BRPI0611177B1

BRPI0611177B1 - unidade de hidrociclone para separar uma suspensão de polpa fibrosa contendo contaminantes relativamente pesados, uso de pelo menos uma unidade de hidrociclone, método para separar uma suspensão de polpa fibrosa contendo contaminantes relativamente pesados e unidade de hidrociclone reverso para separar uma suspensão de polpa fibrosa contendo contaminantes relativamente leves

Info

Publication number: BRPI0611177B1
Application number: BRPI0611177A
Authority: BR
Inventors: Backman Jan; Kucher Valentina
Original assignee: Glv Finance Hungary Kft; Gl&V Man Hungary Kft
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2018-08-28
Also published as: SE0500973L; CA2605621A1; KR101296466B1; US7404492B2; WO2006118512A1; CN101184553A; EP1888248B1; JP2008539339A; EP2946838A1; EP1888248A1; BRPI0611177A2; CN101184553B; CA2605621C; US20060243646A1; EP1888248A4; KR20080007646A; SE529771C2

Description

(54) Título: UNIDADE DE HIDROCICLONE PARA SEPARAR UMA SUSPENSÃO DE POLPA FIBROSA CONTENDO CONTAMINANTES RELATIVAMENTE PESADOS, USO DE PELO MENOS UMA UNIDADE DE HIDROCICLONE, MÉTODO PARA SEPARAR UMA SUSPENSÃO DE POLPA FIBROSA CONTENDO CONTAMINANTES RELATIVAMENTE PESADOS E UNIDADE DE HIDROCICLONE REVERSO PARA SEPARAR UMA SUSPENSÃO DE POLPA FIBROSA CONTENDO CONTAMINANTES RELATIVAMENTE LEVES (51) lnt.CI.: B04C 5/14; B04C 5/18 (30) Prioridade Unionista: 29/04/2005 SE 0500973-3 (73) Titular(es): GLV FINANCE HUNGARY KFT.

(72) Inventor(es): VALENTINA KUCHER; JAN BACKMAN (85) Data do Início da Fase Nacional: 29/10/2007 ¥

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para UNIDADE DE HIDROCICLONE PARA SEPARAR UMA SUSPENSÃO DE POLPA FIBROSA CONTENDO CONTAMINANTES RELATIVAMENTE PESADOS, USO DE PELO MENOS UMA UNIDADE DE HIDROCICLONE, MÉTODO ’ 5 PARA SEPARAR UMA SUSPENSÃO DE POLPA FIBROSA CONTENDO CONTAMINANTES RELATIVAMENTE PESADOS E UNIDADE DE HIDROCICLONE REVERSO PARA SEPARAR UMA SUSPENSÃO DE POLPA FIBROSA CONTENDO CONTAMINANTES RELATIVAMENTE LEVES. CAMPO DA APLICAÇÃO

A presente invenção se refere a uma unidade de hidrociclone para separação de uma suspensão de polpa fibrosa contendo contaminantes relativamente pesados, compreendendo um alojamento formando uma câmara de separação cônica, geralmente, alongada, apresentando uma extremidade de base e uma extremidade de topo, e pelo menos um elemento de entrada de suspensão no alojamento, cujo elemento é designado para alimentar a suspensão a ser separada tangencialmente dentro da câmara de separação na extremidade da base da mesma, de modo que a suspensão que está chegando forma um vórtice, no qual os contaminantes pesados são arrastados pelas forças centrífugas na direção radial e externa e as fibras são impulsionadas pelas forças de arraste na direção radial e interna, pelo que uma fração central da suspensão substancialmente contendo fibras é criada centralmente no vórtice e uma fração de rejeitos contendo contaminantes pesados e algumas fibras é criada na direção radial e externa na câmara de separação. A unidade de hidrociclone compreende ainda uma saída de fração de rejeitos na extremidade de topo da câmara de separação, para descarga da fração de rejeitos, uma saída central de fração de material aceito na extremidade de base da câmara de separação, para descarga da fração central, e pelo menos um elemento de injeção de fluido para injetar um fluido dentro da câmara de separação. A invenção também se refere a um método para separação de uma suspensão de polpa fibrosa contendo contaminantes relativamente pesados.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA

Os hidrociclones são usados na indústria de fabricação de polpa e papel, para limpeza de contaminantes suspensões fibrosas de polpa, em particular, mas não exclusivamente, de contaminantes que apresentam densidades diferentes das fibras. Uma aplicação importante é a limpeza de con' 5 taminantes na forma de partículas pesadas, de uma densidade específica maior que das fibras, tais como, partículas manchadas, fragmentos, areia e partículas de metal, na faixa de tamanho de 100-1000 mícrons. A câmara de separação de um hidrociclone convencional designada para tal aplicação, normalmente, apresenta um diâmetro no elemento de entrada de suspensão menor que cerca de 150 mm, de modo a criar forças centrífugas suficientemente fortes para impulsionar os contaminantes pesados na direção radial e externa no vórtice. O modelo cônico da câmara de separação é necessário para manter a velocidade rotacional do vórtice e, consequentemente, a necessária magnitude das forças centrífugas que atuam sobre os contaminan15 tes pesados, ao longo da câmara de separação, de modo que a eficiência da separação é satisfatória em toda a câmara de separação. Além disso, a manutenção da velocidade do vórtice é particularmente importante quando da limpeza de suspensões fibrosas de alta consistência, para prevenir a formação de uma rede de fibras. Essa rede de fibras afeta negativamente a eficiência da separação e poderia tamponar ou fechar a abertura axial relativamente pequena na extremidade de topo da câmara de separação. Uma vez que a tendência de formação de rede de fibras aumenta com o aumento da concentração de fibras, o hidrociclone convencional é normalmente usado para separação de suspensões fibrosas tendo uma concentração de fi25 bras de até 1,0%, em casos excepcionais, de até 1,5%.

