CN109803767A - 水力旋流器 - Google Patents

Abstract

公开了一种水力旋流器(10)，其中腔室(13)的入口部分(14)具有弯曲内侧壁表面(29)，其大体为涡形室形状，用于将使用中从进料入口端口(17)接收的材料引导为旋转运动。在所示的实施方式中，涡形室(28)在入口部分(14)内轴向向下倾斜，以朝向锥形分离部分(15)的方向，且转过大于270度的角度。该锥形部分具有中心轴线X‑X，且包括分别为截头圆锥形状的两个区段32、34，并端对端地连接在一起形成大体锥形分离腔室(15)。设置在这样形成的锥形分离腔室(15)的内壁表面(50)与平行于中心轴线X‑X的线之间的内角A理想地小于8度角度，以提供具有有利操作参数的水力旋流器设计。

Description

水力旋流器

技术领域

本发明大体涉及水力旋流器(hydrocyclone)，更具体地但非排他地，涉及适用于矿物和化学加工工业的水力旋流器。本发明还涉及水力旋流器的设计，作为优化其性能的方式。

背景技术

当液体通过锥形腔室时，水力旋流器通过在其中产生离心力将流动液体(例如矿物浆料)中携带的悬浮物分离成两个排出流。基本上，水力旋流器包括锥形分离腔室，通常大体与分离腔室的轴线相切并且设置在腔室的具有最大横截面尺寸的端部处的进料入口，在腔室的较小端处的底流出口，以及在腔室较大端的溢流出口。

进料入口被配置成将含有悬浮物的液体输送到水力旋流器分离腔室中，并且该装置使得较重(例如，密度较大和更粗)物质倾向于朝向腔室的外壁移动并朝向和通过位于中央的底流出口排出。较轻(密度较小或较细颗粒尺寸)的材料朝腔室的中心轴线移动并通过溢流出口排出。水力旋流器可用于通过悬浮固体颗粒的尺寸或通过颗粒密度进行分离。常规的例子包括采矿和工业应用中的固体分选任务。

为了实现水力旋流器的高效操作，进料进入的腔室较大端的内部几何构型和锥形分离腔室的内部几何构型是重要的。在正常操作中，这种水力旋流器形成中央空气柱，这是常规的大多数工业应用的水力旋流器设计。一旦水力旋流器轴线上的流体达到低于大气压的压力，则形成空气柱。该空气柱从底流出口延伸到溢流出口，并将水力旋流器下方的空气与顶部的空气简单地连接。空气芯的稳定性和横截面积是影响底流和溢流排放条件，维持正常水力旋流器运行的重要因素。

在正常的“稳定”操作期间，浆料通过倒置锥形腔室形式的水力旋流器分离腔室的上部入口进入，以便干净地分离。然而，在这样的操作期间水力旋流器的稳定性可被容易地被破坏，例如由于水力旋流器的过度进料导致空气芯坍塌，导致无效的分离过程，由此过量的细颗粒通过下部出口排出，或较粗的颗粒通过上部出口排出。

另一种形式的不稳定操作被称为“成绳(roping)”，其中通过下部出口排出固体的速率增加到流动受损的程度。如果没有及时采取纠正措施，通过出口的固体积聚将在分离腔室中累积，内部空气芯将坍塌，且下部出口将排出绳状粗固体流。

不稳定的操作条件会对下游处理产生严重影响，通常需要额外的处理(可以理解，这会对利润产生很大影响)并且还会导致设备磨损加速。水力旋流器设计优化对于水力旋流器能够应对输入浆料的组成和粘度的变化，进入水力旋流器的流体的流速变化以及其他操作不稳定性是需要的。

发明内容

公开了水力旋流器的实施例，包括：

-进料腔室，该进料腔室具有：内侧壁，位于所述内侧壁的使用上端的顶壁，位于所述内侧壁的使用下端且与所述顶壁相反的开口端，该开口端具有圆形横截面并具有中心轴线X-X，位于所述顶壁的溢流出口，和用于将待分离材料输送到所述进料腔室的入口；

-位于所述进料腔室的内侧壁的进料入口区域，该进料入口区域大体限定为涡形室形状，其中从内侧壁到中心轴线X-X的距离随着涡形室围绕内侧壁在远离入口的方向上的行进而减小；且涡形室对向大于270度角的角度；

