PL B1. INSTYTUT METALI NIEŻELAZNYCH W GLIWICACH, Gliwice, PL

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. B04C 5/08 ( ) B04C 5/14 ( ) B03B 5/34 ( ) (54) Hydrocyklon (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT METALI NIEŻELAZNYCH W GLIWICACH, Gliwice, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 04/17 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 09/17 (72) Twórca(y) wynalazku: ZBIGNIEW MYCZKOWSKI, Gliwice, PL EDWARD SZCZERBA, Gliwice, PL KRZYSZTOF SZCZEPANIAK, Pilchowice, PL WALDEMAR TOMAKA, Gliwice, PL TOMASZ ZACHARIASZ, Gliwice, PL TOMASZ CHORĄŻY, Gliwice, PL MICHAŁ WOCH, Gliwice, PL ANDRZEJ WIENIEWSKI, Szłasza, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Magdalena Filipek-Marzec

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest hydrocyklon z autonomicznym systemem stabilizacji pracy. Znane są różne konstrukcje hydrocyklonów pokazane na rysunkach Fig. 1 i Fig. 2, używane do klasyfikacji ziarn, zagęszczania zawiesin a także wzbogacania drobnoziarnistej rudy w cieczy ciężkiej zawiesinowej, w przemyśle górniczym, a także w przemyśle chemicznym, papierniczym, ceramicznych, a także w technice wiertniczej do regeneracji płuczki.

3 PL B1 3 Pierwsze przemysłowe zastosowanie hydrocyklonu miało miejsce w 1939 roku dla wzbogacania węgla kamiennego w Holandii (M.G. Driessen Cleaning of Coal by heavy Liguids J. Institute of Fuel, august, 1939, pp ). Hydrocyklon jest prostym, o zwartej budowie urządzeniem, charakteryzującym się dużą wydajnością. Składa się z części cylindrycznej w której znajduje się dysza wlotowa pulpy, zorientowana w taki sposób aby pulpa wpływała stycznie do wewnętrznej powierzchni części cylindrycznej. Część cylindryczna zamknięta jest od góry płaską dennicą, w której koncentrycznie i prostopadle osadzona jest rura przelewowa. Część cylindryczna połączona jest sztywno z częścią stożkową o kącie wierzchołkowym, zakończoną otworem wylewowym (dyszą wylewową).

4 4 PL B1 W hydrocyklonie następuje proces klasyfikacji ziarn w polu grawitacyjnym wywołanym wymuszonym ruchem wirowym pulpy będącej zawiesiną bardzo drobnych lub drobnych ziarn mineralnych w wodzie. Zasadę działania pokazano na rysunku Fig. 3. Pulpa, poddawana klasyfikacji lub wzbogacaniu, wtłaczana jest pod ciśnieniem poprzez dyszę 2, usytuowaną stycznie do części cylindrycznej hydrocyklonu, zamkniętej od góry płaską pokrywą. W części cylindrycznej pulpa ulega zawirowaniu i ruchem wirowym spływa do części stożkowej 1, o kącie wierzchołkowy, gdzie zachodzi proces klasyfikacji. Ziarna grube lub o większym ciężarze właściwy wypływają przez otwór wylewowy 3. Natomiast ziarna drobne lub lżejsze wypływają poprzez otwór przelewowy 4. Na ziarna w hydrocyklonie działa odśrodkowa siła bezwładności, która powstaje w wyniku wirowania pulpy. Pod wpływem działanie tej siły ziarna grube lub cięższe odrzucane są w kieru n- ku powierzchni wewnętrznej części stożkowej 1 i ruchem wirowym spływają w kierunku otworu wylewowego 3. W wyniku ruchu wirowego pulpy, w hydrocyklonie powstają dwie wirujące strugi: jedna zewnętrzna przemieszcza się wzdłuż powierzchni wewnętrznej części stożkowej 1 w kierunku otworu wylewowego 3, druga wewnętrzna cylindryczna, ukierunkowana w górę wzdłuż osi pionowej hydrocyklonu, w kierunku otworu przelewowego 4. W pobliżu osi pionowej hydrocyklonu odśrodkowa siła bezwładności jest tak duża, że następuje przerwanie ciągłości pulpy, a wokół pionowej osi tworzy się powietrzny słup. Dobór hydrocyklonu dla danej wydajności oraz właściwości fizycznych pulpy odbywa się według określonych zasad, a ostateczne cechy konstrukcyjne hydrocyklonu oraz parametry eksploatacyjne ustalane są w testach prowadzonych w rzeczywistych warunkach eksploatacji hydrocyklonu. W ten sposób dla danego składu ziarnowego nadawy do hydrocyklonu, koncentracji części stałych w nadawie oraz wymaganej wydajności, zostają ustalone optymalne wymiary dyszy dolotowej oraz ciśnienie pulpy przed dyszą dolotową oraz wymiary otworów przelewowego i wylewowego, zapewniające właściwy przebieg procesu klasyfikacji lub wzbogacania, mierzonych wielkością ziarna podziałowego lub uzyskiem ziarn ciężkich w wylewie lub ziarn lekkich w przelewie.

