FI122293B

FI122293B - Hydrosykloni

Info

Publication number: FI122293B
Application number: FI20105881A
Authority: FI
Inventors: Jan Backman
Original assignee: Ovivo Luxembourg Sarl
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2011-11-15
Also published as: SE0800237L; FI20105881A; US20100307969A1; BRPI0907062B1; US8205756B2; CA2713843A1; BRPI0907062A8; BRPI0907062A2; WO2009096890A1; SE531578C2; CA2713843C

Description

Hydrosykloni Tekniikan ala

Esillä oleva keksintö koskee hydrosyklonia, jossa on väline turbulenssin aikaansaamiseksi. Yksityiskohtaisemmin se koskee nesteseoksen erottelemiseksi raskaaksi jakeeksi ja kevyeksi 5 jakeeksi tarkoitettua hydrosyklonia, joka käsittää kotelon, joka muodostaa pitkänomaisen ero-tuskammion, jolla on kehämäinen seinämä, tyvi pää ja kärki. Kotelossa on vähintään yksi syöttöelin nesteseoksen syöttämiseksi erotuskammioon, jolloin vähintään yksi syöttöelimistä on sijoitettu tyveen, ensimmäinen ulostuloelin erotetun kevyen jakeen poistamiseksi erotus-kammiosta on sijoitettu tyveen ja toinen ulostuloelin erotetun raskaan jakeen poistamiseksi 10 erotuskammiosta on sijoitettu kärkeen.

On myös saatu aikaan väline nesteseoksen syöttämiseksi erotuskammioon sanotun vähintään yhden syöttöelimen välityksellä niin, että toiminnan aikana muodostuu nestevirtaus kierteisenä pyörteenä erotuskammion keskiakselin ympäri, joka sanottu kierteinen pyörre ulottuu tyvestä kärkeen. Kehämäiseen seinämään on muodostettu vähintään osalta erotuskammiota vähintään 15 yksi väylä ja vähintään yksi väline turbulenssin muodostamiseksi, joka väline käsittää kehämäisen seinämän väylässä olevan vähintään yhden portaan, jonka kohdalla erotuskammion säde kasvaa.

Tausta

Sellu- ja paperiteollisuudessa käytetään yleisesti hydrosykloneja ei-toivottujen partikkeleiden 20 ja lian, yleisemmin raskaiden partikkeleiden poistamiseksi kuitususpensioista. Siten kuitusus- ^ pensio erotellaan raskaaksi jakeeksi, joka sisältää sanottuja ei-toivottuja raskaita partikkeleita c\i ^ ja kevyeksi jakeeksi, joka sisältää kuituja.

i o Ei-toivottujen raskaiden partikkeleiden määritelmän mukaisesti ne käsittävät partikkeleita, ir joilla on suurempi tiheys verrattuna hyväksyttyihin kuituihin, kuten hiekka, sora, metalli, pin-

CL

25 noitehiutaleet ja suuren tiheyden omaavat muovit. Mutta ei-toivotut partikkelit voisivat olla oo 2^ myös orgaanisia partikkeleita, jotka ovat lähtöisin puuaineksista, esimerkiksi erilaiset kuori en q partikkelit, tikut, lastut, pihkapartikkelit, putkilot ja paksuseinämäiset karkeat kuidut. Viimeksi

(M

2 mainituilla saattaisi olla sama tiheys kuin hyväksytyillä kuiduilla, mutta ne erottuvat niiden pienemmästä ominaispinta-alasta johtuen.

Tyypillisessä hydrosyklonilaitoksessa tätä tarkoitusta varten on hydrosyklonit järjestettyinä kaskadikäyttöisiksi vaiheiksi.

5 Jotta kaskadivaiheiden lukumäärä voitaisiin pitää alhaisena, on tärkeää suorittaa erottelu niin korkealla selektiivisyydellä kuin mahdollista kussakin hydrosyklonissa, ts. minimoida kui-tuosuus, joka erottuu ja poistuu raskaan jakeen ulostulosta kussakin hydrosyklonissa, rajoittamatta ei-toivottujen partikkeleiden osuutta. On myös tärkeää vähentää kuitukonsentraatiota raskaan jakeen ulostulossa, jotta voidaan välttää raskaiden jakeiden ulostulon tukkiutuminen 10 kärjessä päässä ja saavuttaa varmat toimintaolosuhteet.

Tavoitteena on minimoida paksuuntumiskerroin Tf (Thickening factor).