-大体锥形的分离腔室，其从与进料腔室的开口端相邻的较大横截面区域的第一端延伸至相对较小横截面积的第二端；

-从锥形分离腔室的第二端延伸的套管，其在使用中提供用于离开水力旋流器的材料的出口；和

其中锥形分离腔室的内壁与平行于中心轴线X-X的线之间的内角小于8角度。

已经发现这种物理配置可以促进稳定的旋风分离器排放流，最小化旋风系统过程中的任何背压，最大化旋风分离器内产生的中心轴向空气芯的横截面积，最大化产品的生产能力，例如，以每小时数吨为单位，并将物理分离过程参数保持在稳定水平。

发明人认为，通过使用以下组合产生的流体流动可实现这些操作优点：进料腔室的涡形内侧壁，围绕其圆周延伸至少四分之三，并且流入平缓的-渐缩锥形分离腔室。

在一些实施例中，涡形室对向约360度角的角度。

在一些实施例中，锥形分离腔室的内壁与平行于中心轴线X-X的线之间的内角在4到6度角之间。在一个优选实施例中，所述角度约为5度。

在某些实施例中，大致锥形的分离腔室包括两个区段，每个区段具有截头圆锥形状，并且端对端地连接在一起。

在某些实施方案中，水力旋流器包括溢流出口控制腔室，其位于进料腔室的顶壁处并通过溢流出口与该进料腔室流体连通。

通过以下结合附图的详细描述，其他方面，特征和优点将变得显而易见，附图是本发明的一部分并且通过示例的方式示出了所公开的本发明的原理。

附图说明

附图有助于理解接下来描述的各实施例：

图1是根据本发明第一实施例的水力旋流器的剖面示意图(在平面A-A中)；

图2是根据图1的水力旋流器的示意性透视图；

图3a是根据图1的水力旋流器的进料腔室下部的示意性透视图；

图3b是图3a的进料腔室下部的下侧平面视图；

图3c是沿着与中心轴线X-X垂直的平面Y-Y观察的图3a的进料腔室下部的顶视图；

图4是根据图1的水力旋流器的进料腔室部分的下部的另一个透视示意图；和

图5是根据图1的水力旋流器的进料腔室部分的下部的局部透视示意图。

具体实施方式

本发明涉及这种类型的水力旋流器的设计特征，该水力旋流器有助于将液体或半液体材料混合物分离成期望的两物相(phases of interest)。水力旋流器具有能够实现稳定操作的设计，具有最大化的生产量和良好的物理分离工艺参数。

在使用时，水力旋流器通常以其中心轴线X-X直立设置或接近直立设置。参考图1，示出了水力旋流器10的截面示意图，该水力旋流器10包括主体12，主体12具有限定在其中的腔室13。腔室13包括入口(或进料)部分14和锥形分离部分15。水力旋流器还包括圆形横截面的圆柱形进料入口端口17，用于将颗粒浆料形式的含颗粒混合物进给至腔室13的入口部分14中。

溢流出口(下文称为“上部出口”)18居中地位于腔室13的平坦、盘状上(顶)壁20中，溢流出口18用于排出第一物相。通常，该溢流出口18呈圆柱形、短长度的管的形式，并且被称为涡流导向器(vortex finder)27，其均从上壁20向外伸出，并且还从上壁20延伸到腔室13的内部。

底流出口(下文称为“下出口”)22居中地位于腔室13的另一端(即，在锥形分离部分15的顶点)，远离入口部分14，用于排出第二物相。图中所示的底流出口22是锥形分离部分15的开口端。在所使用的水力旋流器10中，通过底流出口22的材料流入圆柱形管道形式的另一部分，称为套管(spigot)55，该套管本身具有与底流出口22相似直径和配合横截面的入口52开口。套管55具有向内渐缩的内表面衬里60，其具有与锥形分离部分15的内壁表面50不同的锥形形状，如下所述。

水力旋流器10布置成用于产生内部空气芯，浆料在其周围循环。在稳定操作期间，水力旋流器10操作使得浆料的较轻固相通过最上面的溢流出口18排出，较重的固相通过下部底流出口22，接着通过套管55排出。内部产生的空气芯沿主体12的长度延伸。

