гидроциклон

Формула изобретения

Гидроциклон, включающий цилиндроконический корпус, питающий патрубок, сливной патрубок с отбойниками на его поверхности, песковую насадку, отличающийся тем, что отбойники установлены на внутренней поверхности сливного патрубка и выполнены в виде верхней и нижней укороченных эпициклоид относительно входа в сливной патрубок и в сечении, перпендикулярном оси гидроциклона, при этом общая высота укороченных эпициклоид не превышает двух диаметров цилиндрической части сливного патрубка, а высота нижней укороченной эпициклоиды не превышает трети диаметра цилиндрической части сливного патрубка, в свою очередь, у верхней укороченной эпициклоиды неподвижная окружность равна диаметру цилиндрической части сливного патрубка, а у нижней укороченной эпициклоиды - диаметру описанной окружности верхней укороченной эпициклоиды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых, а именно к разделению материалов по крупности и плотности в центробежном поле, и может быть использовано на горнодобывающих, угле- и рудоперерабатывающих предприятиях и других отраслях промышленности.

Известен гидроциклон, содержащий цилиндроконический корпус с питающим патрубком, песковой насадкой и сливным патрубком с зубчатыми гибкими элементами на его нижнем конце, при этом зубчатые элементы выполнены в виде заостренных стержней или прямоугольных пластин, изогнутых в форме пропеллера (а.с. СССР N 1047521, B 04 C 5/13, 1982 г.).

Недостатком этого устройства является низкая эффективность разделения материала по крупности и плотности, обусловленная тем, что гидроциклон со сливным патрубком известной конструкции не обеспечивает стабильной работы аппарата. При разделении сравнительно плотных суспензий или большой нагрузке на гидроциклон зубчатые гибкие элементы могут периодически перекрывать отверстие сливного патрубка. Перекрытие отверстия патрубка может также происходить при кратковременном изменении давления питания и его качественно- количественной характеристики из-за прерывистого режима работы подающего насоса.

Отношение диаметров пескового и сливного отверстий (разгрузочное отношение) является основным регулирующим параметром при работе гидроциклона. Изменение разгрузочного отношения существенно влияет на все показатели работы гидроциклонов и прежде всего на перераспределение объемов песков и слива, а также на засорение продуктов разделения. Поэтому периодическое изменение диаметра сливного отверстия, а следовательно, разгрузочного отношения значительно снижает эффективность разделения материала.

Сравнительно небольшой износ зубчатых элементов сливного патрубка, который увеличивает их гибкость, вызывает крупномасштабные пульсации суспензии на входе в сливной патрубок и вокруг зубчатых элементов, что также уменьшает эффективность разделения материалов по крупности и плотности.

Известен гидроциклон, включающий цилиндроконический корпус, спиральный питающий патрубок, песковую насадку и сливной патрубок, снабженный расположенными на его наружной поверхности отбойниками, выполненными в виде криволинейных профилей переменного сечения, выпуклая поверхность которых обращена к цилиндрической части корпуса гидроциклона (а.с. СССР N 971469, B 03 B 5/34, 1982 г.).

Недостатком данного устройства является то, что не обеспечивается эффективная перечистка продуктов разделения. Это обусловлено тем, что у входа в сливной патрубок происходит взаимная деформация потоков: движущегося сверху по наружной поверхности сливного патрубка и поступающего снизу из конической части корпуса гидроциклона. Наличие отбойников интенсифицирует взаимную деформацию потоков за счет сужения рабочего пространства в цилиндрической части у наружной стенки сливного патрубка. В результате усиливается действие различных факторов, влияние которых предопределяет характер и эффективность разделения. К числу таких факторов относятся механическое взаимодействие частиц между собой и со стенками сливного патрубка и отбойников, наличие в потоках локальных неравномерностей и турбулентных вихрей, неравномерность полей концентраций, образование конгломератов частиц.

Кроме того, форма отбойников, выполненных в виде криволинейных профилей переменного сечения, способствует относительно резкому периодическому возмущению потока частиц, движущегося по цилиндрической стенке корпуса к песковой насадке гидроциклона, что создает условия для перемешивания уже разделившихся частиц. Небольшая площадь торцевых поверхностей отбойников не позволяет эффективно направить к песковой насадке гидроциклона частицы, близкие к граничной крупности и плотности разделения.

Закрученное течение в цилиндрической части сливного патрубка по высоте от входа, не превышающей двух диаметров цилиндрической части патрубка, представляет собой сложный поток со значительным радиальным градиентом статического давления и непрерывным характером изменения локальных параметров по сечению канала. Такой поток содержит элементы более простых типов - область пристенного течения, соответствующую пограничному слою, приосевую область обратного течения и расположенную между ними зону циркуляционного течения. Через приосевую область обратного течения из сливного патрубка к песковой насадке гидроциклона может быть направлена значительная часть тонких и легких частиц, а также частиц, близких к граничной крупности и плотности разделения. Этот процесс отрицательно сказывается на эффективности разделения.

