Гидроциклон: принцип работы, футеровка и полиуретановые насадки

Внутри работающего гидроциклона нет ни вала, ни ротора, и всё разделение делает поток. Пульпа с напором насоса входит в цилиндрическую часть сбоку, по касательной, и закручивается. У стенки образуется внешний вихрь, который несёт крупные и тяжёлые частицы вниз по конусу к песковой насадке. В центре поднимается внутренний вихрь с водой и мелкой фракцией, его забирает сливной патрубок, опущенный в цилиндр сверху.

Вращение делит пульпу на слив и пески

Разделяющая сила в гидроциклоне в десятки и сотни раз больше силы тяжести, поэтому аппарат диаметром полметра пропускает столько пульпы, сколько не пропустит отстойник площадью в десятки квадратных метров. Чем меньше диаметр аппарата, тем выше скорость вращения при том же давлении и тем мельче граница разделения.

Границу разделения обозначают крупностью, при которой частица с равной вероятностью попадает в слив и в пески. Её задают три группы факторов. Геометрия: диаметр цилиндра, угол конуса, диаметры питающей, сливной и песковой насадок. Режим: давление на входе и производительность. Пульпа: плотность, доля твёрдого, вязкость, плотность самих частиц.

Отечественные аппараты маркируют по диаметру цилиндра: ГЦ-360, ГЦ-500, ГЦ-710 означают 360, 500 и 710 мм. Крупные ставят на классификацию в цикле измельчения, мелкие диаметром 25–150 мм собирают в батареи для обесшламливания и тонкой классификации.

Гидроциклоны классифицируют пульпу и очищают жидкости

На обогатительной фабрике гидроциклон работает в замкнутом цикле с мельницей: пески возвращаются на доизмельчение, слив идёт на флотацию или сгущение. Здесь он классифицирует, то есть разделяет по крупности.

Гидроциклоны для очистки решают другую задачу: убрать из жидкости частицы, которые мешают дальше. Пескоотделители и илоотделители на буровой очищают буровой раствор перед возвратом в скважину. На водозаборах и в системах оборотного водоснабжения песковые сепараторы защищают насосы и теплообменники. В металлообработке гидроциклоны очищают СОЖ от шлама, на бумажных фабриках вихревые очистители отделяют песок и окалину от массы. Есть аппараты для отделения нефтепродуктов от воды, где лёгкая фаза уходит через центральный патрубок.

От задачи зависит, что считать браком. При классификации важна граница разделения, при очистке нужен минимальный унос частиц в чистый поток, и аппарат работает с запасом по давлению.

Изнашиваются питающий патрубок, конус и насадки

Пульпа идёт по стенке со скоростью в несколько метров в секунду, и износ распределяется неравномерно. Сильнее всего страдают три места:

• питающий патрубок и зона входа в цилиндр, куда поток ударяет первым;
• нижняя часть конуса и песковая насадка, через которую выходит самая крупная фракция с наибольшей концентрацией;
• нижний торец сливного патрубка, обтекаемый внутренним вихрем.

Корпус крупного гидроциклона стальной, изнутри его защищает резиновая или полиуретановая футеровка: вкладыши питающей части, цилиндра и конусов. Конус часто состоит из двух-трёх секций, которые соединены фланцами. Между секциями ставят резиновые прокладки или кольца, и их течь видна снаружи по мокрому пятну на стыке. Мелкие гидроциклоны батарей нередко отлиты из полиуретана целиком и меняются как одна деталь.

Песковую насадку делают из полиуретана, износостойкой резины или керамики: карбида кремния, оксида алюминия. Керамика служит дольше на крупном песке, но раскалывается при ударе и требует точной посадки в держателе, которую задаёт резиновое кольцо или манжета.

Форма разгрузки показывает режим

Опытный оператор оценивает режим по струе из песковой насадки. Нормальная разгрузка похожа на зонтик: песок выходит веером, а в центре насадки виден воздушный столб. Если струя превратилась в плотный жгут, насадка перегружена песками, воздушного столба нет, и часть крупного материала уходит в слив.

Жгут появляется, когда растёт доля твёрдого в питании, падает давление или насадка забилась. Слишком широкий зонтик с жидкими песками говорит об обратном: насадка изношена или подобрана с запасом, и в пески уходит лишняя вода с мелочью. Поэтому износ насадки виден ещё до замера: форма разгрузки меняется постепенно, за недели.

Схема сводит проверку к трём вопросам: какая струя, держится ли давление на манометре питания, совпадает ли внутренний диаметр насадки с паспортным. Порядок такой: сначала давление и плотность питания, затем замер насадки, и только после этого меняют размер насадки.