5 PL B1 5 W rzeczywistych warunkach pracy hydrocyklonu obciążenie hydrocyklonu oraz koncentracja części stałych w nadawie do hydrocyklonu ulegają istotnym wahaniom. Istnieją wprawdzie proste systemy stabilizacji gęstości pulpy poprzez kontrolowane dolewanie wody; natomiast systemy zagęszczania pulpy nie są stosowane, jednak systemy te są wtórnym źródłem wahań stałości obciążenia hydrocyklonu. Stosowane powszechnie hydrocyklony są urządzeniami sztywnymi, w których nie można płynnie dostosować wielkości przekroju czynnego dyszy dolotowej do zmieniającego się obciążenia, w wyniku czego mamy do czynienia z wahaniami prędkości dolotowej pulpy, w konsekwencji czego parametry pola sił bezwładnościowych grawitacyjnych wewnątrz części stożkowej hydrocyklonu również ulegają wahaniom, a proces klasyfikacji lub wzbogacania, jest niestabilny i wpływa negatywnie na efektywność wzbogacania lub innego procesu technologicznego, w którym sprawność klasyfikacji ziarn ma istotne znaczenie. Znane są próby stabilizacji parametrów pracy hydrocyklonu poprzez dostosowanie wielkości przekroju czynnego otworu wylewowego w funkcji wielkości podciśnienia w rurze przelewowej lub dławienie przelewu hydrocyklonu również w funkcji wartości podciśnienia w rurze przelewowej 1), jednak nie znalazły one zastosowania w warunkach przemysłowych. Próbowano również śledzić kształt rdzenia powietrznego w przelewie 2) wykorzystując do tego celu pomiary impedancji elektrycznej 3) lub pomiary konduktometryczne 4), a także czujniki ultradźwiękowe 5). Próbowano również stabilizować prace hydrocyklonu poprzez kontrolę koncentracji części stałych w wylewie hydrocyklon 6), kontrolę składu ziarnowego wylewu hydrocyklonu 7), a także poprzez pomiary akustyczne pracującego hydrocyklonu 8),9). Podejmowane również były próby kontroli pracy hydrocyklonu poprzez obserwacje kształtu wylewu hydrocyklonu. W rozwiązaniach przemysłowych problem stabilizacji parametrów pracy hydrocyklonu na optymalnym poziomie, w warunkach niestabilnego obciążenia hydrocyklonu, rozwiązano łącząc kilka hydrocyklonów w baterię. W baterii kilka hydrocyklonów zasilanych jest z wspólnego kolektora. Zmiana obciążenia baterii powoduje wyłączenie jednego z hydrocyklonów w przypadku spadku obciążenia, lub uruchomienie wyłączonego hydrocyklonu w przypadku wzrostu obciążenia. W konsekwencji tego warunki pracy hydrocyklonu oscylują wokół wartości optymalnej. Im większa liczba hydrocyklonów w baterii, tym średnia wartość parametrów pracy hydrocyklonu, a w szczególności wartość ciśnienia dopływu pulpy do hydrocyklony, bardziej zbliżona jest do wartości optymalnej. Wzrost liczby hydrocyklonów w baterii może powodować wzrost kosztów klasyfikacji. Jednak stosowanie baterii hydrocyklonowych nie jest rozwiązaniem w pełni zadawalającym. Problem zapewnienia optymalnych warunków klasyfikacji niezależnie od wahań obciążenia może zapewnić hydrocyklon z autonomicznym systemem stabilizacji warunków pracy, który jest przedmiotem wynalazku. Przedmiot wynalazku pokazano na przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 4 przedstawia przekrój pionowy hydrocyklonu, a Fig. 5 przekrój poziomy. Hydrocyklon składa się z nieruchomej części cylindrycznej 1 do której wbudowana jest stała dysza dolotowa pulpy 2. Część cylindryczna zamknięta jest płaską dennicą 3, do której mocowana jest rura przelewowa 4. Część cylindryczna połączona jest suwliwie z częścią stożkową 5 w kształcie odwróconego stożka, o kącie wierzchołkowym, w sposób pozwalający na swobodny obrót części stożkowej względem nieruchomej części cylindrycznej, wokół wspólnej dla obu części osi pionowej, w płaszczyźnie przylegania obu części. Podstawa duża części stożkowej 5, stykającej się z częścią cylindryczną 1, zakończona jest elementem cylindrycznym 6, stanowiącym jedną całość z częścią stożkową. Płaszczyzna pobocznicy elementu cylindrycznego 6 posiada tą samą krzywiznę co płaszczyzna wewnętrzna części cylindrycznej 1. Element cylindryczny 6 przylega do płaszczyzny wewnętrznej części cylindrycznej 1 w sposób pozwalający na wzajemne przesuwanie się tych płaszczyzn. W pobocznicy elementu cylindrycznego 6 wycięty jest otwór, którego kształt i wymiary są takie same jak otworu stałej dyszy dolotowej 2, odwzorowanego na płaszczyźnie wewnętrznej części cylindryczne 1. Część stożkowa 5 zakończona jest u dołu otworem wylewowym 7. Część cylindryczna hydrocyklonu osadzona jest sztywno w ramie nośnej hydrocyklonu 8. Do ramy nośnej hydrocyklonu mocowane są siłowniki 9, których końce ruchome połączone są z częścią stożkową w okolicy kołnierza. Oba siłowniki, tworząc parę sił, wymuszają obrót części stożkowej wokół osi pionowej o kąt. Na króćcu dolotowym pulpy do dyszy stałej hydrocyklonu mocowany jest czujnik ciśnienia 10.

