Effekter av olika parametrar

Med undersökning av avskiljningsgränsen, kapaciteten och verkningsgraden kan indikationer fås av hur hydrocyklonen påverkas av geometriska parametrar samt av processparametrar. Det som ska finnas i åtanke är att de teoretiska effekterna av parameterändringarna inte alltid stämmer, när effekterna av olika ändringar är empiriska och beror till stor del på material och grundinställningar.

Några generella geometriska förhållanden är specificerat ovan i avsnitt 3.1.2 Cyklonens geometri.

Grundinställningar som ofta använts vid undersökning av hydrocyklonens olika parametrar är att material med 2,7 kg/dm³ matas in med 20 ⁰C vatten som medium, där vikt% fast är mindre än 1 och ingående tryck är 0,7 bar. (A. L. Mular, 1978)

20

De geometriska parametrar som undersöks är: cyklondiametern, överloppsrörsdiametern, överloppsrörs längd och form, inloppsarean, underloppsdiametern, höjd och konvinkeln.

En ökning av cyklondiametern skulle medföra en ökad avskiljningsgräns om tryckfall och hydrocyklongeometrin hålls konstant, eftersom större cykloner genererar en betydligt lägre accelererande kraft. Ökad verkningsgrad fås med korrekt vald cyklondiameter. En generell regel är att den accelererande kraften är proportionell mot inversen av cyklondiametern. Cyklondiametern är en huvudvariabel som andra dimensioner korrelerar till, en ökad cyklondiameter skulle kunna vara en lösning för ökad kapacitet eller sänkt nötning på infodringen. Nedan i Figur 15 ses ungefärliga värden på hur cyklondiametern korrelerar till matning och avskiljningsgräns. (K.Heiskanen, 1993) (A. L.

Mular, 1978)

Figur 15. Korrelationen mellan matning och avskiljningsgräns för olika cyklondiametrar. (J.J.Cilliers, 2000)

Överloppsrörsdiametern är en viktig parameter som påverkar i sort sett alla prestandaparametrar.

En ökad överloppsrörsdiameter leder till bland annat ökad flödeskapacitet, ökat utgående flöde i överlopp (minskad splitt till underlopp) samt en lägre grad av kortslutande last. En ökning av överloppsrörsdiametern leder också till ökad grovprodukt i överloppet samt högre avskiljningsgräns och mer exakt klassering. (K.Heiskanen, 1993) (A. L. Mular, 1978).

Överloppsrör längd och form - Anledningen till överloppsröret är att undvika att större partiklar ska gå som kortslutande last, vilket försämrar verkningsgraden. Cykloner med större diametrar, lägre tryckfall och grövre ingående material påverkas mindre av längden av överloppsröret och vid extremfall är överloppsröret inte nödvändigt. Ett längre överloppsrör ger ett mindre intervall för partiklar nära avskiljningsgränsen att separera och gå mot den sekundära virveln. Därför ger ett längre överloppsrör en högre avskiljningsgräns. Formen på överloppsröret har setts ha väldigt liten effekt på avskiljningsgränsen. (L.Svarovsky, 1984)

21

Inloppet (inloppsarean) är antingen cirkulärt (inloppsdiametern) eller rektangulärt. Inloppsarean bestämmer den ingående hastigheten och därmed också till stor del den tangentiella hastigheten in i hydrocyklonen, inloppsdiametern är därför en viktig parameter för kapaciteten och

avskiljningsgränsen. En mindre inloppsdiameter medför högre inloppshastighet som ökar den centrifugala kraften, vilket kommer att ge en lägre avskiljningsgräns samt ökad nötning på infodring.

Det har setts att en rektangulär form är överlägsen jämfört med andra former på inloppet, mest troligt därför att ingåendeflöde blir mer jämnt fördelat över cyklonens cylinderdel. (K.Heiskanen, 1993) (A. L. Mular, 1978) (L.Svarovsky, 1984)

Underloppsdiameter bestämmer både volymkapaciteten samt %fast i underloppet. Den fasta kapaciteten påverkas i större grad än %fast i underloppet när underloppsdiametern ändras, detta gäller särskilt för fast material med hög densitet. En ökning av underloppsdiametern skulle medföra sänkt avskiljningsgräns. (K.Heiskanen, 1993) (A. L. Mular, 1978)