Uma pluralidade de hidrociclones de tipo convencional acoplados em paralelo e que formam um primeiro estágio de separação, foi empregada em uma instalação convencional de hidrociclone para se obter a necessária capacidade total para limpeza de grandes fluxos de suspensão, tipicamente, entre 40.000 e 200.000 litros/minuto, que, normalmente existem na indústria de fabricação de papel. A instalação de hidrociclone convencional também inclui outros estágios de separação de hidrociclones de tipo convencional, tipicamente, existem quatro a cinco estágios acoplados em cascata, para recuperar as fibras da fração de rejeitos da suspensão desenvolvida no primeiro estágio, pelo que a eficiência da separação da instalação é aumentada.

' 5 É conhecida a provisão de um hidrociclone com um elemento de injeção de fluido, para injetar um líquido de descarga dentro da câmara de separação, próximo à vizinhança da saída da fração de rejeitos, para descarregar a fração de rejeitos espessada, de modo que as fibras sejam liberadas dos contaminantes pesados e o tamponamento da saída de rejeitos seja evitado.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

O objetivo da presente invenção é proporcionar uma unidade de hidrociclone para separação de uma suspensão de polpa fibrosa contendo contaminantes relativamente pesados, apresentando uma alta capacidade de produção, baixo consumo de energia e intensificada eficiência de separação, quando comparado ao hidrociclone convencional descrito acima.

Este objetivo é alcançado através da unidade de hidrociclone apresentada, inicialmente caracterizada pelo fato de que o elemento de injeção de fluido é adaptado para injetar o fluido tangencialmente dentro da câ20 mara de separação, a uma distância da extremidade do topo da câmara de separação que é de pelo menos 40% do comprimento da dita câmara de separação, de modo que o fluido injetado aumente a velocidade rotacional de uma porção do vórtice na câmara de separação, para aumentar a eficiência da separação, com relação às fibras que existem na dita porção de vórtice.

Ao se comparar a unidade de hidrociclone da invenção com o hidrociclone convencional tendo o mesmo diâmetro da câmara de separação na extremidade da base, será observado que a nova unidade de hidrociclone pode ser designada substancialmente maior que o hidrociclone con30 vencional, graças à disposição de fluido de injeção descrita acima, em conformidade com a presente invenção. Isso proporciona a vantagem de que o tempo de residência da suspensão, ao passar através da unidade de hidro4 ciclone grande, é aumentado, pelo que a eficiência global de separação da unidade de hidrociclone é melhorada. Além disso, o fluido injetado pelo elemento de injeção dilui a suspensão que entra na segunda câmara de separação e, dessa forma, contrabalança a formação do tamponamento da rede de fibras. Isso torna possível a alimentação da nova unidade de hidrociclone com uma suspensão fibrosa de maior concentração de fibras, isto é, pelo menos de até 2,0% ou possivelmente maior que isso.

Por exemplo, um aumento na concentração de fibras de 1,0% a 2,0% resulta numa redução maior que 50% do fluxo através de uma instala10 ção de hidrociclone de múltiplos estágios, em que, pelo menos o primeiro estágio é equipado com unidades de hidrociclone da presente invenção. O fluxo reduzido, por sua vez, resulta em que o número de unidades de hidrociclone no primeiro estágio pode, conseqüentemente, ser reduzido. Uma vez que as taxas de rejeitos no primeiro estágio também são reduzidas, poucos estágios subseqüentes de hidrociclones, possivelmente convencionais, serão necessários. No presente exemplo, o número de hidrociclones nos estágios subseqüentes pode ser consideravelmente reduzido.

Assim, a capacidade da unidade de hidrociclone da presente invenção em operar com elevada concentração de fibras, combinado com taxas de rejeitos mais baixas que aquelas dos hidrociclones convencionais, significa menor quantidade de montagem, menor quantidade de tubulação, menor quantidade de bombas e menor quantidade de equipamentos auxiliares para uma nova instalação de hidrociclone equipada com as unidades de hidrociclone da presente invenção. Além disso, o consumo de energia para a operação da nova planta será significativamente mais baixo. Como resultado, os custos de investimento e energia de operação para a nova planta serão significativamente reduzidos, quando comparado com uma instalação convencional.

De acordo com uma modalidade preferida da invenção, o aloja30 mento forma uma primeira seção de câmara cônica, geralmente alongada, da câmara de separação, se estendendo da extremidade da base da câmara de separação para uma extremidade de topo da primeira seção de câma5 ra, tendo uma abertura axial, e uma segunda seção de câmara cônica, geralmente alongada, da câmara de separação, se estendendo de uma extremidade da base da mesma, tendo uma abertura axial, para a extremidade de topo da câmara de separação. A primeira seção de câmara se comunica com a segunda seção de câmara, de modo que o vórtice formado na câmara de separação durante a operação, se estende a partir da primeira seção de câmara, através da abertura axial da extremidade de topo da primeira seção de câmara e da abertura axial da extremidade de base da segunda seção de câmara, para dentro da segunda seção de câmara. O elemento de injeção de fluido é designado para injetar o fluido tangencialmente dentro da segunda seção de câmara, na extremidade de base da mesma, para aumentar a velocidade rotacional de uma porção do vórtice que ocorre na segunda seção de câmara.

Numa modalidade preferida, o comprimento da segunda seção de câmara é de pelo menos 60%, preferivelmente, de pelo menos 70%, do comprimento da primeira seção de câmara, o que permite a obtenção de um longo tempo de residência da suspensão circulante através da câmara de separação da unidade de hidrociclone. A largura da segunda seção de câmara, medida quando o fluido é injetado dentro da segunda seção de câma20 ra, é menor que a largura da primeira seção de câmara, preferivelmente, de 65 a 100% da largura da primeira seção de câmara, medida quando a suspensão é alimentada dentro da primeira seção de câmara. A largura da primeira seção de câmara no vórtice é de 50 a 75% da largura da primeira seção de câmara medida quando a suspensão é alimentada dentro da primei25 ra seção de câmara e o comprimento da primeira seção de câmara é de 5 a 9 vezes a largura da primeira seção de câmara, também medida, quando a suspensão é alimentada dentro da primeira seção de câmara.

O elemento de injeção de fluido pode injetar um líquido ou uma mistura de líquido e gás. Uma vantagem de se injetar uma mistura de líquido e gás é que o gás mecanicamente dissolve a rede de fibras que ocorre na segunda seção de câmara. Vantajosamente, o fluido injetado pode ser uma suspensão de fibras, tendo uma concentração de fibra inferior à concentra6 ção da suspensão de fibras a ser alimentada pelo elemento de admissão.

