материала в гидроциклоне, включая повышение четкости разделения и снижения удельных затрат электроэнергии за счет снижения давления пульпы, поступающей в гидроциклон. Указанная цель достигается с помощью оптимизации профиля разделительного конусообразного гидродинамического канала внутри гидроциклона.
Одним из вариантов достижения этой цели является профилирование конусообразного канала, при котором относительное изменение площади сечения канала через равные интервалы по высоте гидроциклона является постоянной величиной
<mrow><msubsup><mi>d</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>d</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>d</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>d</mi><mn>3</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>d</mi><mi>n</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>d</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
В этом случае изменение скорости движения жидкости в гидроциклоне приближается к оптимальному: достигается минимизация турбулентности и увеличение тангенциональной составляющей скорости вращающихся потоков.
Подобные результаты достигаются при реализации предлагаемых ниже вариантов профилей конусообразных разделительных каналов гидроциклона.
На фиг.1, 2, 3 показаны общий вид гидроциклона с соосным расположением цилиндрического и конусообразного разделительных каналов и варианты криволинейных образующих внутренней конусообразной поверхности гидроциклона, обеспечивающих улучшение гидродинамических параметров потоков пульпы.
На фиг.1 приведен общий вид гидроциклона, содержащего цилиндроконический внешний корпус 1, тангенциальный входной патрубок 2, сливной патрубок 3, песковую насадку 4, внутренние соосные цилиндрический 5 и конусообразный 6 разделительные каналы, профилированную полиуретановую футеровку внутреннего конусообразного канала 7, щелевые отверстия в сливном патрубке 8.
Пульпа поступает под напором через входной патрубок 2 в гидроциклон, где образуется два вращающихся потока - внешний, перемещающийся вдоль стенок конусообразного канала гидроциклона вниз к песковой насадке, и внутренний, направленный вверх вдоль оси к сливному патрубку. При этом крупные породные частицы под действием центробежных сил вращения перемещаются к стенкам гидроциклона во внешний поток и разгружаются через песковую насадку. Тонкие и легкие частицы увлекаются внутренним потоком и удаляются из гидроциклона через сливной патрубок.
На фиг.2а приведена криволинейная образующая АВ внутренней поверхности конусообразного канала гидроциклона, обеспечивающая постоянство относительного изменения площади сечения канала при переходе от верхней к нижней его части. Внутренняя поверхность конусообразного канала создается вращением образующей АВ вокруг оси гидроциклона OZ. Параметр ρ равен радиусу вращения точки криволинейной образующей вокруг оси OZ.
Координаты точек криволинейной образующей, представляющей собой функцию изменения диаметра сечения конусообразного канала по высоте гидроциклона, в прямоугольной системе координат с осью О Z, совпадающей с осью гидроциклона, имеют следующие значения:
<mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>d</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msup><mi>K</mi><mi>γ</mi></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mo>;</mo><mtext> </mtext><mi>Z</mi><mo>=</mo><mi>Δ</mi><mi>h</mi><mo>⋅</mo><mi>γ</mi><mo>,</mo><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
n
где d - внутренний диаметр сечения конусообразного канала в точках по его высоте;
2
1
K - коэффициент относительного изменения внутреннего диаметра сечений конусообразного канала при заданном шаге перемещений при повороте образующей на 360° К=d/d;
1
γ - угол поворота образующей в долях от 360° начиная с сечения с d;
1
d - внутренний диаметр сечения конусообразного канала в начальной его точке;
Δh - принятый шаг перемещения сечений по вертикали за 360° поворота образующей.
На фиг.2б приведены горизонтальные проекции сечений конусообразного канала, перпендикулярных оси гидроциклона, расположенных с равными интервалами расстояний между ними. Соотношение площадей этих смежных сечений является постоянной величиной.
Данный профиль конусообразного канала осуществляется профилированием полиуретановой футеровки по вышеприведенным координатам и установкой профилированных элементов футеровки в корпусе гидроциклона.
Известен гидроциклон, конусная часть которого состоит из секций с уменьшающейся от цилиндрической части к песковой насадке конусностью (патент RU 2111798 17.07.1997).
В данном гидроциклоне за счет увеличения длины конусной части при малой конусности повышается четкость разделения по тонкому зерну, однако сохраняется турбулентность потоков, проявляющаяся при переходе от секции к секции с разной конусностью, что отрицательно сказывается на общей эффективности работы гидроциклона.
Известен гидроциклон с переменной конусностью, в которой крутоконусная верхняя часть сочетается с пологой удлиненной нижней частью, что улучшает процесс тонкой классификации в гидроциклонах большого диаметра (патент RU 2074032 27.08.1991).
Недостатком этого гидроциклона является неравномерность сужения конусообразного канала, при котором величина ускорения потоков пульпы в верхней крутоконусной части значительно превышает величину ускорения потоков в нижней пологопадающей части, что приводит к дополнительной турбулизации потоков, отрицательно влияющей на эффективность разделения зерен в пульпе.
Снижение турбулентности в нисходящем потоке гидроциклона осуществляется путем придания внутренней поверхности конусообразной части гидроциклона профиля, при котором сечение канала изменяется непрерывно и равномерно.
Конфигурация конусообразной части при этом характеризуется не углом конусности, а соотношением площадей или пропорциональных им диаметров смежных сечений разделительного канала по высоте гидроциклона.