水力旋流器10可选地还包括溢流出口控制腔室21，其位于水力旋流器10的腔室13的入口部分14附近，并且通过涡流导向器27与入口部分14流体连通。溢流出口控制腔室21包括切向地-定位的排出口24和从溢流出口18远离的居中设置空气芯稳定孔25。稳定孔25，涡流导向器27和溢流出口18大体沿着水力旋流器10的中心轴线X-X轴向地对齐。

溢流出口控制腔室21具有弯曲的内侧壁表面(未示出)，其为大体涡形室形状，用于将使用中从腔室13接收的材料引向排出口24。该涡形室形状可围绕出口控制腔室21的内表面延伸最高达360度角。

水力旋流器10的腔室13的入口部分14具有弯曲的内侧壁表面29，其通常为涡形室(volute)28的形状，用于将在使用中从进料入口端口17接收的材料引导至在入口部分14(所谓的进料入口区域)内进行旋转运动。经由进料入口端口17接收的进料大体切向地流至内侧壁表面29。在所示的实施方式中，涡形室28以朝向锥形分离部分15的方向轴向向下倾斜至入口部分14中，并且转过360度角度。如图3C和图5中所示，从涡形内侧壁表面29到水力旋流器腔室13的入口部分14的中心轴线X-X的距离随着涡形室围绕内侧壁表面29以远离进料入口端口17的方向前进而减小。

在一些其他实施例中，相似类型的涡形内侧壁可以围绕入口部分14的内表面轴向向下倾斜，所述内表面对向(subtending)其他角度，范围从大于270度角度到小于360度角度，每个角度被布置成在使用中以使固液进料在入口部分14内旋转运动。

如图3A、3B、4和5所示，水力旋流器10的腔室13的入口部分14具有最下端的开口端区域30，其位于涡形内侧壁表面29的端部，并且具有圆形横截面。该开口端区域30位于入口部分14的与其上壁20相反的一端。在使用中，材料从入口部分14内的涡形室28流出，经过入口部分14的开口端区域30流出，并立即进入水力旋流器10的锥形分离部分15中。圆形、最下端的开口端区域30还具有中心轴线X-X，并且沿着水力旋流器10的中心轴线X-X与上述涡流导向器27和溢流出口18大体轴向对齐。

水力旋流器10的锥形分离腔室15包括两个区段32、34，每个区段具有截头圆锥形状，并且通过位于设置在两个截头圆锥区段32、34的相应端处的匹配周向法兰40、42处的螺帽36和螺栓38端对端地接合在一起。该两个截头圆锥区段32、34具有相似的形状，但是一个截头圆锥区段32大于另一个截头圆锥区段34，使得最大区段32的最窄端内径44与较小区段34的最大端内径46相似。此外，最大区段32的最大端内径48与入口部分14的最下开口端区域的直径相似。

两个截头圆锥形区段32、34端对端地连接形成具有中心轴线X-X的大致锥形分离腔室15，并且在使用中与相邻进料腔室14的开口端30邻近地连接，以形成水力旋流器10的主体。当截头圆锥形区段32、34连接在一起时，位于如此形成的锥形分离腔室15的内壁表面50和平行于中心轴线X-X的线之间的内角A约为5度角，在图1所示的一种优选形式中。还发现角度A在4到6度之间也提供了具有有益操作参数的水力旋流器设计。

在本发明范围内的其他实施例中，锥形分离腔室15的内壁表面50与平行于中心轴线X-X的线之间的内角A可以是小于8度的角度，仍然使得水力旋流器设计具有有益的操作参数。

水力旋流器10的最后部分是称为套管55的端部区段，其具有圆形横截面并且具有入口开口52，该入口开口52在使用中连接到分离腔室15的较小截头圆锥区段34的圆形开口端底流出口22。该套管55还具有中心轴线X-X，且与水力旋流器10的上述分离腔室15大体轴向地对齐。通过设置在配合周向法兰处的连接件56的方式将套管55端对端地接合至截头圆锥区段34，一个法兰设置在套管55的上端，且另一个法兰与截头圆锥区段34的最下端开口区域22相邻。由于套管55提供了让材料从水力旋流器排出的出口，其可能经受显著的侵蚀磨损，且通常更多地衬有耐磨材料，例如具有与锥形分离腔室15的区段相比不同形状的陶瓷衬里60。