A primeira seção de câmara e a segunda seção de câmara são adequadamente posicionadas relativamente entre si, de modo que seus eixos simétricos centrais se interceptem entre si. Alternativamente, as primeira e segunda seções de câmara podem ser alinhadas entre si. Geralmente, a abertura axial na extremidade de topo da primeira seção de câmara forma a abertura axial na extremidade de base da segunda seção de câmara.

De acordo com uma primeira modalidade alternativa da invenção, a segunda seção de câmara inclui uma passagem de injeção na extre10 midade de base da segunda seção de câmara para receber o fluido injetado pelo elemento de injeção, em que a largura da passagem de injeção se expande ao longo da passagem de injeção, na direção da extremidade de topo da segunda seção de câmara.

De acordo com uma segunda modalidade alternativa da inven15 ção, a extremidade de base da segunda seção de câmara é mais larga que a extremidade do vórtice da primeira seção de câmara e a abertura da extremidade de topo da primeira seção de câmara forma a abertura da extremidade de base da segunda seção de câmara, pelo que a largura da câmara de separação aumenta de forma abrupta, quando a primeira seção de câmara passa para a segunda seção de câmara.

De acordo com uma terceira modalidade alternativa da invenção, o alojamento forma uma parede tubular que define a primeira seção de câmara e uma porção da parede tubular se estende dentro da segunda seção de câmara, de modo que a abertura axial na extremidade de topo da primeira seção de câmara seja situada na segunda seção de câmara, pelo que a dita porção de parede tubular funciona como um visor de vórtice na segunda seção de câmara. A segunda seção de câmara inclui uma passagem de injeção na extremidade de base da segunda seção de câmara, para receber o fluido injetado pelo elemento de injeção e a dita porção da parede tubular se estende após a dita passagem de injeção. Nessa modalidade, a largura da extremidade de topo da primeira seção de câmara é de 30-60% da largura da primeira seção de câmara, medida quando a suspensão é ali7 mentada dentro da primeira seção de câmara, não sendo maior que 90% da largura da segunda seção de câmara, quando o fluido é injetado dentro da passagem de injeção da segunda seção de câmara.

Embora as modalidades da invenção descritas acima somente incluam duas seções de câmara separadas da câmara de separação, é possível se dispor de três ou mais seções de câmara providas com dois ou mais elementos de injeção de fluido. Podem existir dois ou mais elementos de injeção de fluido para cada seção de câmara localizada no mesmo nível axial, em relação à câmara alongada de separação e dispostos de modo circunferencialmente espaçado entre si. Por exemplo, o alojamento pode ser provido de dois elementos de injeção de fluido circunferencialmente espaçados de 180° relativamente entre si, para injetar o fluido na segunda seção de câmara.

Pelo menos uma unidade de hidrociclone da invenção descrita acima é, vantajosamente, usada na instalação de hidrociclone que inclui pelo menos dois estágios de hidrociclones, um primeiro estágio consistindo de uma pluralidade de hidrociclones acoplados em paralelo e um segundo estágio de uma pluralidade de hidrociclones acoplados também em paralelo. Os dois estágios de hidrociclones são acoplados em cascata e, pelo menos um dos hidrociclones, no pelo menos primeiro estágio, compreende a dita unidade de hidrociclone. Cada um dos hidrociclones no pelo menos primeiro estágio da instalação de hidrociclones, preferivelmente, compreende a dita unidade de hidrociclone.

A presente invenção também se refere a um método de separação de uma suspensão de polpa fibrosa, contendo contaminantes relativamente pesados. O método compreende as seguintes etapas:

a) proporcionar uma câmara de separação cônica, geralmente alongada, apresentando uma extremidade de base aberta e uma extremidade de topo aberta;

b) alimentar a suspensão tangencialmente dentro da câmara de separação, na extremidade de base da mesma para formar um vórtice, no qual os contaminantes pesados são arrastados pelas forças centrífugas na direção radial e externa e as fibras são impulsionadas pelas forças de arraste na direção radiai e interna, pelo que uma fração central da suspensão substancialmente contendo fibras é criada centralmente no vórtice e uma fração de rejeitos contendo contaminantes pesados e algumas fibras é cria5 da na direção radial e externa na câmara de separação;

c) injetar um fluido tangencialmente dentro da câmara de separação, a uma distância da extremidade de topo da câmara de separação que é de pelo menos 40% do comprimento da câmara de separação, de modo que o fluido injetado aumente a velocidade rotacional de uma porção do vórtice na câmara, para aumentar a eficiência de separação com relação às fibras que existem na dita porção de vórtice;

d) descarregar a fração central criada através da extremidade de base aberta da câmara de separação; e

e) descarregar a fração de rejeitos criada da extremidade de 15 topo da câmara de separação.

O método da invenção compreende ainda;

f) proporcionar uma primeira seção de câmara cônica, geralmente alongada, da câmara de separação, que se estende a partir da extremidade de base da câmara de separação para uma extremidade de topo da primeira seção de câmara, tendo uma abertura axial, e uma segunda seção de câmara cônica, geralmente alongada, da câmara de separação, se estendendo de uma extremidade de base da mesma, que apresenta uma abertura axial, para a extremidade de topo da câmara de separação;

g) proporcionar comunicação entre a primeira seção de câmara e a segunda seção de câmara, de modo que o vórtice se estenda a partir da primeira seção de câmara, através da abertura axial da extremidade de topo da primeira seção de câmara e da abertura axial da extremidade de base da segunda seção de câmara, dentro da câmara de separação; e

h) injetar o fluido tangencialmente dentro da segunda seção de câmara, na extremidade de base da mesma, para aumentar a velocidade rotacional do vórtice que existe na segunda seção de câmara.

A etapa (c) pode ser realizada mediante injeção de um líquido ou uma mistura de líquido e gás. Por exemplo, a etapa (c) pode ser realizada dividindo um fluxo parcial da suspensão fibrosa alimentada dentro da primeira câmara de separação e injetar o dito fluxo parcial da suspensão fibrosa como o dito fluido dentro da segunda câmara de separação.