Таким образом, взаимная деформация потоков у входа в сливной патрубок, форма отбойников и наличие приосевой области обратного течения в сливном патрубке нарушают структуру потоков и являются источниками их дополнительной турбулизации, что не позволяет снизить интенсивность перемешивания продуктов классификации и обогащения в рабочей зоне гидроциклона и существенно уменьшает эффективность разделения.

Последний из аналогов принимается за прототип.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность разделения материала за счет дополнительного извлечения тонких и легких частиц. Кроме того, более совершенная структура потоков суспензии с низкой степенью турбулентности увеличивает производительность и ресурс работы гидроциклона.

Для достижения указанного технического результата в описываемом гидроциклоне, включающем цилиндроконический корпус, питающий патрубок, сливной патрубок с отбойниками на его поверхности, песковую насадку, отбойники установлены на внутренней поверхности сливного патрубка и выполнены в виде верхней и нижней укороченных эпициклоид относительно входа в сливной патрубок и в сечении, перпендикулярном оси гидроциклона, общая высота укороченных эпициклоид не превышает двух диаметров цилиндрической части сливного патрубка, а высота нижней укороченной эпициклоиды не превышает трети диаметра цилиндрической части сливного патрубка, при этом у верхней укороченной эпициклоиды неподвижная окружность равна диаметру цилиндрической части сливного патрубка, а у нижней укороченной эпициклоиды - диаметру описанной окружности верхней укороченной эпициклоиды.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что отличительными признаками изобретения являются:

- установление на внутренней поверхности сливного патрубка отбойников;

- выполнение отбойников в виде верхней и нижней укороченных эпициклоид относительно входа в сливной патрубок и в сечении, перпендикулярном оси гидроциклона;

- выполнение отбойников в виде укороченных эпициклоид с общей высотой, не превышающей двух диаметров цилиндрической части сливного патрубка;

- выполнение отбойников в виде нижней укороченной эпициклоиды с высотой, не превышающей трети диаметра цилиндрической части сливного патрубка;

- выполнение отбойников в виде верхней укороченной эпициклоиды с неподвижной окружностью, равной диаметру цилиндрической части сливного патрубка;

- выполнение отбойников в виде нижней укороченной эпициклоиды с неподвижной окружностью, равной диаметру описанной окружности верхней укороченной эпициклоиды.

Таким образом, заявляемое техническое решение является новым.

Анализ других технических решений, относящихся к гидроциклонам, не позволяет выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

В предлагаемом изобретении благодаря наличию новых отличительных признаков имеются следующие существенные отличия.

Установление на внутренней поверхности сливного патрубка отбойников способствует затуханию закрученного потока, что приводит к трансформации локальных параметров: осевая и суммарная скорости на периферии уменьшаются, а в приосевой зоне - возрастают. При этом область обратного приосевого движения суспензии вырождается, что увеличивает эффективность разделения из-за прекращения потока частиц из сливного патрубка в направлении к песковой насадке гидроциклона.

При выполнении отбойников в виде верхней и нижней укороченных эпициклоид относительно входа в сливной патрубок и в сечении, перпендикулярном оси гидроциклона, обеспечивается более плавное с минимальной турбулизацией движение разделенных потоков без взаимной деформации с относительно спокойными периодическими возмущениями как внутри, так и снаружи сливного патрубка. Это позволяет снизить интенсивность перемешивания продуктов разделения, достаточно эффективно освободить тонкие и легкие частицы, прижатые крупными и тяжелыми зернами, из потока, движущегося по цилиндрической стенке корпуса к песковой насадке гидроциклона, и увеличить точность разделения. Кроме того, за счет снижения влияния зон локальной турбулизации потоков обеспечивается увеличение производительности и ресурса работы гидроциклона.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что для получения оптимальных образующих поверхностей отбойников сливного патрубка необходимо использовать следующее уравнение для укороченной эпициклоиды в параметрической форме:





где A - радиус неподвижного круга, мм;

а - радиус подвижного круга, мм;

<1- постоянная;

- центральный угол, градус

(см. кн. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. - М.: Наука, 1964, с. 110-111, рис. 56 б).

Радиусы неподвижного и подвижного кругов, постоянная < 1 и количество ветвей укороченной эпициклоиды зависят от диаметров гидроциклонов и сливных патрубков, а также давления питания в соответствии с ГОСТ 10718-81.

Использование в качестве образующих поверхностей отбойников, установленных на внутренней поверхности сливного патрубка, эпициклоиды ( = 1) и удлиненной эпициклоиды ( > 1) нерационально из-за острых кромок и узких каплевидных обтекателей, которые подвержены быстрому износу и не удовлетворяют требованиям для оптимальной формы отбойников (см. кн. Бронштейн И.Н., Семендяев К. А. Справочник по математике. - М.: Наука, 1964, с. 109, рис. 54 а, с. 110, рис. 56 а).

