ТРЁХПРОДУКТОВЫЙ ГИДРОЦИКЛОН Российский патент 2023 года по МПК B04C5/12 

Изобретение относится к устройствам для очистки шламовых шахтных сточных вод и может быть использовано для очистки вод шламовых отстойников обогатительных фабрик.

Известен трехпродуктовый гидроциклон (А.С. 476033, опубл. 05.07.1975, Бюл. 25), состоящий из цилиндрического корпуса, входного патрубка для подачи исходной смеси, сливного патрубка для выпуска осветленного продукта. К верхней части корпуса примыкает цилиндрическая камера дополнительной очистки с выпускным патрубком.

Недостатком гидроциклона является невозможность выпуска через выпускной патрубок смеси воды и мелких частиц (0,5 мм) горной породы, так как их смесь имеет плотность больше плотности воды, а данный гидроциклон предназначен для отделения более легкой фракции (масла) от воды.

Наиболее близким по технической сущности является трехпродуктовый гидроциклон (Пат. 1773495, А1. Опубл. 1992.11.07), включающий цилиндроконический корпус, тангенциальный входной патрубок подачи исходной смеси, диафрагмы с укреплённым в ней вертикальным патрубком выпуска смеси. К верхней части корпуса примыкает цилиндрическая камера дополнительной очистки с двумя выпускными патрубками для выпуска, соответственно, промежуточного продукта и верхнего продукта.

Недостатком гидроциклона является возможность попадания частиц, прошедших через выпускной вертикальный патрубок в патрубки промежуточного и верхнего продукта. При этом попадание частиц крупностью 0,1-0,5 мм в патрубок верхнего продукта приведет к повышенному износу лопаток подающего шламового насоса. Для предотвращения этого необходимо в подземное шламохранилище подавать 30 м³/сутки чистой воды (для условий Гайского ГОКа), что является существенным отрицательным фактором для окружающей среды и дополнительными затратами энергии.

Целью предложенного технического решения является повышение эффективности очистки шахтных вод, экономии воды за счет увеличения возврата очищенной воды в зумпф, т.е. оборотного водоснабжения и уменьшения износа лопаток ротора перекачивающего насоса.

Поставленная цель достигается тем, что в известном трехпродуктовом гидроциклоне, включающем цилиндроконический корпус 1 с тангенциальным питающим патрубком 2, нижний разгрузочный патрубок 3, вертикальный сливной патрубок 4, камеру дополнительной очистки 5 с размещенными в ней сливным патрубком 6 для слива промежуточного продукта и верхнего патрубка 7 для слива осветленной воды, камера дополнительной очистки выполнена в виде усеченного конуса с большим основанием в верхней части, а разность высот между верхним патрубком 7 (Н₃), сливным патрубком 6 (Н₂) и питающим патрубком 2, диаметром патрубка 4 (d_п), разгрузочным патрубком 3 (Н₁) и патрубком 6, производительностью по питанию (Q₀), площадью питающего патрубка (S₀), максимальным диаметром частиц шлама (d₂), удаляемого через сливной патрубок, плотностью твердых частиц (ρ_т) и воды (ρ_в), коэффициентом обтекаемости (с) и диаметром циклона (D) связаны зависимостями:

Н₃+ Н₂ + Н₁ = 0,5(Q₀ /S₀)²/g (1)

где Н₃ - разность высот между верхним и сливным патрубком, м;

Н₂ - разность высот между сливным и питающим патрубком, м;

Н₁ - разность высот между питающим и песковым патрубком, м;

Q₀ - производительность по питанию, м³/с;

S₀ - площадь питающего патрубка, м²;

g - ускорение свободного падения, м/с².

Н₃ = (2d₂*с * ρ_т) (3ρ_в)^-1 (2)

где d₂ - максимальный диаметр частиц шлама, м;

с - коэффициент обтекаемости;

ρ_т - плотность частиц, кг/м³;

ρ_в - плотность воды, кг/м³.

Н₁ = 5D (3)

где D - диаметр циклона, м.