Om en ökning görs av höjden på hydrocyklonen medför det en ökad kapacitet (eller lägre tryckfall), ökad verkningsgrad samt sänkt avskiljningsgräns. Samtidigt som en spetsigare cyklonkonvinkel medför en sänkt avskiljningsgräns, ökad andel fint som går till fina fraktionen samt att det kan leda till ökad risk för igensättning. Igensättningen ökar eftersom cykloner med lägre konvinkel använder sig av en mindre underloppsöppning. Höjden av hydrocyklonen ökar med ökad höjd av den övre cylindriska delen samt med sänkt (skarpare) konvinkel. Anledningen till samma effekt bör bero på den ökade uppehållstiden för ökad höjd respektive sänkt konvinkel. Som beskrevs i avsnitt 3.1.2 Cyklonens geometri brukar cyklonkonvinkeln vara större när grövre avskiljningsgräns efterfrågas eller om lättare material används. (K.Heiskanen, 1993) (A. L. Mular, 1978) (L.Svarovsky, 1984)

Avskiljningsgränsen, kapaciteten och verkningsgraden påverkas även av olika processparametrar till exempel: ingående tryck, kapacitet eller matning, pulpdensitet eller pulpviskositet, ingående %fast, partikeldensitet och storlek, och ingående siktanalys.

En ökning av ingående tryck, eller tryckfallet, sker genom ett ökat volymflöde, vilket kräver mer energi. Ökningen av rörelseenergin gör att centrifugalkraften på partiklarna blir större, vilket medför att större andel partiklar trycks mot hydrocyklonväggen och går till underloppet. En ökning av ingående tryck skulle därmed ge sänkt avskiljningsgräns och högre verkningsgrad. Ökat cyklontryck medför även ökat slitage, mer koncentrerat underlopp och renare överlopp. (K.Heiskanen, 1993) (A.

L. Mular, 1978) (L.Svarovsky, 1984)

Där tryckfallet (ΔP, kPa) kan enligt Plitt beskrivas med följande formel:

∆P = ^131Q1,78exp (0,55ϕ)

D_c^0,37D_in^0,94(L−l)^0,28(D_u²+D_o²)^0,87. (30)

(K.Heiskanen, 1993)

En ökning av matningen in i hydrocyklonen medför ett ökat inloppstryck, vilket beskrevs ovan, ger en sänkt avskiljningsgräns. (A. L. Mular, 1978)

22

En ökning av pulpdensitet eller pulpviskositet leder till en ökad avskiljningsgräns. Inverkan av pulpdensitet och viskositet hänger ihop väldigt mycket, generellt ökar viskositet med ökad pulpdensitet. Ett mer visköst överlopp tyder på högre strömningsmotstånd som verkat på partiklarna, vilket lett till att det innehåller större och tyngre partiklar. (K.Heiskanen, 1993) (A. L.

Mular, 1978)

Mängden %fast i ingående flöde är den starkaste parametern för avskiljningsgränspåverkan och korrelerar starkt till pulpdensiteten och dess viskositet. En pulp med lägre %fast medför lägre avskiljningsgräns och högre verkningsgrad. (A. L. Mular, 1978)

Centrifugalkraften som verkar på partiklarna påverkas av partiklarnas massa vilket direkt beror på deras densitet och partikelstorlek. Överloppet innehåller därför generellt sett små tunga partiklar och stora lätta partiklar. (A. L. Mular, 1978)

En stor andel fint i ingående siktanalys har den påverkan att en lägre avskiljningsgräns uppnås och när ingående material är grovt och saknar fina fraktioner blir separationen grövre. Allt för grovt ingående material kan stocka igen underloppet och medföra lägre verkningsgrad. (A. L. Mular, 1978) Nedan i Tabell 6 visas en sammanställning av effekten på kapaciteten, avskiljningsgräns och

verkningsgraden när ökning sker av de olika cyklonparametrarna: cyklondiametern;

överloppsrörsdiametern; underloppsdiametern; inloppsdiameter; cyklonkonvinkel; tryckfallet; inre cyklonhöjd (h) och ingående volym% fast. De olika cyklondiametrarna och konvinkeln förtydligas i Figur 6.

Tabell 6. Effekten av olika cyklonparametrars förändring på kapaciteten, avskiljningsgränsen och verkningsgraden.

(J.J.Cilliers, 2000) (K.Heiskanen, 1993)

Ökning av: Kapacitet (Q): Avskiljningsgräns (d50): Separationsskärpa (η) /Verkningsgrad:

3.1.6.1 Andra effekter

Andra effekter som kan ha en påverkan på hydrocyklonens prestanda är bland annat slitage, gropar och ojämnheter mellan cyklondelar och grovhet på innerväggarna. Mycket slitage och gropar mellan cyklondelarna gör att cyklonen avviker från sitt normala flödesmönster och detta kan medföra påverkan av verkningsgraden (andelen fint till fina fraktionen). Grovheten på cyklonens innerväggar har en viss effekt på verkningsgraden och kapaciteten. Grova innerväggar leder till ökat motstånd för flödet samt sänkt verkningsgrad. De fem viktigaste variablerna som beskriver nötningen är: ingående hastighet (vin); riktning av partikelmönstret, radien av ingående krökning/böjning; antalet nötande partiklar; partikelstorlek och -form samt tid. För en cyklon med samma ingående material och geometri kan nötningen beskrivas med nötningsindexet (NI):