Tf=Rm/Rv jossa Rm (Reject share by mass) on rejektin osuus massana (kuitujen suhde) ja Rv (Reject share by volume) on rejektin osuus tilavuutena (virtaussuhde) raskaan jakeen ulostulosta.

15 Jotta voidaan minimoida hydrosyklonin paksuuntumiskerroin, voidaan varustaa väline turbulenssin muodostamiseksi erotuskammioon. Sellaisia esimerkkejä on kuvattu esimerkiksi julkaisussa EP 615469 Bl. Tällainen väline turbulenssin muodostamiseksi voi olla porras, jossa erotuskammion sisäseinämän säde yhtäkkiä kasvaa, mikä aiheuttaa pyörrevirtauksen, joka laajentaa kuituhöytäleitä ja vapauttaa ei-toivottuja partikkeleita kuituverkosta, joka usein muo-T- 20 dostuu erotuskammion seinämän lähelle. Portaat ovat samansuuntaisia hydrosyklonin keskiak- cm selin kanssa.

i o ^ On kuitenkin tarve tasapainottaa niin, että turbulenssivirtauksen luominen, joka laajentaa kui- o tuhöytäleitä, ei häiritse kierteistä pyörrettä, joka erottaa ei-toivottuja partikkeleita, niin että cc hydrosyklonin erotusteho ei pienene, oö g 25 Toinen tunnettu hydrosykloni, jossa on väline pyörteen muodostamiseksi on Celloco Cleanpac o 130, jota valmistaa ja myy GL&V Sweden AB. Siinä on kierteen mallinen väylä erotuskam mion kehäseinämässä, osalta erotuskammiota, samassa suunnassa kuin nestevirran kierteinen 3 pyörre laitteen ollessa käytössä. Väline turbulenssin aikaansaamiseksi on sama kuin EP 615469 Bl:ssä, ts. se, että kierteisessä väylässä on äkillinen kasvu erotuskammion säteessä, yksi kierteisen väylän kierrosta kohti ja samansuuntaisesti keskiakselin kanssa.

Keksinnön yhteenveto 5 Esillä oleva keksintö on lisäparannus julkaisun EP 615469 B1 teknologiaan. Tämä on saatu aikaan alun perin kuvatun tyyppisellä hydrosyklonilla, jossa sanotulla vähintään yhdellä portaalla on kulma suhteessa keskiakseliin.

Järjestämällä vähintään yksi porras, jossa erotuskammion säde kasvaa, keskiakseliin nähden kulmaan, muodostuu sekundaarinen pyörre johtuen paineen pudotuksesta, j oka tapahtuu por-10 taan/portaiden j älkeen, j ossa on virtauskomponentti säteittäisesti ulospäin j a virtauskompo- nentti kohti kärkeä kuljettaen suhteellisesti painavampia partikkeleita erotuskammion kehäsei-nämällä säteittäin ulospäin ja kohti kärjessä olevaa raskaan jakeen ulostuloa. Siten saadaan minimoitua kaikki virtauskomponentit, jotka suuntautuvat säteittäisesti sisäänpäin, jotka voisivat häiritä neste virtauksen kierteistä pyörrettä ja siten häiritä ei-toivottujen partikkeleiden erot-15 tamista.

Sekundaaripyörteen kiertymäakseli on suunnilleen samassa kulmassa keskiakseliin nähden kuin portaan tai kasvatetun kulman. Tämä johtuu siitä, että pääasiassa sekundaaripyörre tulee olemaan linjassa kallistetun portaan kanssa, mutta osa kierteisestä pyörteestä, joka kulkee pitkin kehäseinämää, saavuttaa kallistetun portaan pienellä viiveellä porrasta pitkin, koska kier-20 teinen pyörre saavuttaa ensin portaan ensimmäisen pään kohdassa, joka on lähimpänä hydro-syklonin tyveä ja sen jälkeen pitkin porrasta kohti portaan toista päätä, joka on lähimpänä kär-o keä.

i o ^ Yhden suoritusmuodon mukaisesti, jos on järjestetty enemmän kuin yksi porras kehäseinämän ° väylälle, on muodostettu käytävä kahden peräkkäisen portaan välille kohti kärkeä. Käytävällä x cc 25 on suunnilleen sama säde. Tämä käytävä helpottaa ei-toivottujen partikkeleiden virtaamista oö käytävää pitkin virtaamaan kohti kärkeä käytävän läpi seuraavaan väylän tasoon kehäseinä- oo o mässä. Sekundaaripyörre käytävän jälkeen helpottaa lisää ei-toivottujen partikkeleiden vir- oj taamista seuraavalle väylän tasolle.

