ГИДРОЦИКЛОН Российский патент 2004 года по МПК B04C5/08 

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 5133861 США, МКП В 04 С 3/00. Опубл. 28.07.92), содержащий цилиндрическую камеру и конический участок. В цилиндрической камере закрученный поток обтекает цилиндрический экран, который гасит турбулентные пульсации в потоке, благодаря чему повышается степень разделения. Однако разделительная способность такого гидроциклона невысока, так как при установке в камере цилиндрического экрана снижается окружная составляющая скорости на поверхности пленки суспензии, что уменьшает центробежную силу, действующую на поток.

Известно устройство для разделения суспензий (А.с. 1316123 СССР, МКП В 01 D 45/12. Опубл. 15.11.90, Б.И. №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 обусловливает дополнительные потери энергии.

Известно устройство для разделения суспензий (А.с. 1389065 СССР, МКП В 01 D 45/12. Опубл. 15.11.90, Б.И. №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.

С целью обеспечения лучших гидродинамических условий процесса разделения суспензий в гидроциклоне предложен аппарат (А.с. 1121048 СССР, МКП В 04 С 5/181. Опубл. 30.10.84, Б. И. №40), содержащий только цилиндрическую часть корпуса. Выгрузочное отверстие образовано за счет размещения в нижней части гидроциклона конического вытеснителя. Наличие конического вытеснителя, по мнению авторов, обеспечивает поддержание оптимальных гидродинамических условий по всей высоте рабочего пространства аппарата.

Однако коническая форма вытеснителя не учитывает образования в цилиндрическом гидроциклоне пленки суспензии со свободной поверхностью криволинейной формы; таким образом, достигаемые гидродинамические режимы не являются оптимальными. Кроме того, интенсивность затухания окружной составляющей скорости течения в осевом направлении в данной конструкции гидроциклона достаточно высока, что не позволяет достигнуть высокой разделительной способности.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является гидроциклон (А.с. 1150041 СССР, МКП В 04 С 5/08. Опубл. 15.04.85, Б.И. №14), содержащий цилиндрический корпус с тангенциальным питающим патрубком, крышкой и вытеснителем, 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 гидроциклона, поток жидкой фазы в радиальном направлении полностью отсутствует. Это позволяет уменьшить нежелательные зоны турбулентного перемешивания суспензии, а также снизить гидравлическое сопротивление аппарата. Однако в данной конструкции гидроциклона вследствие того, что центробежные силы прижимают поток к стенке корпуса гидроциклона и образуется пленка суспензии со свободной поверхностью, не обеспечивается прилегание поверхности пленки к поверхности вытеснителя, что приводит к уменьшению толщины пленки и возникновению локальных зон турбулентного перемешивания. Кроме того, интенсивность затухания окружной составляющей скорости в осевом направлении довольно высока вследствие локального уменьшения толщины пленки, что не позволяет достигнуть высокого качества классификации и приводит к необходимости увеличения высоты рабочего пространства аппарата.

Задачей изобретения является создание конструкции гидроциклона для классификации суспензий, обеспечивающей высокое качество классификации и уменьшение габаритных размеров аппарата.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является повышение качества классификации в гидроциклоне за счет устранения зон турбулентного перемешивания и снижения интенсивности затухания окружной составляющей скорости потока в направлении оси гидроциклона.

Указанный технический результат достигается тем, что гидроциклон, содержащий цилиндрический корпус с тангенциальным питающим патрубком, крышкой и вытеснителем, разгрузочное устройство, выполненное в виде концентрично установленных перегородок, образующих каналы для прохода продуктов классификации, на выходе из которых установлены регулирующие устройства, снабжен устройством для подачи воздуха, включающим кольцевой коллектор с перфорированной верхней стенкой и заслонку, установленную с возможностью поворота на входе в коллектор, причем верхняя стенка коллектора расположена на одном уровне с днищем гидроциклона для подачи воздуха в рабочее пространство, образованное корпусом и вытеснителем, имеющим боковую поверхность криволинейного профиля, диаметр горизонтального сечения которого уменьшается в направлении от коллектора к патрубку для отвода воздуха и определяется по формуле

где d - диаметр горизонтального сечения вытеснителя;

d₀ - диаметр основания вытеснителя;

k - коэффициент, определяющий форму боковой поверхности вытеснителя;

z - расстояние от основания вытеснителя.