As primeira e segunda seções de câmara cônica alongada, podem ser designadas em conformidade com o modelo da unidade de hidrociclone da invenção, conforme descrito acima.

A unidade de hidrociclone da invenção, conforme descrito acima, é de um tipo conhecido na indústria de fabricação de polpa e papel, como um hidrociclone dianteiro, no qual a fração de material aceito contendo fibra é descarregada através da extremidade de base da câmara de separação e a fração de rejeitos contendo contaminantes pesados é descarregada através da extremidade de topo da câmara de separação.

Entretanto, a unidade de hidrociclone da presente invenção pode, alternativamente, ser de um tipo conhecido na indústria de fabricação de polpa e papel como um hidrociclone reverso, no qual a suspensão fibrosa é limpa de contaminantes leves. O hidrociclone reverso é operado de modo que a fração de material aceito contendo fibra se descarrega através da extremidade de topo da câmara de separação e a fração de rejeitos contendo os contaminantes leves se descarrega através da extremidade de base da câmara de separação.

Conseqüentemente, em conformidade com um aspecto alternativo da presente invenção, se proporciona uma unidade de hidrociclone reverso para separação de uma suspensão de polpa fibrosa contendo contaminantes relativamente leves, compreendendo um alojamento formando uma câmara de separação cônica alongada, apresentando uma extremidade de base e uma extremidade de topo, um elemento de entrada de suspensão no alojamento, designado para alimentar a suspensão a ser separada tangencialmente dentro da câmara de separação na extremidade da base da mesma, de modo que a suspensão que está chegando forma um vórtice, no qual as fibras são arrastadas pelas forças centrífugas na direção radial e externa e os contaminantes leves são impulsionados pelas forças de arraste na direção radial e interna, pelo que uma fração central de rejeitos da suspensão contendo contaminantes leves e algumas fibras é criada centralmente no vórtice e uma fração de material aceito substancialmente contendo fibras é criada na direção radial e externa na câmara de separação, uma saída de fração de material aceito na extremidade de topo da câmara de separação para descarregar a fração de material aceito, uma saída de fração central de rejeitos na extremidade de base da câmara de separação para descarregar a fração central de rejeitos e, pelo menos, um elemento de injeção de fluido para injetar um fluido dentro da câmara de separação. A unidade de hidrociclone reverso é caracterizada pelo fato de que o elemento de injeção de fluido é adaptado para injetar o fluido tangencialmente dentro da câmara de separação, a uma distância da extremidade da base da câmara de separação, a qual é pelo menos 40% do comprimento da câmara de separação, de modo que o fluido injetado aumente a velocidade rotacional de uma porção do vórtice na câmara, para aumentar a eficiência de separação com relação às fibras que existem na dita porção de vórtice.

A presente invenção também proporciona um método alternativo de separação de uma suspensão de polpa fibrosa contendo contaminantes relativamente leves, compreendendo:

a) proporcionar uma câmara de separação cônica alongada tendo uma extremidade de base aberta e uma extremidade de topo aberta;

b) alimentar a suspensão tangencialmente dentro da câmara de separação, na extremidade de base da mesma para formar um vórtice, no qual as fibras são arrastadas pelas forças centrífugas na direção radial e externa e os contaminantes leves são impulsionados pelas forças de arraste na direção radial e interna, pelo que uma fração central de rejeitos da suspensão contaminantes leves e algumas fibras é criada centralmente no vórtice e uma fração de material aceito substancialmente contendo fibras é criada na direção radial e externa na câmara de separação;

d) descarregar a fração central de rejeitos criada através da extremidade de base aberta da câmara de separação; e

e) descarregar a fração de material aceito criada da extremidade de topo da câmara de separação.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A seguir, a invenção será descrita em maiores detalhes fazendose referência aos desenhos anexos, nos quais:

A Figura 1 é uma vista esquemática em seção transversal de uma modalidade da unidade de hidrociclone, de acordo com a invenção;

As Figuras 2 e 3 representam modificações da modalidade mostrada na Figura 1;

A Figura 4 ilustra esquematicamente uma instalação de hidrociclone de cinco estágios, utilizando hidrociclones convencionais; e

A Figura 5 ilustra esquematicamente uma instalação de hidrociclone de três estágios, utilizando unidades de hidrociclones da invenção, as quais apresentam a mesma capacidade da instalação convencional mostrada na Figura 4.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Com referência às figuras dos desenhos, as referências numéricas semelhantes designam elementos idênticos ou correspondentes em todas as figuras apresentadas.

A Figura 1 mostra uma unidade de hidrociclone 1 da invenção, a qual compreende um alojamento 2 que forma uma câmara de separação cônica 3, geralmente alongada, apresentando uma extremidade de base 4 e uma extremidade de topo 5. Um elemento de entrada 6 é provido no alojamento 2 e designado para alimentar uma suspensão de fibras a ser separada tangencialmente dentro da câmara de separação 3, na extremidade de base 4 da mesma. Existem ainda uma saída de fração de rejeitos 7 na extremidade de topo 5 da câmara de separação 3, para descarregar uma fra12 ção de rejeitos criada da suspensão e uma saída central de fração de material aceito 8, definida por um visor de vórtice convencional 9, na extremidade de base 4 da câmara de separação 3, para descarregar uma fração central criada da suspensão.

Em operação, uma bomba 10 bombeia uma suspensão fibrosa contendo contaminantes pesados através de um conduto 11 para o elemento de entrada 6, o qual alimenta a suspensão tangencialmente dentro da câmara de separação 3. A suspensão que está chegando forma um vórtice, no qual os contaminantes pesados são arrastados pelas forças centrífugas na direção radial e externa e as fibras são impulsionadas pelas forças de arraste na direção radial e interna. Como resultado, é criada centralmente no vórtice uma fração central da suspensão, substancialmente contendo fibras, e uma fração de rejeitos contendo contaminantes pesados e algumas fibras é criada na direção radial e externa na câmara de separação. A fração de rejeitos criada é descarregada através da saída de fração de rejeitos 7 e a fração central criada é descarregada através da saída central de fração de material aceito 8.