4

Toisessa suoritusmuodossa portaiden ensimmäinen ja toinen reuna on pyöristetty niin, että saadaan aikaan sujuva yhteys peräkkäisten väylien välille ennen ja jälkeen porrasta.

Kehäseinämässä olevalla väylällä voi olla useita erilaisia muotoja ja kuvioita. Esimerkiksi väylä voi käsittää vain osan kehäseinämästä keskiakselia pitkin katsottuna. Mutta väylä voi 5 myös tai sen sijaan kattaa osan ympyrän kehästä, esimerkiksi puolet kehästä. Yhdessä edullisessa suoritusmuodossa väylällä on kierukkamainen muoto. Toisessa edullisessa suoritusmuodossa väylä on kierukkamainen, mutta epäsymmetrinen siten, että yksi puoli kehäseinämää on tasainen ja vastakkaisella puolella on suurempi väylän syvyys verrattuna symmetriseen kie-rukkamaiseen väylään. Vielä toisessa edullisessa suoritusmuodossa väylä on epäsymmetrisesti 10 järjestettyjen sylinterien muotoinen ja pienenee säteeltään kohti kärkeä, jolloin yksi sivu kehä- seinämää on tasainen ja vastakkaisella sivulla on kasvatettu väylän syvyys verrattuna symmetrisesti järjestettyihin sylintereihin.

Esillä olevan keksinnön vielä toisen suoritusmuodon mukaisesti kehäseinämän kullakin kierteisen väylän kierroksella on porras. Portaan kulma keksiakseliin nähden voi olla välillä 2 ja 15 70 astetta, parhaiten välillä 5 ja 45 astetta.

Vaikka edellä kuvatut kaksi tunnettua hydrosyklonia pienentävätkin paksuuntumiskerrointa, keksinnön mukainen hydrosykloni lisää myös rejektin pienentämisen tehokkuutta. Niinpä on mahdollista saada ulos pienempi määrä erotettua raskasta jaetta (tämä johtuu pienemmästä paksuuntumiskertoimesta) ja kuitenkin pienentää ei-toivottujen partikkeleiden määrä samalle 20 tai jopa paremmalle tasolle. Sen vuoksi pienempi määrä kevyitä jakeita (esim. kuituja sisältäviä) joutuu hukkaan. Testit ovat osoittaneet, että tämä antaa parhaan hyödyn hydrosykloneilla, 21 joissa on suurikokoiset syöttöaukot, mikä myös tuottaa pienemmän paineenpudotuksen hydro- o ^ syklonin läpi ja säästää siten energiaa, o i g Lyhyt piirustusten kuvaus

X

cc 25 Esillä olevaa keksintöä kuvataan nyt yksityiskohtaisemmin viitaten liitteenä oleviin piirustuk- oö siin, joissa: oo tn o q Kuvio 1 esittää leikkauskuvan hydrosyklonissa esillä olevan keksinnön yhden suoritusmuodon

(M

mukaisesti, 5

Kuvio 2 esittää toiminnallisia piirteitä keksinnön suoritusmuodossa,

Kuvio 3 esittää kierteisen väylän hydrosyklonin sisällä esillä olevan keksinnön yhden suoritusmuodon mukaisesti,

Kuvio 4 esittää epäsymmetrisen kierteisen väylän hydrosyklonin sisällä esillä olevan keksin-5 nön toisen suoritusmuodon mukaisesti, ja

Kuvio 5 esittää hydrosyklonin sisällä olevan väylän, joka on muodostettu epäsymmetrisesti järjestetyistä sylintereistä esillä olevan keksinnön vielä toisen suoritusmuodon mukaisesti.

Keksinnön parhaiden suoritusmuotojen yksityiskohtainen kuvaus

Kuviossa 1 esitetään hydrosykloni 1 nesteseoksen erottelemiseksi raskaaseen jakeeseen ja ke-10 vyeen jakeeseen leikkauskuvana pitkin keski akseli a 12. Hydrosykloni 1 käsittää kotelon 2, joka muodostaa pitkänomaisen erotuskammion 3, jossa on kehämäinen seinämä 4. Hydrosyk-lonissa on tyvi 5, johon on järjestetty syöttöelin 7, jonka kautta erotettava nesteseos syötetään parhaiten tangentiaalisesti erotuskammioon 3 tähän tarkoitukseen tarkoitetulla välineellä 10, kuten pumpulla, jotta muodostettaisiin kierteisen pyörteen 11 muodossa oleva nestevirta kes-15 kiakselin 12 ympäri. Jos halutaan, voidaan järjestää useita syöttöelimiä, esimerkiksi yksi sijoitettuna suunnilleen keskelle hydrosyklonin 1 pituutta (ei kuvassa).