实验结果

本发明人使用本文公开的新设备配置产生实验结果，以与基线情况(没有新配置)相比，评估来自新水力旋流器的操作的冶金学有益结果。

表1-1显示了其中与常规水力旋流器相比，新配置的水力旋流器的多个实验的结果。

所计算的参数包括：水旁路量(WBp)的变化百分比(％)；和绕过分选步骤的细颗粒量(Bpf)的变化百分比(％)。在操作不良的水力旋流器中，一些水和细颗粒在旋风分离器粗颗粒底流(筛上物)排出流中被不适当地带走，而不是提供到细颗粒溢流，如最佳水力旋流器操作期间的情况。参数WBp和Bpf提供了这种措施。

还观察到来自分选步骤的溢流中的平均颗粒切割尺寸(d50)的变化百分比(％)，作为提供至细颗粒溢流的更多或更少细颗粒的量度。当进给至设备时，这种特定尺寸d50的颗粒具有提供到底流或溢流的相同概率。

还观察到水力旋流器的分选的效率因子的量化，与计算的“理想分选”相比较。该参数阿尔法(α)表示分选的敏锐度。它是一个计算值，最初由Lynch和Rao(昆士兰大学，JK矿物研究中心，JKSimMet手册)开发。以各种尺寸带来量化进料流中颗粒的尺寸分布，并测量各带中提供至底流(筛上物)排出流的百分比。然后，绘制每个带中提供至底流的百分比(作为纵坐标，或Y轴)相对于从最小到最大的颗粒尺寸范围(作为横坐标，或X轴)的图。最小的颗粒具有提供至筛上物(oversize)颗粒的最低百分比。在Y轴的d50点，所得到曲线的斜率提供阿尔法(α)参数。它是一个比较数字，可用于比较分选器。阿尔法参数的值越高，分离效率越高。

当将具有根据本发明的内腔室的溢流出口控制装置与不具有任何溢流出口控制腔室的水力旋流器的使用进行比较时，表1-1中的数据表明：

-通过在底流中结束，水力旋流器分选的水旁路量(WBp)减少48.9％；

-通过在底流中结束而绕过分选步骤的细颗粒(Bpf)的量减少41.5％；

-来自分选步骤的溢流中的平均颗粒切割尺寸(d50)略微降低(1.7％)；和

-α分离效率参数提高36.4％。

总之，通过使用本发明的水力旋流器在底流中结束，而对水旁路(WBp)和对绕开分选步骤的细颗粒量(Bpf)具有显著改进-另外具有对α分离效率参数的显著改进。所有这些测量的改进都令人惊讶显著而且出乎意料。

在矿物加工厂进行的一些进一步测试工作中，客户希望减小颗粒切割尺寸P80(80％材料的尺寸小于该尺寸)。换句话说，他们想要生产更细的颗粒尺寸分布浆料，然后预期其将提供更好的下游分离性能。为了开发能够实现这种切割尺寸的水力旋流器设备，包括改变锥体内部的角度，从初始设计的水力旋流器底座的完全对向角度18°(相当于从内锥体壁到中心轴线X-X对向的9°角度)，到使用在水力旋流器底座的完全对向角度13°(相当于从内锥体壁到中心轴线X-X对向的6.5°角度)，这现在在所要求的小于8度的范围内。

从现场试验中测量的数据是关于颗粒尺寸分布或“切割”的，这可以通过这种新配置的设备实现。

实际上，新配置的水力旋流器通过将P80从185微米减小到164微米，能够显著减小颗粒切割尺寸。只有将锥角从9°稍减小到6.5°，结合水力旋流器的其他特征，结果表明更精细的矿石材料能够被送去进行更有效的下游处理(例如矿物浮选)，且筛上物材料能够被送回重新研磨以释放更多的有价值矿物，从而提高整个加工厂的产量。

发明人已经发现，使用上述水力旋流器分离装置的实施例可以实现不依赖于浆料的流体动力学的最佳操作条件，并且已经发现这种物理构造：

-促进稳定的水力旋流器排放流，

-最小化水力旋流器系统工作过程中的背压，

-最大化水力旋流器内产生的中心轴空气芯的横截面积，

-以例如每小时吨数为单位最大化产品的吞吐量，和

-将物理分离过程参数保持在稳定水平。

发明人认为通过使用以下组合产生的流体流动，通过提供最小化流动中的湍流的流体路径来实现这些操作优势：进料腔室的涡形内侧壁，在其周围延伸至少四分之三并且直到一个圆周，并且紧接着流体流入相对平缓的-渐缩锥形分离腔室。

