ГИДРОЦИКЛОН Российский патент 2003 года по МПК B04C5/04 

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.

Известно устройство для разделения суспензий (А.с. 1316123 СССР, МПК В 01 D 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 и многолопаточного завихрителя, что обуславливает дополнительные потери энергии.

Известно устройство для разделения суспензии (А.с. 1137627 СССР, МПК В 01 D 45/12, В 04 С 9/00, опубл. 15.11.90, БИ 42), в котором с целью повышения эффективности разделения и уменьшения влажности сгущенной суспензии патрубок ввода суспензии установлен внутри патрубка ввода воздуха с возможностью продольного перемещения. Работа данного устройства связана с большими потерями энергии газового потока на транспортировку суспензии.

Известно устройство для разделения суспензий (А.с. 1389065 СССР, МПК В 01 D 45/12, опубл. 15.11.90, БИ 42), содержащее рабочее колесо с лопатками, установленное с возможностью вращения, причем оно снабжено устройством для эжектирования суспензии, расположенным над коллектором ввода суспензии и сборником твердой фазы.

Эжектирование суспензии через тангенциальные щели воздушным потоком не сопровождается перестройкой поля скоростей в закрученной пленке суспензии, а следовательно, не приводит к снижению интенсивности затухания окружной составляющей скорости потока в направлении оси аппарата и не дает существенного повышения разделительной способности.

Известен гидроциклон (А. с. 1150041 СССР, МПК В 04 С 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.

Ввиду того, что ввод и вывод потока производится по всей ширине рабочего пространства аппарата, поток жидкой фазы в радиальном направлении полностью отсутствует. Это явление 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 к снижению фактора разделения, что в совокупности с увеличением толщины пленки разделяемой суспензии, вызванным увеличением отношения площади сечения входного патрубка к площади горизонтального сечения корпуса гидроциклона, приводит к невысоким значениям разделительной способности.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является гидроциклон с регулируемой диафрагмой (Патент 5560818 США, МПК В 03 D 1/24, опубл. 01.10.96), имеющий цилиндрическую форму и предназначенный для удаления крупных частиц из бумажной пульпы, которые отделяются с пеной через верхнее отверстие. Для образования пены в аппарате по всей высоте подается газ, образование пузырьков обеспечивается пористой диафрагмой. В нижней части гидроциклона имеется конусообразная пробка, которая перекрывает боковое отверстие для выхода обработанной суспензии. Предусмотрен ручной механизм для перемещения пробки вдоль стенок аппарата в определенном пределе, тем самым регулируется количество выходящей пульпы.

Проведение процесса разделения в таком гидроциклоне требует дополнительных затрат энергии на прокачку воздуха через пористую диафрагму, кроме того, окружная составляющая скорости потока быстро затухает в направлении оси аппарата, что существенно снижает его разделительную способность.

Задачей изобретения является создание конструкции гидроциклона для разделения суспензий флотацией, обеспечивающей высокую разделительную способность.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является повышение разделительной способности гидроциклона за счет снижения интенсивности затухания окружной составляющей скорости потока в направлении оси гидроциклона, что связано с изменением радиального распределения окружной составляющей скорости на входе потока в гидроциклон.

Указанный технический результат достигается тем, что гидроциклон для разделения суспензий, содержащий цилиндрический корпус с питающим патрубком и крышкой, разгрузочное устройство и патрубок для отвода пены, снабжен питающим патрубком, выполненным в виде инжектора, состоящего из корпуса, имеющего форму сопла Лаваля, и установленной концентрично с возможностью продольного перемещения трубки для подачи воздуха, оканчивающейся на сужающемся в направлении потока участке корпуса инжектора и имеющей перфорированную торцевую стенку на выходе, причем наружная образующая горизонтального сечения корпуса инжектора, проходящего через ось, выполнена сопряженной с цилиндрической поверхностью корпуса гидроциклона.

Предложено выполнить в гидроциклоне питающий патрубок в виде инжектора, состоящего из корпуса, имеющего форму сопла Лаваля, и установленной концентрично с возможностью продольного перемещения трубки для подачи воздуха.

Выполнение корпуса инжектора в виде сопла Лаваля позволяет изменить распределение окружной составляющей скорости потока на входе в гидроциклон, снизить потери напора на местные сопротивления при прохождении потоком суспензии инжектора, обеспечить хорошее перемешивание суспензии с пузырьками воздуха и гашение нежелательных для процесса разделения турбулентных пульсаций скорости.