Предложено выполнить в гидроциклоне для классификации суспензий устройство для подачи воздуха, включающее кольцевой коллектор с перфорированной верхней стенкой и заслонку, установленную с возможностью поворота на входе в коллектор, причем верхняя стенка коллектора расположена на одном уровне с днищем гидроциклона для подачи воздуха в рабочее пространство, образованное корпусом и вытеснителем, имеющим боковую поверхность криволинейного профиля, диаметр горизонтального сечения которого уменьшается в направлении от коллектора к патрубку для отвода воздуха. Это позволяет добиться увеличения времени пребывания суспензии в зоне разделения, сокращения зон турбулентного перемешивания, снижения затухания окружной составляющей скорости пленки суспензии в направлении оси гидроциклона и повышения качества классификации. Причем диаметр горизонтального сечения вытеснителя определяется по формуле

где d - диаметр горизонтального сечения вытеснителя;

d₀ - диаметр основания вытеснителя;

k - коэффициент, определяющий форму боковой поверхности вытеснителя;

z - расстояние от основания вытеснителя.

Значения d₀ и k определяются исходя из обеспечения оптимального гидродинамического режима работы гидроциклона данной конструкции при заданных производительности и физических свойствах разделяемой суспензии.

Выполнение вытеснителя имеющим боковую поверхность криволинейного профиля с диаметром горизонтального сечения, уменьшающимся в направлении от коллектора к патрубку для отвода воздуха, позволяет создать оптимальные гидродинамические условия течения в гидроциклоне благодаря изменению геометрии рабочего пространства.

Выполнение верхней стенки кольцевого коллектора перфорированной и расположенной на одном уровне с днищем гидроциклона позволяет добиться равномерности распределения воздушного потока и уменьшения зон завихрений в нем, нежелательных для работы гидроциклона данной конструкции, что приводит к более качественной классификации.

Установка на входе в коллектор с возможностью поворота заслонки позволяет обеспечить оптимальный гидродинамический режим работы гидроциклона, при котором осевая составляющая скорости течения на поверхности пленки близка к нулю, а также обеспечить необходимую толщину пленки суспензии для распределения продуктов классификации по зонам разгрузочного устройства.

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

Гидроциклон содержит цилиндрический корпус 1 с крышкой 2, днищем 3 и тангенциальным питающим патрубком 4. Гидроциклон снабжен устройством для подачи воздуха, включающим кольцевой коллектор 5 с перфорированной верхней стенкой 6 и заслонку 7, установленную с возможностью поворота в канале 8 на входе в коллектор 5, причем верхняя стенка 6 расположена на одном уровне с днищем 3 гидроциклона для подачи воздуха в рабочее пространство, образованное корпусом 1 и коаксиально установленным вытеснителем 9, имеющим боковую поверхность криволинейного профиля, диаметр горизонтального сечения которого уменьшается в направлении от коллектора 5 к патрубку 10 для отвода воздуха. На днище гидроциклона установлено разгрузочное устройство, выполненное в виде концентрично установленных колец 11 и перегородок 12, образующих каналы 13 для прохода продуктов классификации. В каналах 13 установлены жалюзи 14, имеющие возможность поворота вокруг осей 15 для регулирования расхода каждой фракции отводимой суспензии. В питающем патрубке 4 установлены вертикальные направляющие перегородки 16, образующие каналы 17 с отверстиями 18, обеспечивающие равномерность подачи суспензии.