对整个矿物加工厂的主要影响与随后的浮选回路中的回收增加和再循环负荷的减少有关，因此允许提高处理新鲜进料的能力。发明人认为，由于水力旋流器几何形状的这种变化，生产力的增加可能超过20％。

在某些实施例的前述描述中，为了清楚起见，已采用特定术语。然而，本发明不旨在限于如此选择的特定术语，并且应当理解，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似技术目的的其他技术等同物。诸如“上”和“下”，“上方”和“下方”等术语用作方便的词语以提供参考点，并且不应被解释为限制性术语。

在本说明书中，词语“包含”应理解为其“开放”意义，即，在“包括”的意义上，因而不限于其“封闭”意义，即“仅包含”的意义。的”。相应的含义应归于它们出现的相应词语“包括”，“包含”和“包含”。

结合可以共享共同特征和特征的若干实施例提供前述描述。应理解，任何一个实施例的一个或多个特征可与其他实施例的一个或多个特征组合。另外，任何实施例中的任何单个特征或特征的组合可以构成另外的实施例。

另外，前面仅描述了本发明的一些实施例，并且可以在不脱离所公开实施例的范围和精神的情况下对其进行改变，修改，添加和/或改变，这些实施例是说明性的而非限制性的。例如，水力旋流器的锥形部分可以由两个以上截头圆锥形区段组成，端对端连接。这种截头圆锥形区段彼此连接的装置不仅可以通过位于端子凸缘边缘的螺栓和螺母，而且可以通过其他类型的紧固装置，例如某种类型的外部夹具，来实现。水力旋流器主体部件的构造材料虽然通常由硬塑料或金属制成，但也可以是其他材料，例如陶瓷。如本文所述，水力旋流器部件的内衬材料可以是橡胶或其他弹性体或陶瓷，形成进料腔室14或锥形分离腔室15的所需内部形状几何形状。

此外，本发明已经结合目前被认为是最实用和优选的实施例进行了描述，应该理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，旨在涵盖各种实施例。包含在本发明的精神和范围内的修改和等同布置。而且，上面描述的各种实施例可以结合其他实施例来实现，例如，一个实施例的各方面可以与另一个实施例的各方面组合以实现其他实施例。此外，任何给定组件的每个独立特征或组件可以构成另外的实施例。

Claims (6)

1.一种水力旋流器，包括：

-进料腔室，该进料腔室具有：

-内侧壁，

-位于所述内侧壁的使用上端的顶壁，

-位于所述内侧壁的使用下端且与所述顶壁相反的开口端，该开口端具有圆形横截面并具有中心轴线X-X，

-位于所述顶壁的溢流出口，和

-用于将待分离材料输送到所述进料腔室的入口端口；

-位于所述进料腔室的内侧壁的进料入口区域，该进料入口区域大体限定为涡形室的形状，其中：

-从内侧壁到中心轴线X-X的距离随着涡形室围绕内侧壁在远离所述入口端口的方向上的行进而减小；且

-涡形室对向大于270度角的角度；

-大体锥形的分离腔室，其从与进料腔室的开口端相邻的较大横截面积区域的第一端延伸至相对较小横截面积的第二端；

-从锥形分离腔室的第二端延伸的套管，其在使用中提供用于离开所述水力旋流器的材料的出口；和

-其中锥形分离腔室的内壁与平行于中心轴线X-X的线之间的内角小于8度角。

2.根据权利要求1所述的水力旋流器，其中所述涡形室对向约360度的角度。

3.如权利要求1所述的水力旋流器，其中所述锥形分离腔室的内壁与平行于中心轴线X-X的线之间的内角在4到6度之间。

4.如权利要求1所述的水力旋流器，其中所述锥形分离腔室的内壁与平行于中心轴线X-X的线之间的内角约为5度角。

5.根据前述权利要求中任一项所述的水力旋流器，其中所述大致锥形的分离腔室包括两个区段，每个区段具有截头圆锥形状，并且端对端地连接在一起。

6.根据前述权利要求中任一项所述的水力旋流器，包括溢流出口控制腔室，所述溢流出口控制腔室位于所述进料腔室的顶壁处并且经由所述溢流出口与所述进料腔室流体连通。