NI =^vinn_r^cw, (31)

där cw är fast masskoncentration och n är exponent för antalet cykloner i serie. Det visar bland annat att det kan vara bättre att köra med flera cykloner med en lägre hastighet, istället för en cyklon med högre hastighet. (L.Svarovsky, 1984)

Cyklonens lutning i förhållande till gravitationsfältet har överlag ingen påverkan på separationen, förutom vid separation av stora partiklar i stora cykloner. Den kan köras i vilken lutning som helst, även upp och ner. Dock är vertikal eller nära vertikal orientering vanligast för dess enkelhet. Helt horisontella installationer är ovanliga för det blir problem med att tömma enheten vid stopp, därmed är kravet minst 5° från horisontellt läge. I stora cykloner separeras generellt större partiklar som påverkas mer av gravitationen. Det medför att den kortslutande lasten är mindre eftersom de större partiklarna lättare går neråt och deltar i den riktiga klasseringen. Ett annat undantag för stora cykloner är om %fast i underloppet är den studerande faktorn, det kan därför vara fördelaktigt med nära horisontellt läge på cyklonen. %fast i underloppet kan därmed vara oberoende av %fast i ingående material, detta när det bildas en mer böjd virvel som fungerar ungefär som avvattningen i en avvattningscentrifug. Sådana cykloner kan ge lägre eller inget flöde till underloppet när %fast är noll eller högre underloppsflöde när högre ingående %fast.

24

3.1.7 3-produktshydrocykloner

Den traditionella hydrocyklonen genererar två produkter, som beskrivits ovan, ett under- och ett överlopp. Det finns dock olika varianter av 3 produktscykloner: ett underlopp och två överlopp eller två underlopp och 1 överlopp.

3-produktscyklon med två överlopp och ett underlopp, se Figur 16, används när ett finare överlopp eller när mer exakt mineralklassering efterfrågas. Det inre överloppsröret kommer att innehålla mindre och lättare partiklar än det yttre överloppet. En ökad verkningsgrad av klasseringen kan uppnås med ett längre inre överloppsrör. Den inre överloppsprodukten kanske går till flotation, underloppet för ommalning och det yttre överloppet som mellanprodukt. Denna typ av hydrocyklon med två överlopp passar även som separerare av tre-fas system ex: liq-sol-liq, liq-liq eller gas-solid-liq. Den kan användas till exempel när en pulp eller vätska ska renas från olja. Detta genom att den lättare oljan cirkulerar sig uppåt och ut genom det inre överloppet med högre koncentration, där det yttre överloppsröret tar bort nog mycket för att förebygga uppbrytning av oljeström. (A. Mainza, 2004) (L.Svarovsky, 1984)

Figur 16. Treproduktshydrocyklon med två överlopp. (A. Mainza, 2004)

Som nämnts i avsnitt 3.1.4 Partikelmönster kan hydrocyklonen köras med paraply-, reputmatning eller en blandning av dessa. Ett sätt att öka den ingående fasta koncentrationen och samtidigt öka avskiljningsgränsen och få högre fast koncentration i underloppet, är att använda sig av en typ av två-underloppssystem. Detta genom att ett mindre rör precis nedan för underloppet som representerar det verkliga underloppet, med en specifik diameter som korrelerar med önskvärd

underloppsdensitet, som sedan omger sig av ett uppsamlingskar vars flöde återcirkuleras till

inloppet, se Figur 17. En högre ingående pulpdensitet leder till högre underloppsdensitet och därmed mer avvattnat underlopp. Med denna typ av uppställning skulle processen kunna justera sig till önskvärd underloppskoncentration utan att ändra ingående material. (L.Svarovsky, 1984)

25

Figur 17. Paraply kontrollerat uttagningssystem. (L.Svarovsky, 1984)

En annan typ av tre-produktscyklon som kan komma att bli kommersiell är en cyklon med ett

överlopp, ett underlopp samt en mellanproduktström. Där överloppet respektive underloppet är som vanligt och mellanproduktsströmmen går ut horisontellt från sidan på den koniska delen. Det har visats att denna typ av cyklon har möjligheten att producera tre olika produkter, förhållande till dess fasta koncentration och partikelstorleksfördelning. (G.A. Ibrahim, 2007)