На расширяющемся в направлении потока участке корпуса инжектора скорость в областях потока, прилежащих к стенкам, существенно снижается, а в центре потока возрастает, в результате чего происходит изменение радиального распределения окружной составляющей скорости потока на входе в гидроциклон и вследствие уменьшения сил трения в областях потока, прилежащих к стенке корпуса гидроциклона, снижение интенсивности затухания окружной составляющей скорости потока в направлении оси гидроциклона и повышение разделительной способности, вызванное возрастанием центробежной силы инерции.

Возможность продольного перемещения трубки для подачи воздуха обеспечивает регулирование напора, создаваемого инжектором, благодаря чему изменяется объем суспензии, инжектируемой в единицу времени, и радиальное распределение окружной составляющей скорости потока суспензии на входе в гидроциклон, что влияет на производительность гидроциклона и разделительную способность.

Выполнение торцевой стенки трубки для подачи воздуха перфорированной способствует повышению эффективности инжектирования суспензии воздухом за счет увеличения поверхности контакта струй подаваемого воздуха с суспензией, а также повышению равномерности распределения пузырьков воздуха в суспензии и уменьшению их размеров, что приводит к повышению разделительной способности.

Выполнение наружной образующей горизонтального сечения корпуса инжектора, проходящего через ось, сопряженной с цилиндрической поверхностью корпуса гидроциклона, обеспечивает снижение турбулентных пульсаций скорости потока суспензии на входе в гидроциклон, что приводит к повышению разделительной способности, а также уменьшение гидравлического сопротивления на входе потока в гидроциклон и снижение затрат энергии на подачу суспензии.

На фиг. 1 изображен гидроциклон предлагаемой конструкции, общий вид; на фиг.2 - разрез по А-А.

Гидроциклон содержит цилиндрический корпус 1 с крышкой 2, разгрузочное устройство, выполненное в виде двух концентрично установленных кольцевых вертикальных перегородок 3, образующих канал для прохода осветленных продуктов разделения, на выходе из которого установлено регулирующее устройство 4, патрубок для отвода пены 5, насыщенной частицами отделяемого продукта. Гидроциклон снабжен питающим патрубком, выполненным в виде инжектора, состоящего из корпуса 6, имеющего форму сопла Лаваля, и установленной концентрично трубки 7 для подачи воздуха с механизмом продольного перемещения 8, оканчивающейся на сужающемся в направлении потока участке корпуса 6 инжектора, имеющей на выходе перфорированную торцевую стенку 9. Наружная образующая горизонтального сечения корпуса 6 инжектора, проходящего через ось, выполнена сопряженной с цилиндрической поверхностью корпуса 1 гидроциклона.

Гидроциклон работает следующим образом. Разделяемая суспензия подается в инжектор, состоящий из корпуса 6, имеющего форму сопла Лаваля, и трубки для подачи воздуха 7. На сужающемся в направлении потока участке корпуса 6 инжектора происходит инжектирование суспензии струями воздуха, подаваемого через перфорированную торцевую стенку 9 трубки 7.

Выполнение корпуса 6 инжектора в виде сопла Лаваля позволяет изменить распределение окружной составляющей скорости потока на входе в гидроциклон, снизить потери напора на местные сопротивления при прохождении потоком суспензии инжектора и обеспечить хорошее перемешивание суспензии с пузырьками воздуха и гашение нежелательных для процесса разделения турбулентных пульсаций скорости.

На расширяющемся в направлении потока участке корпуса 6 инжектора скорость в областях потока, прилежащих к стенкам, существенно снижается, а в центре потока возрастает. В результате перестройки профиля скорости на расширяющемся в направлении потока участке корпуса 6 инжектора происходит изменение радиального распределения окружной составляющей скорости потока на входе в гидроциклон. Скорость суспензии в зоне течения, прилежащей к стенке корпуса 1 гидроциклона, на входе потока в гидроциклон снижается, а в области оси корпуса 6 инжектора возрастает, что вследствие уменьшения сил трения в областях потока, прилежащих к стенке, приводит к снижению интенсивности затухания окружной составляющей скорости потока в направлении оси гидроциклона и повышению разделительной способности, вызванному возрастанием центробежной силы инерции.

На расширяющемся в направлении потока участке корпуса 6 инжектора происходит перемешивание образовавшихся пузырьков воздуха с суспензией, а также начинается образование флотокомплексов при столкновении пузырьков воздуха с частицами твердой фазы. Предварительное образование части флотокомплексов на расширяющемся в направлении потока участке корпуса 6 инжектора способствует повышению разделительной способности гидроциклона.

При прохождении потока суспензии через расширяющийся в направлении потока участок корпуса 6 инжектора гасятся нежелательные для процесса разделения турбулентные пульсации скорости, возникающие при инжектировании суспензии воздухом.