Давление питания пересчитывают через корень

Производительность гидроциклона растёт примерно пропорционально корню из перепада давления. Пример оценки: если поднять давление на входе с 0,08 до 0,12 МПа, расход вырастет в √1,5 ≈ 1,22 раза, то есть примерно на 22 %, а граница разделения сместится в сторону более мелких частиц. Эта оценка годится для сравнения режимов одного аппарата, точный расчёт делают по методике изготовителя.

Отсюда практическое правило для механика: износ, увеличивший диаметр питающей насадки на несколько миллиметров, снижает давление при той же подаче насоса, и граница разделения уходит вверх. На классификации это видно по росту крупного класса в сливе, на очистке по уносу песка в чистую воду.

Как работает гидроциклон для очистки воды?

Гидроциклон для очистки воды подаёт загрязнённый поток по касательной в цилиндр, где вращение отжимает песок и окалину к стенке. Частицы опускаются по конусу в шламосборник или в песковую насадку, а очищенная вода поднимается через центральный патрубок. Аппарат хорошо отделяет частицы плотнее воды крупнее десятков микрон, а лёгкие хлопья, масла и коллоиды почти не задерживает.

Полиуретан выбирают по температуре воды

Для футеровки и мелких аппаратов чаще берут литьевой полиуретан твёрдостью 80–90 Shore A, это ориентир для марок общего назначения. На мелкой пульпе он изнашивается медленно, на крупной острой его рвут частицы, и там лучше работает мягкая резина или керамика. Ограничение полиуретана связано с водой: при длительной работе в тёплой воде сложноэфирные марки теряют прочность, а гидролиз полиуретана в тёплой пульпе идёт быстрее, чем в холодной. Для пульпы теплее 40–50 °C марку подбирают отдельно и указывают в КП.

Резина подходит для крупных гидроциклонов с вкладышами большой площади и для аппаратов, которые перекачивают пульпу с флотореагентами. Если в пульпе есть масла, натуральную резину заменяют маслостойкой.

Из чего делают песковую насадку гидроциклона?

Песковую насадку гидроциклона делают из литьевого полиуретана, износостойкой резины или керамики на основе карбида кремния и оксида алюминия. Полиуретан и резина подходят для мелкой и средней пульпы и умеренного давления, они дешевле и не боятся удара. Керамика держит крупный песок дольше, но требует аккуратной установки в держатель с резиновым кольцом и не переносит ударов при монтаже.

Детали гидроциклона повторяют литьём и формованием

Полиуретановые детали гидроциклона отливают в форму: насадки, вкладыши конуса, цельные корпуса малых аппаратов, кольца держателей. Наша компания производит изделия из полиуретана по чертежу, эскизу, фото или образцу и формовые резиновые детали: кольца стыков конусов, манжеты держателей керамики, прокладки фланцев питания и слива. Для литья нужна форма, поэтому выгоднее заказывать сразу запас насадок на несколько замен.

Если чертежа нет, присылают изношенную насадку и указывают паспортный диаметр, потому что по старой детали он уже не снимается: внутренний канал разработан. Для расчёта нужны обозначение гидроциклона, фото снятой детали рядом с линейкой, наружные посадочные размеры, количество на замену и на год, температура и характер пульпы. Плоские прокладки стыков и фланцев проще заказать по чертежу или эскизу, а сложные вкладыши по образцу. Делаем стандартные детали по паспортным размерам аппарата и нестандартные по чертежу, эскизу, фото или образцу. Насадку можно заказать и в одном экземпляре, минимальная сумма заказа 9 000 ₽ с НДС.

Паспортный диаметр насадки пишут отдельно от замеров

Диаметры, которые нельзя снять с изношенной детали, указывают отдельно как данные из паспорта, а всё, что предлагает изготовитель (марку полиуретана, твёрдость, допуск на канал), выносят в КП отдельной строкой. Тогда после установки первой партии понятно, с чем сравнивать ресурс, и следующий заказ идёт по тем же данным.

При приёмке партии насадок проверяют то, от чего зависит режим аппарата: внутренний диаметр канала калибром-пробкой или штангенциркулем в двух взаимно перпендикулярных направлениях, наружную посадку по держателю, отсутствие раковин и непролива на рабочей поверхности. Твёрдость по Шору сверяют с указанной в КП на двух-трёх деталях. Насадку, у которой канал отличается от паспортного больше, чем на допуск из КП, в работу не ставят: она сразу сместит границу разделения.