2Кd₂ ρ_т g(3ρ_в)^-1 = [4Q₀(π d_п²)^-1]² (4)

где К - коэффициент запаса, равный 1,21;

d₂ - максимальный диаметр частиц шлама, удаляемого через сливной патрубок, м;

d_п - диаметр вертикального сливного патрубка, м.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства.

Трехпродуктовый гидроциклон состоит из цилиндроконического корпуса 1, тангенциального питающего патрубка 2 подачи исходной смеси, закрепленного в цилиндрической части цилиндроконического корпуса 1. В верхней торцевой части цилиндроконического корпуса 1 закреплен вертикальный сливной патрубок 4, камера дополнительной очистки 5 с размещенными в ней сливным патрубком 6 для слива промежуточного продукта и верхнего патрубка 7 для слива осветленной воды. В нижней части цилиндроконического корпуса 1 закреплен нижний разгрузочный патрубок 3. Камера дополнительной очистки 5 выполнена в виде конуса, жестко закрепленного в сливном патрубке 4 и расширяющегося от патрубка 4 к патрубку 7.

Устройство работает следующим образом.

Исходное питание - загрязненная шламом вода по тангенциальному питающему патрубку 2 подается в цилиндроконический корпус 1. Крупные частицы (0,5 – 5 мм) за счет центробежной силы прижимаются к стенкам цилиндроконического корпуса 1 и за счет силы трения теряют скорость, опускаются вниз и через нижний разгрузочный патрубок 3 попадают в нижний сборник (на чертеже не показан). Как показывает практика, для обеспечения улавливания крупных частиц высота цилиндроконического корпуса 1 должна быть равна Н₁ = 5D. Менее крупные частицы (0,1 мм) не достигают стенки цилиндроконического корпуса 1 и восходящим потоком воды попадают в вертикальный сливной патрубок 4, а затем в камеру дополнительной очистки 5 и через сливной патрубок 6 удаляются и попадают в нижний сборник. При этом величина напора на сливном патрубке определяется формулой (2), что обеспечит прекращение подъема частиц крупностью (d₂) и удаление их через сливной патрубок 6. Частицы, диаметром меньше 0,2мм поднимаются выше и попадают вместе с водой в верхний патрубок 7 и затем возвращаются в исходное питание. Частицы шлама крупностью более 0,2 мм не могут попасть в верхний патрубок 7, так как скорость их падения в воде больше, чем вертикальная скорость движения воды на уровне верхнего патрубка (камера дополнительной очистки 5 выполнена в виде конуса и скорость потока воды уменьшается с увеличением высоты). Установлено, что частицы крупностью 0,2 мм не оказывают существенного влияния на износ лопаток шламового насоса. Для обеспечения необходимого расхода через верхний патрубок 7 динамическое давление на выходе тангенциального питающего патрубка определяется формулой (1). Для обеспечения скорости витания в жидкости частиц крупностью d₂ = 0,2 мм на уровне сливного патрубка 6 должно выполняться условие (4).

Пример расчёта трёх продуктового гидроциклона фиг. 1

По горизонтали max крупности твердых частиц, уходящих в верхний слив находится их скорость падения в воде:

где: ρ_м и ρ_в - соответственные плоскости материала и воды, КГ/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

d - max диаметр частиц в очищенной воде, м.

Следовательно, на верхнем уровне среднего сливного патрубка вертикальная составляющая скорости пульпы не должна быть больше (- коэффициент занафа, равный 1,1):

Расход пульпы через песковую насадку:

где: S1- площадь сечения песковой насадки ().

Расход пульпы через среднюю насадку (патрубок):

где S2 - площадь среднего патрубка ()

Вертикальная составляющая скорости на уровне верхней части среднего патрубка определяется из уравнения неразрывности патока:

где: Д₂ - диаметр циклона на уровне верхней части патрубка, м.

Из уравнения находится Д_2:

Принимаем Д₂ = 1060 мм.

Фактическая скорость пульпы в заданном сечении:

Следовательно, частицы крупностью больше 0,2 мм не смогут подниматься выше этого уровня.