O alojamento 2 forma uma primeira seção de câmara cônica 3a, geralmente alongada, da câmara de separação 3 que se estende a partir da extremidade de base 4 da câmara de separação 3 para uma extremidade de topo 12 da primeira seção de câmara 3a, apresentando uma abertura axial 13 e uma segunda seção de câmara cônica 3b, geralmente alongada, da câmara de separação 3, que se estende a partir de uma extremidade de base 14 da mesma para a extremidade de topo 5 da câmara de separação 3.

A abertura axial 13 da extremidade de topo 12 da primeira seção de câmara 3a, também forma uma abertura para a segunda seção de câmara 3b, na extremidade de base 14 da mesma. As primeira e segunda seções de câmara 3a e 3b são alinhadas entre si, de modo que seus eixos de simetria centrais formam um eixo de simetria central comum 15. O vórtice formado na câmara de separação 3 durante a operação, se estende a partir da primeira seção de câmara 3a, através da abertura axial 13 da extremidade de topo 12 da primeira seção de câmara 3a, dentro da segunda seção de câ13 mara 3b.

Um elemento de injeção 16 é provido no alojamento 2 para injetar um líquido tangencialmente dentro da câmara de separação 3, a uma distância da extremidade de topo 5 da câmara de separação 3 que é de pelo menos 40% do comprimento da câmara de separação 3. Na modalidade da Figura 1, a segunda seção de câmara 3b inclui uma passagem de injeção 3c na extremidade de base 14 da segunda seção de câmara 3b, para receber o líquido injetado pelo elemento de injeção 16. A largura da passagem de injeção 3c se expande ao longo da mesma, na direção da extremidade de base 5 da câmara de separação.

Em operação, uma bomba 17 bombeia líquido através de um conduto 18 para o elemento de injeção 16, o qual injeta o líquido tangencialmente dentro da segunda seção de câmara 3b, de modo que o líquido injetado aumente a velocidade rotacional de uma porção do vórtice na seção de câmara 3b, dessa forma, aumentando a eficiência de separação com relação às fibras existentes na dita porção de vórtice. Conforme indicado por uma linha quebrada 19 na Figura 1, um fluxo parcial da suspensão de fibras conduzida através do conduto 11 pode, opcionalmente, ser dirigida através de uma válvula ajustável 20 para o conduto 18.

O comprimento L1 da primeira seção de câmara 3a é de cerca de 60 cm e o comprimento L2 da segunda seção de câmara é de cerca de 50 cm. A largura da segunda seção de câmara 3b, medida quando o líquido é injetado, é de cerca de 6 cm e a largura da primeira seção de câmara 3a, quando a suspensão é alimentada, é de cerca de 8 cm.

Geralmente, o comprimento L1 da primeira seção de câmara 3a deve ser de 5 a 9 vezes a largura da primeira seção de câmara 3a, também medida quando a suspensão é alimentada dentro da primeira seção de câmara. A largura da segunda seção de câmara 3b, medida quando o líquido é injetado, deve ser igual ou menor que a largura da primeira seção de câmara, preferivelmente, de 65 a 100% da largura da primeira seção de câmara, medida quando a suspensão é alimentada dentro da primeira seção de câmara. A largura da primeira seção de câmara na extremidade de topo deve ser de 50 a 75% da largura da primeira seção de câmara, medida quando a suspensão é alimentada dentro da primeira seção de câmara.

A Figura 2 mostra uma modificação da modalidade de acordo com a Figura 1, em que o alojamento 2 forma uma parede tubular 21, defi5 nindo a primeira seção de câmara 3a e uma porção 22 da parede tubular 21 se estende dentro da segunda seção de câmara 3b, de modo que uma abertura axial 23 na extremidade de topo 12 da primeira seção de câmara 3a fica situada na segunda seção de câmara 3b, pelo que a porção 22 da parede tubular 21 funciona com um visor de vórtice na segunda seção de câmara

3b. A segunda seção de câmara 3b inclui uma passagem de injeção 24 na sua extremidade de base para receber o líquido injetado pelo elemento de injeção 16. A porção 22 da parede tubular 21 se estende após a passagem de injeção 24. Na presente modalidade, a largura da primeira seção de câmara 3a na extremidade de topo 12 deve ser de 30-60% da largura da pri15 meira seção de câmara 3a, medida quando a suspensão é alimentada dentro da primeira seção de câmara 3a, não devendo ser maior que 90% da largura da segunda seção de câmara 3b, medida quando o fluido é injetado dentro da passagem de injeção 24.

A Figura 3 mostra outra modificação da modalidade de acordo com a figura 1, em que a segunda seção de câmara 3b apresenta uma extremidade de base 25 que é mais larga que a extremidade de topo 12 da primeira seção de câmara 3a, e uma abertura 26 da extremidade de topo 12 da primeira seção de câmara 3a forma a abertura da extremidade de base 25 da segunda seção de câmara 3b. Como resultado, a largura da câmara de separação 3 aumenta de forma abrupta quando a primeira seção de câmara 3a passa para a segunda seção de câmara 3b.

A Figura 4 ilustra, esquematicamente, uma típica instalação de hidrociclone de cinco estágios, utilizando hidrociclones convencionais. Os hidrociclones de cinco estágios são acoplados em cascata, isto é, a fração de material aceito desenvolvida em quaisquer dos segundo a cinco estágios, é conduzida para a entrada de alimentação do estágio adjacente anterior. Uma polpa fibrosa de CSF média (Canadian Standard Freeness), é tratada na instalação para limpar a polpa fibrosa de contaminantes pesados. A polpa fibrosa é diluída com água, suprida por um tanque de água 27 para formar uma suspensão fibrosa tendo uma concentração de fibras (FC) de

0,99% em peso. O primeiro estágio 28 inclui 62 hidrociclones convencionais, os quais são alimentados com a suspensão em um fluxo de 38.000 L/min. No primeiro estágio 28, a suspensão se separa em uma fração de fibras aceitas, a qual é descarregada da instalação através de um conduto 29, e uma fração de rejeitos contendo contaminantes pesados e fibras, descarregada através de um conduto 30.

