ГИДРОЦИКЛОН Российский патент 2008 года по МПК B04C5/18 B04C9/00 

Изобретение относится к технике разделения неоднородных жидких сред, в частности к устройствам для разделения суспензий и эмульсий в поле центробежных сил, и может применяться преимущественно в строительной промышленности, а также при углублении русел рек и при очистке водоемов.

Известен гидроциклон для классификации минерального сырья, включающий цилиндроконический корпус, песковую насадку и гидроэлеватор, расположенный по касательной к песковой насадке (А.С. СССР №358008, кл. В03в 3/45, оп. 03.11.1972 г.).

Дополнение песковой насадки гидроэлеватором позволяет упростить процесс разгрузки гидроциклона, повысить перепад давлений на входе в него и тем самым поднять эффективность разделения. Однако это повышение давления в традиционных конструкциях может быть незначительным, иначе возможно нарушение баланса сливного и пескового потопов и гидроциклон станет неработоспособным.

Кроме того, установленный в гидроциклоне гидроэлеватор струйного типа имеет низкий КПД и регулируется только дросселированием, что связано также с дополнительным снижением экономичности процесса получения товарного продукта,

Известно устройство для осуществления гидроциклонной сепарации жидкости путем отсоса очищенной жидкости по касательной к восходящему столбу на сливе гидроциклона при отрицательном статическом напоре Р₂, определенном равенством

P₁=-0,03P₁,

где P₁ - давление на входе в гидроциклон (А.С. СССР №1060230, кл. В04С 5/13, опубл. 15.12.1983).

Предлагаемый известным авторским свидетельством гидроциклон содержит входной тангенциальный патрубок, цилиндроконический корпус, песковый (шламовый) и промежуточный сливной патрубки, сливную камеру, сливной тангенциальный патрубок, в который встроен инжектор, представляющий собой несколько изогнутых трубок, расположенных в несколько рядов и сообщающихся с атмосферой и потоками жидкости в патрубках.

Известное устройство (гидроциклон) не позволяет повысить качество разделения и производительность, так как при малом отрицательном статистическом напоре Р₂>-0,03P₁ гидродинамический режим работы гидроциклона неустойчив, что снижает требуемое качество разделения.

Повышение вакуума в сливной ветви гидроциклона за пределы условия Р₂=-0,03P₁ за счет удлинения сливной ветви позволяет повысить напор потока на входе в гидроциклон, что обеспечивает некоторый рост качества и производительности процесса сепарации. Следует отметить, что известный гидроциклон обеспечивает для процесса сепарации возможность использования низконапорных грунтовых насосов, что важно при намыве из водоема на карты-отстойники песка повышенного качества. Так в процессе намыва карта-отстойник растет по высоте, это требует необходимости поднятия и гидроциклонного обогатителя на геодезическую высоту до 15-20 м. Например, в конструкциях выпускаемых земснарядов такой запас по напору обычно имеется, однако он может быть весь израсходован на увеличение высоты карты, и тогда гидроциклон, которому необходим напор 10-15 м, станет неработоспособным.

При удлинении сливной ветви до уровня воды из пульпопровода образуется петля, которая исключает геодезический перепад из рабочего процесса грунтового насоса, так как в потенциальном поле гравитационных сил геодезическая составляющая определяется разностью высотных отметок начала и конца напорного трубопровода, т.е. она равна нулю. Следовательно, весь запас грунтового насоса по напору можно реализовать только на процесс сепарации песка от глинистых и иловых частиц.

Кроме того, при чрезмерно большом отрицательном статическом напоре в сливной ветви в гидроциклоне возникает явление сифона, нарушается баланс сливного и пескового потоков, имеет место подсос воздуха через песковое отверстие, и гидроциклон становится неработоспособным.

Известны различные конструкции гидроциклонов с тангенциально сопряженными с ними струйными гидроэлеваторами (например, авт.св. СССР №447523, кл. F04d 13/12, В04с 7/00, оп. 15.12.1974). Наличие гидроэлеватора обеспечивает одновременное улавливание твердых частиц и предотвращает попадание газа в насос.

Однако недостатком такого гидроциклона является то, что при изменении консистенции пульпы в гидроциклоне расход воды, поступающей на гидроэлеватор, не изменяется, т.е. происходит перерасход промывной воды, поступающей на гидроэлеватор.

Этого недостатка лишен взятый за прототип гидроциклон, включающий цилиндроконический корпус с тангенциальным патрубком подачи очищаемой жидкости, сливным патрубком и песковым патрубком, снабженным гидроэлеватором, который оснащен автоматическим промывным устройством импульсного действия (авт.св. СССР №539614, кл. В04С 11/00, В03В 5/34, оп. 25.12.1976).

Промывное устройство содержит пневмоаккумуляторы и мембраны, установленные концентрично на штоке, подключенном к электромагнитному усилителю, соединенному с датчиком давления, размещенным в песковом патрубке гидроциклона.

Известный гидроциклон обеспечивает снижение расхода промывной воды, поступающей на гидроэлеватор.