Относительная экономия воды за счет применения циклона:

Таким образом, использование изобретения позволит применять гидроциклон для очистки многофазных жидкостей, содержащих грубо- диспергированные примеси, отличные по удельному весу как в большую, так и в меньшую стороны от удельного веса обрабатываемой жидкости. По сравнению с прототипом предлагаемый гидроциклон имеет следующие преимущества: возможность получения требуемой степени очистки путем сгущения фракции, не изменяя живого сечения сливной трубы, и не влияет на режим работы гидроциклона. Удаления шламов из жидкостей обеспечивает их осветление и в дальнейшем позволяет снизить абразивный износ насосов при перекачке жидкостей на поверхность горных выработок, а также использовать осветленные воды для повторного использования для задач горного предприятия.

Изобретение относится к устройствам для очистки шламовых шахтных сточных вод и может быть использовано для очистки вод шламовых отстойников обогатительных фабрик. Трехпродуктовый гидроциклон обеспечивает повышение эффективности очистки загрязненной воды, экономии воды за счет увеличения возврата очищенной воды в зумпф, т.е. оборотного водоснабжения и уменьшения износа лопаток ротора перекачивающего насоса. Камера дополнительной очистки выполнена в виде усеченного конуса с большим основанием в верхней части, а разности высот между верхним патрубком 7 (Н₃), сливным патрубком 6 (Н₂) и питающим патрубком 2, диаметром патрубка 4 (d_п), разгрузочным патрубком 3 (Н₁) и патрубком 6, производительностью по питанию (Q₀), площадью питающего патрубка (S₀), максимальным диаметром частиц шлама (d₂), удаляемого через сливной патрубок, плотностью твердых частиц (ρ_т) и воды (ρ_в), коэффициентом обтекаемости (с) и диаметром циклона (D) связана зависимостями:

Н₃+ Н₂ = 0,5(Q₀ /S₀)²/g (1)

Н₃ = (2d₂*с * ρ_т) (3ρ_в)^-1 (2)

Н₁ = 5*D (3)

2Кd₂ ρ_т g(3ρ_в)^-1 = [4Q₀(π d_п²)^-2]² (4)

где g - ускорение свободного падения, К - коэффициент запаса, равный 1,21.

1 ил.

Трехпродуктовый гидроциклон, включающий цилиндроконический корпус 1 с тангенциальным питающим патрубком 2, нижний разгрузочный патрубок 3, вертикальный сливной патрубок 4, камеру дополнительной очистки 5 с размещенными в ней сливным патрубком 6 для слива промежуточного продукта и верхнего патрубка 7 для слива осветленной воды, отличающийся тем, что камера дополнительной очистки выполнена в виде усеченного конуса с большим основанием в верхней части, а разности высот между верхним патрубком 7 (Н₃), сливным патрубком 6 (Н₂) и питающим патрубком 2, диаметром патрубка 4 (d_п), разгрузочным патрубком 3 (Н₁) и патрубком 6, производительностью по питанию (Q₀), площадью питающего патрубка (S₀), максимальным диаметром частиц шлама (d₂), удаляемого через сливной патрубок, плотностью твердых частиц (ρ_т) и воды (ρ_в), коэффициентом обтекаемости (с) и диаметром циклона (D) связаны зависимостями:

Н₃+ Н₂ + Н₁ = 0,5(Q₀ /S₀)²/g (1)

где Н₃ - разность высот между верхним и сливным патрубком, м;

Н₂ - разность высот между сливным и питающим патрубком, м;

Н₁ - разность высот между питающим и песковым патрубком, м;

Q₀ - производительность по питанию, м³/с;

S₀ - площадь питающего патрубка, м²;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

Н₃ = (2d₂*с * ρ_т) (3ρ_в)^-1 (2)

где d₂ - максимальный диаметр частиц шлама, м;

с - коэффициент обтекаемости;

ρ_т - плотность частиц, кг/м³;

ρ_в - плотность воды, кг/м³;

Н₁ = 5D (3)

где D - диаметр циклона, м;

2Кd₂ ρ_т g(3ρ_в)^-1 = [4Q₀(π d_п²)^-1]² (4)

где К - коэффициент запаса, равный 1,21;

d₂ - максимальный диаметр частиц шлама, удаляемого через сливной патрубок, м;

d_п - диаметр вертикального сливного патрубка, м.