6 6 PL B1 P r z y k ł a d Dla średniego przepływu pulpy Q1 i ciśnienia P1 wyliczono wartość powierzchni przekroju czynnego S1 stałej dyszy dolotowej. W hydrocyklonie zainstalowanym w miejscu użytkowania wykonano stałą dyszę dolotową o powierzchni czynnej S, większej o 15% w stosunku do wartości wyliczonej S1. Z chwilą dopływu nadawy w ilości nominalnej Q, siłowniki 9 spowodują obrót części stożkowej w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, co spowoduje częściowe zmniejszenie się powierzchni czynnej dyszy dolotowej w wyniku wzajemnego nasuwania się otworu dyszy dolotowej 2 i otworu w elemencie cylindrycznym 6, do pozycji w której ciśnienie pulpy P osiągnie wartość zadaną P1. Spadek obciążenia hydrocyklonu wywołuje proporcjonalne zmniejszenie się ciśnienia w dyszy dolotowej w wyniku czego, system stabilizujący pracę hydrocyklonu uruchamia siłowniki, które obracając zgodnie z ruchem wskazówek zegara część stożkową 5 powodując dalsze zmniejszenie się powierzchni czynnej dopływu pulpy, efektem czego jest wzrost ciśnienia pulpy do wartości zadanej P1. W podobny sposób przebiega stabilizacja wartości ciśnienia pulpy w przypadku wzrostu obciążenia hydrocyklonu z tym, że towarzyszy mu powiększenie powierzchni czynnej otworu przez który pulpa dopływa do części cylindrycznej hydrocyklonu, poprze obrót części stożkowej 5 w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Zastrzeżenia patentowe 1. Hydrocyklon składający się z części cylindrycznej, zamkniętej w górnej płaszczyźnie płaską dennicą, przez którą przechodzi rura przelewowa, której dolny otwór znajduje w dowolnej odległości od górnej krawędzi części cylindrycznej, do której stycznie lub spiralnie, poprzez dyszę wlotową o dowolnym kształcie przekroju poprzecznego, doprowadzana jest pod ciśnieniem nadawa, połączonej z częścią stożkową w postaci odwróconego do góry większą podstawą stożka, zakończonego w części wierzchołkowej otworem wylewowym, znamienny tym, że część stożkowa hydrocyklonu jest ruchoma względem części cylindrycznej hydrocyklonu i może obracać się swobodnie wokół wspólnej osi pionowej części cylindrycznej i stożkowej. 2. Hydrocyklon według zastrz. 1, znamienny tym, że ruchoma część stożkowa hydrocyklonu, od strony podstawy, zakończona jest końcówką cylindryczną, której wysokość równa jest odległości pomiędzy płaszczyzną dolnej krawędzi części cylindrycznej hydrocyklonu a wewnętrzną płaszczyzną płaskiej dennicy części cylindrycznej hydrocyklonu. 3. Hydrocyklon według zastrz. 2, znamienny tym, że krzywizna zewnętrznej płaszczyzny cylindrycznej końcówki części stożkowej równa jest krzywiźnie wewnętrznej płaszczyzny części cylindrycznej hydrocyklonu. 4. Hydrocyklon według zastrz. 2, znamienny tym, że w pobocznicy cylindrycznej końcówki wycięty jest otwór o takim samym kształcie i wymiarach jak otwór stałej dyszy wlotowej nadawy odwzorowany na płaszczyźnie wewnętrznej części cylindrycznej hydrocyklonu.

7 PL B1 7 Rysunki Fig. 4

8 8 PL B1 Fig. 5 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)