На фиг.3а приведена криволинейная образующая АВ внутренней поверхности конусообразного канала с относительно крутым и пологим участками (вариант).
Образующая кривая АВ строится по координатам точек в прямоугольной системе координат, определяемых из зависимостей:
<mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mi>ρ</mi><mo>=</mo><mi>a</mi><msup><mi>e</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ϕ</mi></mrow></msup><mo>;</mo><mtext> </mtext><mi>Z</mi><mo>=</mo><mi>Δ</mi><mi>h</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>ϕ</mi><mi>n</mi></msup><mo>,</mo><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где ρ - радиус-вектор точек логарифмической спирали;
а, в - параметры логарифмической спирали;
е - основание натурального логарифма;
φ - угол поворота радиуса- вектора;
Δh - принятая высота подъема точки спирали за 1 поворота радиуса - вектора этой точки;
n - показатели степени, определяющие кривизну образующей по высоте конусообразного канала гидроциклона, n=0,7-0,9.
Внутренняя поверхность конусообразного канала образуется вращением криволинейной образующей АВ' вокруг оси гидроциклона OZ.
Горизонтальная проекция винтовой линии, проводимой по внутренней поверхности конусообразного канала, выражается логарифмической спиралью (фиг.3б) При образовании профиля внутренней конусообразной поверхности канала гидроциклона по образующей (3) осуществляется непрерывное плавное изменение кривизны стенок канала, начиная с верхнего участка с большей кривизной и заканчивая нижними участками с меньшей кривизной. Благодаря этому устраняется турбулентность потоков и увеличивается четкость разделения зерен по крупности.
Известен гидроциклон, в котором установлены отбойники с целью повышения эффективности разделения зерен за счет торможения закрученного потока в сливном патрубке (патент RU 2166371, 13.08.1999.) Недостатком этого устройства является то, что заторможенные относительно крупные частицы при выходе из патрубка и удаления их из слива должны преодолевать вертикальную скорость потока в патрубке, и это препятствует их удалению.
В предлагаемой конструкции сливного патрубка на расстоянии 30-50 мм от нижнего конца патрубка предусмотрены горизонтальные кольцевые щелевые отверстия шириной 5-10 мм и углом охвата цилиндра патрубка 150°. Щели прорезаются в одной плоскости, суммарный угол охвата цилиндра патрубка двумя щелями 300°. Расположение щели в патрубке показано на фиг.1 поз.8.
Крупные зерна, захваченные внутренним потоком и поступившие в сливной патрубок, благодаря центробежным силам прижимаются к стенкам патрубка. Через щелевые отверстия наиболее крупные зерна выходят из патрубка и переносятся во внешний поток, движущийся в сторону песковой насадки.
Благодаря наличию щелевых отверстий достигается более полное извлечение тонких зерен в слив гидроциклона. В данном случае сливной патрубок погружается в пульпу на большую глубину, осуществляя более полный захват тонких частиц, рассредоточенных в пульпе, в том числе и во внешнем ее потоке.
Захваченные при этом сравнительно крупные зерна удаляются из патрубка через щелевые отверстия.
В таблицах 1, 2 в качестве примеров приведены результаты расчетов параметров криволинейных образующих внутренних поверхностей гидроциклона соответственно по вариантам зависимостей (2), (3).
Практическая реализация изобретения включает стадии компьютерного расчета нескольких вариантов образующих с вариацией исходных параметров в зависимостях (2), (3) и выбора по результатам расчетов варианта, в наибольшей степени соответствующего заданным размерам гидроциклона и требованиям кривизны его внутренней поверхности.
Затем изготовляется форма для отливки футеровки с расчетными параметрами внутренней поверхности. В форму заливается литьевой полиуретан.
Изготовленная с помощью литья футеровка помещается в металлический корпус гидроциклона соответствующего размера. Литьем осуществляются также изготовление гидроциклонов с корпусом из полиуретана с расчетной конусообразной внутренней поверхностью.
Результаты расчета параметров образующих внутренней поверхности конусообразного канала гидроциклона.
Таблица 1
Расчет по зависимостям (2) при заданных К=0,8, d<sub>1</sub>=360 мм, Δh=150 мм
Угол поворота образующей, °
γ
К
Х, мм
Z, мм
0
0
1
180
0
60
0,17
0,962
173
25
120
0,33
0,929
167
50
240
0,66
0,863
155
99
360
1,0
0,800
144
150
720
2,0
0,640
115
300
1080
3,0
0,512
92
450
1440
4,0
0,410
74
600
1800
5,0
0,328
59
750
2160
6,0
0,262
47
900
2520
7,0
0,210
38
1050
Таблица 2
Расчет по зависимостям (3) при заданных a=30 мм, в=0,0025, n=0,9.
Δh=2,5 мм.
φ
е<sup>вφ</sup>
Х, мм
φ<sup>n</sup>
Z, мм
0
1,0
30,0
0
0
60
1,16
34,8
39,8
99,6
120
1,35
40,5
74,3
185,9
180
1,57
47,1
107,1
267,7
240
1,82
54,6
138,7
346,8
300
2,12
63,6
169,6
424,0
360
2,46
73,8
199,8
499,6
420
2,86
85,8
229,6
573,9
480
3,32
99,6
258,9
647,2
540
3,85
115,7
287,8
719,6
600
4,48
134,5
316,5
791,2
660
5,21
156,2
344,8
862,0
720
6,05
181,5
373,0
932,3