Гидроциклон работает следующим образом. Исходный поток, содержащий дисперсную фазу, под давлением поступает в корпус 1 аппарата из тангенциального питающего патрубка 4 по каналам 17 через отверстия 18. Наличие вертикальных направляющих перегородок 16 и каналов 17 с отверстиями 18 позволяет вводить поток по всей ширине рабочего пространства, обеспечивая при этом первоначальную закрутку его с плавным переходом всего потока во вращательное винтовое движение по направлению сверху вниз. Центробежные силы прижимают поток к стенкам рабочего пространства, образуется пленка суспензии со свободной поверхностью, толщина которой уменьшается в направлении от питающего патрубка 4 к разгрузочному устройству гидроциклона. При прохождении суспензии через зону разделения наиболее крупные и тяжелые частицы перемещаются в центробежном поле к стенкам аппарата. Частицы других фракций в зависимости от их крупности перемещаются к разгрузочному устройству по спирали по своим определенным величиной центробежной силы радиусам вращения в зоны, ограниченные кольцами 11. Далее по каналам 13, образованным перегородками 12, отдельные фракции выводятся из аппарата. Установка жалюзи 14, имеющих возможность поворота вокруг осей 15, способствует осуществлению регулирования расходов по каждой разгружаемой фракции и изменению содержания и крупности частиц в этих потоках в нужных пределах. Навстречу потоку суспензии снизу вверх движется поток воздуха, подаваемого из кольцевого коллектора 5 через перфорированную верхнюю стенку 6. Регулирование подачи воздуха в коллектор 5 осуществляется заслонкой 7, установленной с возможностью поворота в канале 8 на входе в коллектор 5. Выполнение верхней стенки 6 коллектора 5 перфорированной и расположенной на одном уровне с днищем 3 гидроциклона позволяет добиться равномерности распределения воздушного потока и уменьшения зон завихрений в нем, нежелательных для работы гидроциклона данной конструкции.

Коаксиально корпусу 1 гидроциклона установлен вытеснитель 9, имеющий боковую поверхность криволинейного профиля, диаметр горизонтального сечения которого уменьшается в направлении от коллектора 5 к патрубку 10 для отвода воздуха и определяется по формуле

где d - диаметр горизонтального сечения вытеснителя;

d₀ - диаметр основания вытеснителя;

k - коэффициент, определяющий форму боковой поверхности вытеснителя;

z - расстояние от основания вытеснителя.

Значения d₀ и k, входящие в формулу (1), определяются исходя из обеспечения оптимального гидродинамического режима работы гидроциклона данной конструкции при заданных производительности и физических свойствах разделяемой суспензии. Выполнение вытеснителя 9 имеющим боковую поверхность криволинейного профиля с диаметром горизонтального сечения, уменьшающимся в направлении от коллектора 5 к патрубку для отвода воздуха 10, позволяет создать оптимальные гидродинамические условия течения в гидроциклоне благодаря изменению геометрии рабочего пространства.

Восходящий поток воздуха движется в пространстве между поверхностью вытеснителя 9 и поверхностью пленки суспензии и вовлекается поверхностью пленки во вращательное движение. Закономерность изменения диаметра горизонтального сечения вытеснителя 9 по высоте рабочего пространства, определяемая значениями d₀ и k, подбирается таким образом, чтобы осевая составляющая скорости суспензии на поверхности пленки была близка к нулю благодаря соответствующему изменению геометрии рабочего пространства и скорости потока воздуха, воздействующей на скорость на поверхности пленки суспензии. Для этого необходимо возрастание площади проходного сечения рабочего пространства кольцевой формы, образованного корпусом 1 и вытеснителем 9, в направлении от коллектора 5 к патрубку для отвода воздуха 10. Скорость воздуха будет уменьшаться по мере возрастания проходного сечения рабочего пространства, не занятого пленкой суспензии, и при взаимодействии воздушного потока с поверхностью пленки обеспечит близкое к нулю значение осевой составляющей скорости суспензии на поверхности пленки, так как осевая составляющая скорости на поверхности пленки суспензии при отсутствии потока воздуха в гидроциклоне данной конструкции возрастает по мере ее движения вниз по стенкам гидроциклона, а толщина пленки при этом уменьшается.