Выполнение отбойников относительно входа в сливной патрубок с общей высотой, не превышающей двух диаметров цилиндрической части сливного патрубка, соответствует участку с неустановившимся закрученным движением потока. Расположение отбойников на данной высоте уменьшает вероятность возникновения обратного приосевого движения частиц из сливного патрубка в направлении к песковой насадке за счет создания в радиальном направлении зоны повышенной мелкомасштабной турбулентности, перепадов давления и скорости. В свою очередь, цилиндрическая часть сливного патрубка, находящаяся выше отбойников, расположенных на поверхности патрубка, способствует эффективному разделению с минимальной турбулизацией частиц по крупности и плотности, так как данный процесс начинается сразу же, вблизи места ввода суспензии из питающего патрубка в цилиндрическую часть корпуса гидроциклона, при этом выделяется до 50% частиц.

Выполнение отбойников в виде нижней укороченной эпициклоиды относительно входа в сливной патрубок с высотой, не превышающей трети диаметра цилиндрической части сливного патрубка, соответствует необходимой высоте для предотвращения попадания в сливной патрубок частиц крупнее и тяжелее граничных за счет создания в радиальном направлении зоны повышенной мелкомасштабной турбулентности, перепадов давления и скорости.

Расположение отбойников выше данной высоты положительного влияния на работу гидроциклона не оказывает ввиду сужения кольцевого канала в цилиндрической части корпуса гидроциклона, что интенсифицирует отрицательное действие подкрышечного потока, а следовательно, перемешивание продуктов разделения.

Выполнение отбойников в виде верхней укороченной эпициклоиды с неподвижной окружностью, равной диаметру цилиндрической части сливного патрубка, позволяет не нарушать основной регулирующий параметр гидроциклона: разгрузочное отношение, равное отношению диаметров пескового и сливного отверстий.

Выполнение отбойников в виде нижней укороченной эпициклоиды с неподвижной окружностью, равной диаметру описанной окружности верхней укороченной эпициклоиды, определяет размеры ветвей и в конечном итоге площадь нижней укороченной эпициклоиды. Площадь нижней укороченной эпициклоиды увеличивает продолжительность пребывания частиц в гидроциклоне и способствует принудительному движению их в направлении к песковой насадке гидроциклона. Частицы граничной крупности и плотности разделения, которые имеют петлеобразные траектории движения, преимущественно направляются торцевой частью нижней укороченной эпициклоиды в сторону нижнего отверстия и разгружаются через песковую насадку. Это повышает эффективность разделения за счет интенсификации отвода и последующей разгрузки через песковую насадку крупных и тяжелых частиц, а также частиц граничной крупности и плотности разделения.

При этом отбойники, выполненные в виде нижней укороченной эпициклоиды с оптимальной торцевой площадью, исключают взаимную деформацию потоков: движущегося сверху по наружной поверхности сливного патрубка и отбойников, выполненных в виде верхней укороченной эпициклоиды, и поступающего снизу из конической части гидроциклона.

На фиг. 1 изображен общий вид гидроциклона; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1.

Гидроциклон состоит из цилиндроконического корпуса 1 с питающим патрубком 2, сливного патрубка 3 с установленными на его внутренней поверхности отбойниками, выполненными в виде нижней укороченной эпициклоиды 4 и верхней укороченной эпициклоиды 5 относительно входа в сливной патрубок 3. Нижний отбойник 4 имеет внешнюю 6 и внутреннюю 7 поверхности, а верхний отбойник 5 имеет внешнюю 8 и внутреннюю 9 поверхности песковой насадки 10.

Гидроциклон работает следующим образом.

Исходный материал подается через питающий патрубок 2 в цилиндроконический корпус 1 гидроциклона, образуя при этом вращающийся поток, направленный по винтовой линии сверху вниз. Под действием центробежной силы крупные и тяжелые частицы отбрасываются к стенке гидроциклона и затем разгружаются через песковую насадку 10, а поток тонких и легких частиц выходит через сливной патрубок 3. При своем движении в цилиндрической части гидроциклона поток получает периодическое возмущение от внешних поверхностей 8 верхних отбойников 5 и внешних поверхностей 6 нижних отбойников 4. Аналогично, при своем движении через сливной патрубок 3 гидроциклона поток получает периодическое возмущение от внутренней поверхности 9 верхних отбойников 5 и внутренних поверхностей 7 нижних отбойников 4. Это способствует более эффективной с минимальным засорением перечистке материала в кольцевом канале и сливном патрубке за счет создания зон повышенной мелкомасштабной турбулентности, перепадов давления и скорости.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность разделения за счет дополнительного извлечения тонких и легких частиц.