Однако недостатком такого гидроциклона является большое количество сбросного расхода, в основном поступающего из напорной ветви в гидроэлеватор, что обусловлено низким КПД гидроэлеватора.

Задачей создания изобретения было повышение качества товарного продукта и производительности гидроциклона.

Задача решается гидроциклоном, содержащим цилиндроконический корпус, питающий патрубок, песковую насадку, сливной патрубок с источником отсоса в виде сливной ветви, в котором на песковую насадку по касательной установлен гидроэлеватор, выполненный в виде регулируемого струйного многощелевого насоса, сопло которого образовано концентрично размещенными неподвижной и поворотной группами сопрягаемых полуколец-втулок, причем поворотная группа соединена кинематически с вакуумным цилиндром, сообщенным с полостью гидроциклона.

Технический результат предлагаемого гидроциклона состоит в следующем. Во-первых, установка по касательной на песковую насадку гидроэлеватора в виде регулируемого многощелевого струйного насоса позволяет исключить подсасывание из атмосферы в полость гидроциклона воздуха, т.е. обеспечить его работоспособность при большом понижении сливного трубопровода. Во-вторых, регулируемый многощелевой струйный насос позволяет транспортировать сгущенный продукт по трубопроводу на требуемую дальность и производить дополнительный отмыв пылеватых частиц из товарного продукта на карте. В-третьих, предлагаемая конструкция регулируемого многощелевого струйного насоса позволяет обеспечивать требуемое соотношение интенсивностей сливного и пескового потоков при различной степени разрежения внутри гидроциклона, величина которого определяется перепадом высот сливного трубопровода. Регулировка гидроэлеватора происходит от величины вакуума на выходе питающего трубопровода, которая по вакуумному трубопроводу передается на вакуумную камеру, приводящую в действие вал поворотной группы полуколец-втулок. При отсутствии вакуума поворотные и неподвижные полукольца-втулки совмещены и из многощелевого сопла гидроэлеватора выходит монолитная струя, эжектирующая присоединенный расход q₁, достаточный для транспортирования товарного продукта по трубопроводу и отмыва из него пылеватых глинистых частиц на карте.

При размещении гидроциклона на возвышенности сливная ветвь создает разрежение, воздействующее через вакуумный трубопровод, вакуумную камеру, рычаг на группу поворотных полуколец-втулок, поворачивая их и выводя из сопряжения с неподвижными. В этом случае образуются кольцевые струи, имеющие большую поверхность, чем монолитная, в результате чего при той же площади поперечного сечения, том же расходе подводимой жидкости увеличивается присоединенный расход - q₂>q₁ и заданный баланс интенсивностей сливного и пескового потоков восстанавливается. Аналогично стабилизируется процесс и при переменных параметрах входного потока.

Обеспечение возможности, с помощью предлагаемого гидроэлеватора, работы гидроциклона при обширном диапазоне длин сливной ветви позволяет:

- вести рабочий процесс при больших перепадах давления на входе, что снижает взаимный просор гранулометрического состава в районе граничного зерна и повышает производительность гидроциклона;

- при необходимости установки гидроциклона на возвышенности отпадает проблема переходить на более мощный земснаряд, следует только отрегулировать относительно дешевую и высокоэкономичную насосную станцию. Следовательно, расширяются возможности использования малых земснарядов;

- независимо от геодезических условий питающий (например, грунтовый насос земснаряда) насос работает в стабильных условиях, на своем оптимальном режиме.

Авторам-заявителям не известен гидроциклон, содержащий заявляемую совокупность существенных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критериям патентоспособности: новизна и изобретательский уровень.

Предлагаемый гидроциклон поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлена схема гидроциклона (общий вид);

на фиг.2, 3 - вертикальный разрез гидроэлеватора по А - А (на фиг.1);

на фиг.4 - горизонтальный разрез гидроэлеватора по Б - Б (на фиг.1);

на фиг.5 - диаграмма пьезометрической составляющей пульпопровода земснаряда с гидроциклоном;

на фиг.6, 7 - технологическая схема использования земснаряда с гидроциклоном при добыче песка.

Гидроциклон содержит входной питающий тангенциальный патрубок 1, цилиндроконический корпус 2, песковый (шламовый) 3 и промежуточный сливной 4 патрубки, сливную камеру 5, сливной тангенциальный патрубок 6, продолжающийся сливным трубопроводом 7 (сливной ветвью). На песковом патрубке 3 по касательной установлен гидроэлеватор 8, работающий от насоса 9 на чистой воде 10, а к входному патрубку 1 присоединен напорный пульпопровод 11 с грунтовым насосом 12, например, от земснаряда 13.

Гидроэлеватор 8 гидроциклона выполнен в виде струйного многощелевого насоса и состоит из корпуса 14, регулируемого активного сопла, образованного концентрично размещенными неподвижной 15 и поворотной 16 группами сопрягаемых полуколец-втулок. Каждая группа полуколец-втулок 15, 16 может включать по меньшей мере пару составляющих полуколец-втулок. Полукольца-втулки неподвижной группы 15 закреплены на внутренней поверхности корпуса 14, а полукольца-втулки поворотной группы 16 посредством кронштейна соединены кинематически через вал 17 и рычаг 18 со штоком 19 вакуумной камеры 20, соединенной вакуумным трубопроводом 21 с входным тангенциальным патрубком гидроциклона 1. Шток 19 вакуумной камеры 20 снабжен возвратной пружиной 22.