Hydrosykloni 1 käsittää vastapäätä tyveä 5 olevan kärjen pään 6. Laitteessa on vähintään kaksi eri ulostuloelintä. Keksinnön mukaisessa suoritusmuodossa, ks. kuvio 1, ensimmäinen ulostu-loelin 8 on sijoitettu erotetun kevyen jakeen poistamiseksi erotuskammiosta 3 tyvestä 5 ja toi-T- 20 nen ulostuloelin 9 on sijoitettu erotetun raskaan jakeen poistamiseksi erotuskammiosta 3 kär- cm jestä 6. Kierteinen pyörre 11 ulottuu tyvestä 5 kärkeen 6.

i o ^ Keksinnön mukainen hydrosykloni 1 on varustettu vähintään yhdellä väylällä 13 erotuskam- o mion 3 kehäseinämässä 4. Kehäseinämässä 4 olevalla väylällä 13 voi olla monia erilaisia muo- tr “ toja ja kuvioita. Väylä 13 voi esimerkiksi kattaa vain osan kehäseinämästä 4 katsottuna kes- oo 25 kiakselin pituussuunnassa, ks. esimerkiksi kuvio 1. Mutta väylä 13 voi myös tai sen sijaan kat in o taa vain osan ympyrän kehästä, ks. esimerkiksi kuviot 4 ja 5 tai esimerkiksi puolet ympyrän o kehästä.

6

Keksinnön mukaisessa hydrosyklonissa 1 on vähintään turbulenssin muodostamiseksi tarkoitettu väline, joka käsittää vähintään yhden portaan 14 tällä kehäseinämällä 4 olevalla väylällä 13; ja sen kohdalla erotuskammion 3 säde kasvaa. Sanottu vähintään yksi porras on järjestetty kulmaan a suhteessa tasoon, joka ulottuu keskiakselin 12 läpi. Kulma on positiivinen kulma 5 katsottuna suunnassa kohti kärkeä 6. Edullisesti kulma a on välillä 2-70 astetta ja parhaiten välillä 5-45 astetta. Parhaiten kukin väylän 13 kierros kehäseinämässä 4 käsittää portaan 14. On myös mahdollista järjestää useampia kuin yksi porras 14 kierrosta kohti.

Kun kierteinen pyörre 11 virtaa pitkin erotuskammion 3 kehäseinämää 4, se saavuttaa kallistetun portaan 14 ja muodostuu sekundaaripyörre 15 johtuen paineen putoamisesta, joka tapahtuu 10 portaan 14 jälkeen, ks. kuvio 2. Sekundaaripyörteellä 15 on virtauskomponentti säteittäisesti ulospäin ja virtauskomponentti kohti kärkeä päätä 6, joka kuljettaa suhteellisesti painavammat partikkelit 25 erotuskammion 3 kehäseinämällä säteittäisesti ulospäin ja kohti raskaan jakeen ulostuloa 9 kärjessä 6.

Painavat rejektipartikkelit 25, jotka on kuljetettu sekundaaripyörteen 15 avulla, päätyvät hyl-15 lylle 24 ja kierteinen pyörre 11 jatkaa raskaiden partikkeleiden 25 kuljettamista, kunnes ne saavuttavat käytävän 17 seuraavan portaan 14 läheisyydessä kohti kärkeä päätä 6, kun kehä-seinämä 4 on varustettu useammalla kuin yhdellä väylällä 13. Seuraavan portaan 4 sekundaaripyörre 15 kuljettaa edelleen raskaita rejektipartikkeleita 25. Käytävällä 17 on parhaiten suunnilleen sama säde. Kuvatuissa suoritusmuodoissa käytävät 17 ja portaat 14 on sijoitettu 20 suunnilleen samaan kiertokulmaan keskiakselin 12 ympärille väylän 13 kunkin kierroksen osalta, mutta on tietenkin mahdollista järjestää portaat 14 vähemmän tai enemmän kuin 360 astetta seuraavaan portaaseen 14 nähden väylällä 13, jolloin käytävän 17 muoto muuttuu vas-o taavasti.