Выполнение торцевой стенки 9 перфорированной повышает эффективность инжектирования суспензии воздухом, так как поверхность контакта струй воздуха, вытекающих из отверстий перфорации, с суспензией возрастает с ростом количества отверстий перфорации. Подача воздуха через перфорированную стенку 9 способствует также повышению равномерности распределения пузырьков воздуха в суспензии и уменьшению их размеров, что приводит к повышению разделительной способности гидроциклона. Регулирование напора, создаваемого инжектором, производится механизмом продольного перемещения 8 трубки 7, благодаря чему изменяется количество инжектируемой суспензии и распределение окружной составляющей скорости потока суспензии в радиальном направлении на входе в гидроциклон, что влияет на производительность гидроциклона и его разделительную способность.

Поступившая в гидроциклон суспензия, насыщенная пузырьками воздуха, стекает, вращаясь, по стенке цилиндрического корпуса 1 гидроциклона вниз. При этом протекает процесс флотации, заключающийся в образовании флотокомплексов при столкновениях пузырьков воздуха с частицами твердой фазы и последующей транспортировке их к свободной поверхности пленки суспензии под действием центробежной силы инерции. На свободной поверхности пленки суспензии образуется пена, насыщенная частицами твердой фазы, которая удаляется через патрубок 5, расположенный в крышке 2 корпуса 1 гидроциклона. Осветленная суспензия отводится из гидроциклона через разгрузочное устройство, выполненное в виде двух концентрично установленных кольцевых вертикальных перегородок 3, образующих канал для прохода продуктов разделения, на выходе из которого установлено регулирующее устройство 4.

Ввиду того, что лимитирующей стадией процесса флотации в гидроциклоне является транспортировка флотокомплексов к свободной поверхности пленки, снижение интенсивности затухания окружной составляющей скорости потока суспензии в направлении оси гидроциклона, сопровождающееся увеличением центробежной силы инерции, действующей на флотокомплексы, приводит к повышению разделительной способности.

Наружная образующая горизонтального сечения корпуса 6 инжектора, проходящего через ось, выполнена сопряженной с цилиндрической поверхностью корпуса 1 гидроциклона. Это обеспечивает снижение турбулентных пульсаций скорости потока суспензии на входе в гидроциклон, что приводит к повышению разделительной способности, а также уменьшение гидравлического сопротивления на входе потока в гидроциклон и снижение затрат энергии на подачу суспензии.

Таким образом, предлагаемая конструкция гидроциклона, предназначенная для проведения процесса флотации, позволяет существенно снизить затухание окружной составляющей скорости потока в направлении оси гидроциклона, в результате чего возрастает скорость транспортировки флото-комплексов к поверхности пленки суспензии и повышается разделительная способность.

Изобретение предназначено для разделения неоднородных жидких систем под действием центробежных сил, относится, в частности, к гидроциклонам для разделения суспензий и может быть использовано в химической, нефтехимической, микробиологической, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности. Техническим результатом является повышение разделительной способности гидроциклона за счет снижения интенсивности затухания окружной составляющей скорости потока в направлении оси гидроциклона, что связано с изменением радиального распределения окружной составляющей скорости на входе потока в гидроциклон. Сущность изобретения заключается в создании конструкции гидроциклона, содержащего цилиндрический корпус с питающим патрубком и крышкой, разгрузочное устройство и патрубок для отвода пены, отличающегося тем, что питающий патрубок выполнен в виде инжектора, состоящего из корпуса, имеющего форму сопла Лаваля, и установленной концентрично с возможностью продольного перемещения трубки для подачи воздуха, оканчивающейся на сужающемся в направлении потока участке корпуса инжектора и имеющей перфорированную торцевую стенку на выходе, причем наружная образующая горизонтального сечения корпуса инжектора, проходящего через ось, выполнена сопряженной с цилиндрической поверхностью корпуса гидроциклона. 2 ил.

Гидроциклон, содержащий цилиндрический корпус с питающим патрубком и крышкой, разгрузочное устройство и патрубок для отвода пены, отличающийся тем, что питающий патрубок выполнен в виде инжектора, состоящего из корпуса, имеющего форму сопла Лаваля и установленной концентрично с возможностью продольного перемещения трубки для подачи воздуха, оканчивающейся на сужающемся в направлении потока участке корпуса инжектора им имеющей перфорированную торцевую стенку на выходе, причем наружная образующая горизонтального сечения корпуса инжектора, проходящего через ось, выполнена сопряженной с цилиндрической поверхностью корпуса гидроциклона.