A taxa de rejeitos em peso desenvolvida no primeiro estágio 28 constitui 22% do fluxo de suspensão alimentado ao primeiro estágio (28) e contém uma substancial quantidade de fibras que devem ser recuperadas. Isso requer quatro estágios adicionais de hidrociclones, conforme ilustrado na Figura 4, em que o segundo 31, terceiro 32, quarto 33 e quinto 34 está15 gios incluem vinte e dois hidrociclones, sete hidrociclones, três hidrociclones e um hidrociclone, respectivamente. Assim, a instalação convencional mostrada na Figura 4 requer 99 hidrociclones convencionais. O consumo específico de energia da instalação convencional é de 13,8 kWh/ton.

A Figura 5 ilustra esquematicamente um exemplo de uma nova instalação de hidrociclone de três estágios, utilizando unidades de hidrociclone 1 da presente invenção e apresentando a mesma capacidade de produção da instalação convencional ilustrada na Figura 4. A polpa fibrosa (CSF média) é diluída em água com a água do tanque 27, para formar uma suspensão fibrosa tendo uma concentração de fibras (FC) de 1,99% em pe25 so. O primeiro estágio 35 inclui 27 unidades de hidrociclone que são alimentadas com a suspensão, em um fluxo de 17.000 L/min. O líquido de injeção na forma de água, licor branco ou suspensão fibrosa é injetado dentro da câmara de separação das respectivas unidades de hidrociclone. No presente caso, o líquido de injeção se apresenta na forma de água suprida do tan30 que de água 27 através de um conduto 38. A taxa de rejeitos em peso desenvolvida no primeiro estágio 35 constitui 10% do fluxo da suspensão alimentado ao primeiro estágio 35. Somente dois outros estágios de hidroci16 clones incluindo as unidades de hidrociclone 1 da invenção são necessários para recuperar as fibras na fração de rejeitos que deixa o primeiro estágio

35, em que o segundo estágio 36 e terceiro estágio 37 incluem quatro unidades de hidrociclone 1 e uma unidade de hidrociclone 1, respectivamente.

Assim, a nova instalação requer apenas 32 unidades de hidrociclone 1 (noventa e cinco hidrociclones para a instalação convencional). O consumo específico de energia da nova instalação é menor que 5 kWh/ton (13,8 para a instalação convencional).

A comparação acima entre uma instalação de hidrociclone con10 vencional, conforme ilustrado na Figura 4, e uma nova instalação utilizando unidades de hidrociclone da invenção, conforme ilustrado na Figura 5, enfatizam o significativo avanço da técnica da presente invenção.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Unidade de hidrociclone (1) para separar uma suspensão de polpa fibrosa contendo contaminantes relativamente pesados, compreendendo:

um alojamento (2) formando uma câmara de separação cônica alongada (3), tendo uma extremidade de base (4) e uma extremidade de topo (5), pelo menos um elemento de entrada de suspensão (6) no alojamento (2), designado para alimentar a suspensão a ser tangencialmente separada dentro da câmara de separação (3) na extremidade de base (4) da mesma, de modo que a suspensão que está chegando forma um vórtice, no qual os contaminantes pesados são arrastados pelas forças centrífugas na direção radial para fora e as fibras são impulsionadas pelas forças de arraste na direção radial para dentro, através do qual uma fração central de rejeitos da suspensão contendo fibras é centralmente criada no vórtice e uma fração de rejeitos contendo contaminantes pesados a algumas fibras é criada na direção radial para fora na câmara de separação (3), uma saída de fração de rejeitos (7) na extremidade de topo (5) da câmara de separação (3) para descarregar a fração de rejeitos, uma saída central de fração de material aceito (8) na extremidade de base (4) da câmara de separação (3) para descarregar a fração central, e pelo menos um elemento de injeção de fluido (16) para injetar um fluido dentro da câmara de separação, caracterizada pelo fato de que o elemento de injeção de fluido (16) é adaptado para injetar o fluido tangencialmente dentro da câmara de separação (3), a uma distância da extremidade de topo (5) da câmara de separação (3) que é de pelo menos 40% do comprimento (L1+L2) da câmara de separação (3), de modo que o fluido injetado aumente a velocidade rotacional de uma porção do vórtice na câmara de separação (3), para aumentar a eficiência de separação com relação às fibras que existem na porção de vórtice.
2. Unidade de hidrociclone, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o alojamento (2) forma uma primeira seção de câmara cônica (3a), geralmente alongada, da câmara de separação (3), que se estende a partir da extremidade de base (4) da câmara de separação (3) para uma extremidade de topo (12) da primeira seção de câmara (3a), a qual apresenta uma abertura axial (13,23,26), e uma segunda seção de câ5 mara cônica (3b), geralmente alongada da câmara de separação, que se estende a partir de uma extremidade de base (14,25) da mesma, tendo uma abertura axial (13,23,26), para a extremidade de topo (5) da câmara de separação, a primeira seção de câmara (3a) se comunica com a segunda seção de câmara (3b), de modo que o vórtice formado na câmara de separa10 ção (3) durante a operação se estende a partir da primeira seção de câmara (3a), através da abertura axial (13,23,26) da extremidade de topo (12) da primeira seção de câmara (3a) e da abertura axial (13,23,26) da extremidade da base (14,25) da segunda seção de câmara (3b) para dentro da segunda seção de câmara (3b), e o elemento de injeção de fluido (16) é de15 signado para injetar o fluido tangencialmente dentro da segunda seção de câmara (3b), na extremidade de base (14,25) da mesma para aumentar a velocidade rotacional de uma porção do vórtice que ocorre na segunda seção de câmara (3b).
3. Unidade de hidrociclone, de acordo com a reivindicação 2,

20 caracterizada pelo fato de que o comprimento (L2) da segunda seção de câmara (3b) é pelo menos 60% do comprimento (L1) da primeira seção de câmara (3a).
4. Unidade de hidrociclone, de acordo com as reivindicações 2 ou 3, caracterizada pelo fato de que a largura da segunda seção de câma25 ra (3b), medida quando o fluido é injetado dentro da segunda seção de câmara (3b), é igual ou menor que a largura da primeira seção de câmara (3a), medida quando a suspensão é alimentada dentro da primeira seção de câmara (3a).
5. Unidade de hidrociclone, de acordo com qualquer uma das