В результате уменьшается средняя осевая составляющая скорости пленки суспензии, возрастает толщина пленки и увеличивается время пребывания суспензии в зоне разделения. Радиальная составляющая скорости суспензии также снижается, что приводит к уменьшению турбулентных пульсаций, нежелательных для процесса классификации и сокращению зон турбулентного перемешивания. Радиальный профиль осевой составляющей скорости суспензии приобретает параболический характер, концентрация частиц твердой фазы в пленке суспензии уменьшается ввиду существенного увеличения времени пребывания в зоне разделения и повышается качество классификации.

С увеличением толщины пленки уменьшается скорость затухания окружной составляющей скорости в осевом направлении, что позволяет повысить качество классификации и сократить габаритные размеры гидроциклона.

Установка с возможностью поворота в канале 8 на входе в коллектор 5 заслонки 7 позволяет изменять расход подаваемого воздуха при изменении режима работы гидроциклона для поддержания близкого к нулю значения осевой составляющей скорости суспензии на поверхности пленки и обеспечения необходимого значения толщины пленки для разгрузки фракций суспензии через каналы 13.

Таким образом, предлагаемая конструкция гидроциклона, предназначенная для проведения процесса классификации суспензий, позволяет сократить нежелательные для процесса классификации зоны турбулентного перемешивания, увеличить время пребывания суспензии в зоне разделения и существенно снизить затухание окружной составляющей скорости пленки суспензии в направлении оси гидроциклона, в результате чего повышается качество классификации и появляется возможность сокращения габаритных размеров аппарата.

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, который может быть получен при осуществлении изобретения, является повышение качества классификации в гидроциклоне за счет устранения зон турбулентного перемешивания и снижения интенсивности затухания окружной составляющей скорости потока в направлении оси гидроциклона. Сущность изобретения заключается в создании конструкции гидроциклона, содержащего цилиндрический корпус с тангенциальным питающим патрубком, крышкой и вытеснителем, разгрузочное устройство, выполненное в виде концентрично установленных перегородок, образующих каналы для прохода продуктов классификации, на выходе из которых установлены регулирующие устройства. Гидроциклон снабжен устройством для подачи воздуха, включающим кольцевой коллектор с перфорированной верхней стенкой и заслонку, установленную с возможностью поворота на входе в коллектор, причем верхняя стенка коллектора расположена на одном уровне с днищем гидроциклона для подачи воздуха в рабочее пространство, образованное корпусом и вытеснителем, имеющим боковую поверхность криволинейного профиля, диаметр горизонтального сечения которого уменьшается в направлении от коллектора к патрубку для отвода воздуха и определяется по формуле: , где d - диаметр горизонтального сечения вытеснителя; d₀ - диаметр основания вытеснителя; k - коэффициент, определяющий форму боковой поверхности вытеснителя; z - расстояние от основания вытеснителя. 2 ил.

Гидроциклон, содержащий цилиндрический корпус с тангенциальным питающим патрубком, крышкой и вытеснителем, разгрузочное устройство, выполненное в виде концентрично установленных перегородок, образующих каналы для прохода продуктов классификации, на выходе из которых установлены регулирующие устройства, отличающийся тем, что гидроциклон снабжен устройством для подачи воздуха и патрубком для отвода воздуха, при этом устройство для подачи воздуха включает кольцевой коллектор с перфорированной верхней стенкой и заслонку, установленную с возможностью поворота на входе в коллектор, причем верхняя стенка коллектора расположена на одном уровне с днищем гидроциклона для подачи воздуха в рабочее пространство, образованное корпусом и вытеснителем, имеющим боковую поверхность криволинейного профиля, диаметр горизонтального сечения которого уменьшается в направлении от коллектора к патрубку для отвода воздуха и определяется по формуле:

где d - диаметр горизонтального сечения вытеснителя;

d₀ - диаметр основания вытеснителя;

k - коэффициент, определяющий форму боковой поверхности вытеснителя;

z - расстояние от основания вытеснителя.