Работа предлагаемого гидроциклона поясняется следующим примером. Исходная водо-глино-песчаная смесь подается грунтовым насосом 12 земснаряда 13 по напорному пульпопроводу 11 через тангенциальный питающий входной патрубок 1 под давлением Р₁ в цилиндроконический корпус 2. Товарный продукт, песок, за счет центробежных сил отбрасывается к стенкам гидроциклона и в нисходящем потоке уходит вместе с небольшой частью жидкости и пылеватых примесей в песковый (шламовый) патрубок 3 и далее в корпус 14 гидроэлеватора 8. Основная часть освобожденной от песка жидкости с примесью пылеватых частиц, продолжая вращаться, образует восходящий поток, направляется через промежуточный сливной патрубок 4 в сливную камеру 5, а затем отсасывается через тангенциальный сливной патрубок 6 и далее сливной трубопровод (сливную ветвь) либо под уровень жидкости водоема (фиг.5), либо через U-образный гидрозатвор (не обозначен на фиг.1) на специализированную карту хвостов.

При этом сливной патрубок 6 с трубопроводом 7 могут создавать в корпусе гидроциклона вакуумметрическое давление Р₂=Р_вак, величина которого максимальна на выходе входного тангенциального патрубка 1 (фиг.4). Это обстоятельство для обеспечения процесса разгрузки товарного продукта при противодавлении вынуждает вводить в действие гидроэлеватор 8 путем включения насоса 9, работающего на чистой воде 10. Струя от насоса 9 через отверстие, образованное совмещенными неподвижной 15 и поворотной 16 группами полуколец-втулок, попадает тангенциально в камеру смешения и увлекает часть вращающегося в корпусе потока водно-песковой смеси в карту отстойник (фиг.5), где частицы песка дополнительно отмываются этой же водой от глинистого компонента, который уносится с ней в нижнюю часть отстойника.

Однако в процессе работы высота отвала увеличивается, что приводит к необходимости переустановки гидроциклона на большую высоту, следовательно, к увеличению вакуумметрического давления, и что требует изменения показателей работы струйного насоса. В этом случае изменившаяся величина вакуума из входного тангенциального патрубка 1 по вакуумному трубопроводу 21 передается на вакуумную камеру 20 и, преодолевая усилие пружины 22, втягивает шток 19 в корпус камеры 20. При этом через кинематическую связь шток 19 - рычаг 18 - вал 17 происходит проворот поворотной группы 16 полуколец-втулок относительно концентричной неподвижной группы 15, что обеспечивает образование кольцевых щелей. Площадь сечения потока не меняется и насос 9 продолжает работать на своем все том же оптимальном режиме. Для отмыва частиц глины - воды этого достаточно, а поверхность образовавшихся концентричных кольцевых струй возрастает многократно, что повышает эжектирующую способность того же струйного насоса и приводит баланс интенсивностей сливного и пескового потоков к требуемому показателю.

Предлагаемый гидроциклон прост по конструкции, удобен в эксплуатации, обладает высокой эффективностью и гибкостью в управлении, обеспечивает снижение затрат, связанных с получением товарного продукта, что позволяет сделать вывод о соответствии его критерию патентоспособности - промышленная применимость. Гидроциклон может быть использован в химической, горно-обогатительной, строительной промышленностях, в водоснабжении и других отраслях хозяйствования, где требуется перекачка различных сред.

Описанный в данных материалах гидроциклон не требует при изготовлении специальных дорогостоящих материалов и сложного оборудования.

Изобретение предназначено для разделения неоднородных жидких сред, может найти применение преимущественно при разделении суспензий и эмульсий в поле центробежных сил в строительной, горно-обогатительной промышленностях, а также при углублении русел рек и при очистке водоемов. Гидроциклон содержит цилиндроконический корпус, питающий патрубок, песковую насадку с гидроэлеватором, сливной патрубок с источником отсоса в виде сливной ветви. Гидроэлеватор выполнен в виде регулируемого струйного многощелевого насоса, сопло которого образовано концентрично размещенными неподвижной и поворотной группами сопрягаемых полуколец-втулок, причем поворотная группа соединена кинематически с вакуумным цилиндром, сообщенным с полостью гидроциклона. Технический результат: повышение качества товарного продукта и производительности гидроциклона. 7 ил.

Гидроциклон, содержащий цилиндроконический корпус, питающий патрубок, песковую насадку с гидроэлеватором, сливной патрубок с источником отсоса в виде сливной ветви, отличающийся тем, что гидроэлеватор выполнен в виде регулируемого струйного многощелевого насоса, сопло которого образовано концентрично размещенными неподвижной и поворотной группами сопрягаемых полуколец-втулок, причем поворотная группа соединена кинематически с вакуумным цилиндром, сообщенным с полостью гидроциклона.