30 reivindicações 2 a 4, caracterizada pelo fato de que a largura da primeira seção de câmara (3a) na extremidade de topo (12) é de 50% a 75% da largura da primeira seção de câmara (3a), medida quando a suspensão é ali3 mentada dentro da primeira seção de câmara (3a).
6. Unidade de hidrociclone, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 5, caracterizada pelo fato de que comprimento (L1) da primeira seção de câmara (3a) é de 5 a 9 vezes a largura da primeira seção

5 de câmara (3a), medida quando a suspensão é alimentada dentro da primeira seção de câmara (3a).
7. Unidade de hidrociclone, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que o elemento de injeção de fluido (16) é adaptado para injetar um líquido ou uma mistura de líquido e

10 gás.
8. Unidade de hidrociclone, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o fluido a ser injetado é uma suspensão fibrosa, cuja concentração de fibras é menor ou igual a da suspensão fibrosa a ser alimentada pelo elemento de entrada (6).

15
9. Unidade de hidrociclone, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 6, caracterizada pelo fato de que as primeira e segunda seções de câmara (3a,3b) são posicionadas relativamente entre si, de modo que seus eixos centrais de simetria (15) se interceptem entre si.
10. Unidade de hidrociclone, de acordo com qualquer uma das

20 reivindicações 2 a 6, caracterizada pelo fato de que as primeira e segunda seções de câmara (3a,3b) são alinhadas entre si.
11. Unidade de hidrociclone, de acordo com as reivindicações 9 ou 10, caracterizada pelo fato de que a segunda seção de câmara (3b) inclui uma passagem de injeção (3c) na sua extremidade de base (14) para

25 receber o fluido injetado pelo elemento de injeção (16), a largura da passagem de injeção se expandindo ao longo da passagem de injeção, na direção da extremidade de topo (15) da câmara de separação (3).
12. Unidade de hidrociclone, de acordo com as reivindicações 9 ou 10, caracterizada pelo fato de que a extremidade de base (25) da se30 gunda seção de câmara (3b) é mais larga que da extremidade de topo (12) da primeira seção de câmara (3a), e a abertura (26) da extremidade de topo (12) da primeira seção de câmara (3a) forma a abertura da extremidade de base (25) da segunda seção de câmara (3b), através da qual a largura da câmara de separação (3) aumenta de forma abrupta quando a primeira seção de câmara (3a) passa para a segunda seção de câmara (3b).
13. Unidade de hidrociclone, de acordo com as reivindicações 5 11 ou 12, caracterizada pelo fato de que a largura da segunda seção de câmara (3b), medida quando o líquido é injetado dentro da segunda seção de câmara é de 65% a 100% da largura da primeira seção de câmara (3a), medida quando a suspensão é alimentada dentro da primeira seção de câmara.

10
14. Unidade de hidrociclone, de acordo com as reivindicações 9 ou 10, caracterizada pelo fato de que o alojamento (2) forma uma parede tubular (21) definindo a primeira seção de câmara (3a) e uma porção (22) da parede tubular se estende dentro da segunda seção de câmara (3b), de modo que uma abertura axial (23) na extremidade de topo (12) da primeira
15 seção de câmara fica situada na segunda seção de câmara (3b), através da qual a porção (22) da parede tubular funciona com um visor de vórtice na segunda seção de câmara (3b).

15. Unidade de hidrociclone, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que a segunda seção de câmara (3b) inclui uma

20 passagem de injeção (24) na extremidade de base da segunda seção de câmara (3b) para receber o fluido injetado pelo elemento de injeção (16), e a porção (22) da parede tubular (21) se estende após a passagem de injeção (24).
16. Unidade de hidrociclone, de acordo com a reivindicação 14,

25 caracterizada pelo fato de que a largura da extremidade de topo (12) da primeira seção de câmara (3a) é de 30% a 60% da largura da primeira seção de câmara (3a), medida quando a suspensão é alimentada dentro da primeira seção de câmara (3a), não sendo maior que 90% da largura da segunda seção de câmara (3b), quando o fluido é injetado dentro da passa30 gem de injeção (24) da segunda seção de câmara (3b).
17. Uso de pelo menos uma unidade de hidrociclone (1) conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado pe5

Io fato de que a instalação de hidrociclone inclui pelo menos dois estágios de hidrociclones, um primeiro estágio de uma pluralidade de hidrociclones acoplados em paralelo e em um segundo estágio de uma pluralidade de hidrociclones acoplados em paralelo, em que os dois estágios de hidrociclones são acoplados em cascata e pelo menos um dos hidrociclones no pelo menos primeiro estágio compreende a unidade de hidrociclone (1).
18. Uso, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que cada um dos hidrociclones no pelo menos primeiro estágio da instalação de hidrociclones compreende a unidade de hidrociclone (1).
19. Método para separar uma suspensão de polpa fibrosa contendo contaminantes relativamente pesados, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de:

proporcionar uma câmara de separação cônica alongada (3) tendo uma extremidade de base (4) aberta e uma extremidade de topo (5) aberta;

alimentar a suspensão tangencialmente dentro da câmara de separação (3), na extremidade de base (4) da mesma para formar um vórtice, onde os contaminantes pesados são arrastados pelas forças centrífugas na direção radial para fora e as fibras são impulsionadas pelas forças de arraste na direção radial para dentro, através do qual uma fração central da suspensão substancialmente contendo fibras é criada centralmente no vórtice e uma fração de rejeitos contendo contaminantes pesados e algumas fibras é criada na direção radial para fora na câmara de separação (3);

injetar um fluido tangencialmente dentro da câmara de separação a uma distância (L2) a partir da extremidade de topo (5) da câmara de separação (3), que é de pelo menos 40% do comprimento (L1+L2) da câmara de separação, de modo que o fluido injetado aumente a velocidade rotacional de uma porção do vórtice na câmara para aumentar a eficiência de separação com relação às fibras que existem na porção de vórtice;

descarregar a fração central criada através da extremidade de base (4) aberta da câmara de separação (3); e descarregar a fração de rejeitos criada da extremidade de topo (5) da câmara de separação (3).
20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que ainda compreende as etapas de:

proporcionar uma primeira seção de câmara cônica alongada 5 (3a) da câmara de separação (3) se estendendo a partir da extremidade de base (4) da câmara de separação para uma extremidade de topo (12) da primeira seção de câmara (3a), tendo uma abertura axial (13,23,26) e uma segunda seção de câmara cônica alongada (3b) da câmara de separação se estendendo a partir de uma extremidade de base (14,25) da mesma, tendo

10 uma abertura axial (13,23,26) para a extremidade de topo (5) da câmara de separação (3), proporcionar a comunicação entre a primeira seção de câmara (3a) e a segunda seção de câmara (3b) de modo que o vórtice se estende a partir da primeira seção de câmara (3a) através da abertura axial (13,23,26)

15 da extremidade de topo (12) da primeira seção de câmara (3a) e da abertura axial da extremidade de base da segunda seção de câmara (3b) dentro da segunda seção de câmara (3b), injetando o fluido tangencialmente dentro da segunda seção de câmara (3b) na extremidade de base (14,25) da mesma para aumentar a velocidade rotacional do vórtice que existe na segunda se20 ção de câmara.
21. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o comprimento (L2) da segunda seção de câmara (3b) é de pelo menos 60% do comprimento (L1) da primeira seção de câmara (3a).
22. Método, de acordo com quaisquer uma das reivindicações

25 19 a 21, caracterizado pelo fato de que a etapa (d) é implementada mediante injeção de um líquido ou uma mistura de líquido e gás.
23. Método, de acordo com quaisquer das reivindicações 19-21, caracterizado pelo fato de que a etapa de descarregar a fração central criada através da extremidade de base (4) aberta da câmara de separação

30 (3) é implementada mediante injeção de uma suspensão fibrosa.
24. Método, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que a etapa de descarregar a fração central criada através da extremidade de base (4) aberta da câmara de separação (3) é implementada pela divisão de um fluxo parcial de suspensão fibrosa alimentado dentro da câmara de separação (3) e pela injeção do fluxo parcial de suspensão fibrosa como o fluido dentro da câmara de separação (3).
25. Unidade de hidrociclone (1) reverso para separar uma suspensão de polpa fibrosa contendo contaminantes relativamente leves compreendendo:

um alojamento (2) formando uma câmara de separação cônica alongada (3), tendo uma extremidade de base (4) e uma extremidade de topo (5), pelo menos um elemento de entrada de suspensão (6) no alojamento (2), designado para alimentar a suspensão a ser tangencialmente separada dentro da câmara de separação (3) na extremidade de base (4) de modo que a suspensão que está chegando forma um vórtice, no qual as fibras são arrastadas pelas forças centrífugas na direção radial para fora e os contaminantes leves são impulsionados pelas forças de arraste na direção radial para dentro, através do qual uma fração central da suspensão substancialmente contendo os contaminantes leves e algumas das fibras é criada centralmente no vórtice, e uma fração de aceite substancialmente contendo fibras é criada na direção radial para fora na câmara de separação para descarregar a fração de aceite, uma saída de fração de rejeitos central (7) na extremidade de base (4) da câmara de separação (3) para descarregar a fração central, e pelo menos um elemento de injeção de fluido (16) para injetar um fluido dentro da câmara de separação.
26. Unidade de hidrociclone reverso, de acordo com a reivindicação 25, caracterizada pelo fato de que o elemento de injeção de fluido (16) é adaptado para injetar tangencialmente o fluido dentro da câmara de separação (3) em uma distância da extremidade de topo (5) da câmara de separação (3) que é pelo menos 40% do comprimento (L1+L2) da câmara de separação, de modo que o fluido injetado aumenta a velocidade rotacional de uma porção do topo na câmara para aumentar a eficiência de sepa8 ração.
27. Unidade de hidrociclone reverso, de acordo com a reivindicação 25, caracterizada pelo fato de que existe uma saída de fração de aceite para descarregar a fração de aceite a partir da câmara de separação,

5 a saída de fração de aceite estando axialmente situada na extremidade de topo (5) da câmara de separação (3).
28. Unidade de hidrociclone reverso, de acordo com a reivindicação 25, caracterizada pelo fato de que pelo menos um elemento de injeção de fluido (16) injeta um novo fluido dentro da câmara de separação (3).

10
29. Unidade de hidrociclone reverso, de acordo com a reivindicação 25, caracterizada peio fato de que o alojamento (2) forma uma primeira seção de câmara cônica (3a), geralmente alongada, da câmara de separação (3) que se estende a partir da extremidade de base (4) da câmara de separação (3) para uma extremidade de topo (12) da primeira seção

15 de câmara (3a) tendo uma abertura axial (13,23,26), e uma segunda seção de câmara cônica (3b), geralmente alongada, da câmara de separação (3), que se estende a partir de uma extremidade de base (14,25) da mesma, tendo uma abertura axial (13,23,26), para a extremidade de topo (5) da câmara de separação (3), a primeira seção de câmara (3a) se comunica com a

20 segunda seção de câmara (3b), de modo que o vórtice formado na câmara de separação (3) durante a operação se estende a partir da primeira seção de câmara (3a), através da abertura axial (13,23,26) da extremidade de topo (12) da primeira seção de câmara (3a) e da abertura axial (13,23,26) da extremidade da base (14,25) da segunda seção de câmara (3b) para dentro da se25 gunda seção de câmara (3b), e o elemento de injeção de fluido (16) é designado para injetar o fluido tangencialmente dentro da segunda seção de câmara (3b), na extremidade de base (14,25) da mesma para aumentar a velocidade rotacional de uma porção do vórtice que ocorre na segunda seção de câmara.
30. Unidade de hidrociclone reverso, de acordo com a reivindi30 cação 29, caracterizado pelo fato de que o comprimento (L2) da segunda seção de câmara (3b) é pelo menos 60% do comprimento (L1) da primeira seção de câmara (3a).

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