(M

i o V Sekundaaripyörteen 15 pyörimisakselilla 16 on suunnilleen sama kulma keskiakseliin 12 näh-

(D

° 25 den kuin portaalla 14 tai suurempi kulma. Tämä johtuu siitä, että pääasiassa sekundaaripyörre x £ 15 on linjassa kallistetun portaan 14 kanssa, mutta osa kierteisestä pyörteestä 11, joka kulkee ^ pitkin kehäseinämää 4, saavuttaa kallistetun portaan 15 pienellä viiveellä porrasta 14 pitkin, oo g koska kierteinen pyörre 11 saavuttaa ensin portaan 14 sen ensimmäisessä päässä 18, joka on g lähinnä hydrosyklonin 1 tyvestä 5 ja sen jälkeen pitkin porrasta 14 kohti toista portaan 14 pää- 30 tä 19, joka on lähinnä kärkeä 6.

7

Kuvion 2 suoritusmuodossa portaan 14 ensimmäinen pää 18 ja toinen pää 19 on pyöristetty, niin että on saatu aikaan pehmeä yhteys peräkkäisten väylien 13 välillä ja erityisesti ennen ja jälkeen porrasta 14 olevan hyllyn 24 välille. Esimerkinomaisesti hyllyn 24 syvyys on suunnilleen 1-5 mm vähintään syvimmästä kohtaa, parhaiten 1,5-3 mm.

5 Yhdessä edullisessa suoritusmuodossa väylällä 13 on kierteinen muoto, ks. kuviot 1, 2 ja 3. Kuviossa 4 nähdään väylän 13 toinen edullinen suoritusmuoto. Väylä 13 on kierteinen, mutta epäsymmetrinen siten, että yksi kehäseinämän 4 reuna 20 on tasainen ja vastakkaisella reunalla 21 on kasvatettu väylän syvyys 22 verrattuna symmetriseen kierteiseen väylään 13. Vielä toisessa edullisessa suoritusmuodossa, ks. kuvio 5, väylä 13 on epäsymmetrisesti järjestettyjen 10 sylintereiden 23 muotoinen, joiden säde pienenee kohti kärkeä 6 ja jossa kehäseinämän 4 yksi puoli 20 on tasainen ja vastakkaisen puolen 21 väylällä on suurempi syvyys 22 verrattuna symmetrisesti järjestettyihin sylintereihin 23.

Suoritusmuodossa, jossa on yksi tai useampia väyliä 13, jotka eivät kata koko kierrosta, esimerkiksi edellä kuviossa 4 ja 5 esitetyt suoritusmuodot, hylly 24 pienenee portaasta 14 kohti 15 tasaista sivua 20, jolloin raskaat rejektipartikkelit 25 voidaan helposti kuljettaa kohti kärkeä 6 tasaisella puolella 20 ja minkä tahansa käytävän 17 kohdalla.

δ

(M

i o

CD

O

X

en

CL

δ oo m o δ

(M

Claims

1. Hydrosykloni (1) nesteseoksen erottelemiseksi raskaaseen jakeeseen ja kevyeen jakeeseen, joka käsittää kotelon (2), joka muodostaa pitkänomaisen erotuskammion (3), jolla on kehämäinen seinämä (4), tyvi (5), kärki (6), vähintään yksi syöttöelin 5 (7) nesteseoksen syöttämiseksi erotuskammioon (3), jolloin vähintään yksi syöttöelin/syöttöelimistä (7) on sijoitettu tyveen (5), ensimmäinen ulostuloelin (8) erotetun keveän jakeen poistamiseksi erotuskammiosta (3) sen tyvestä (5), toinen ulostuloelin (9) erotetun raskaan jakeen poistamiseksi erotuskammiosta (3) sen kärjestä (6), välineet (10) nesteseoksen syöttämiseksi erotuskammioon (3) sanotun 10 vähintään yhden syöttöelimen (7) kautta, niin että käytön aikana muodostuu nestevirta kierteisenä pyörteenä (11) keskiakselin (12) ympäri erotuskammiossa (3), joka sanottu kierteinen pyörre (11) ulottuu tyvestä (5) kärkeen (6), vähintään yksi väylä (13) kehäseinämässä (4) vähintään osalla erotuskammiota (3) ja vähintään yksi turbulenssin muodostamiseksi tarkoitettu väline, joka käsittää 15 vähintään yhden portaan (14) kehäseinämän (4) väylällä (13), jonka kohdalla erotuskammion (3) säde kasvaa, tunnettu siitä, että sanottu vähintään yksi porras (14) on kulmassa (a) keskiakseliin (12) nähden.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen hydrosykloni, tunnettu siitä että sanottu vähintään yksi porras (14) saa aikaan paineen pudotuksen ja sekundaarisen 20 pyörteen (15), jolla on kiertymäakseli (16), jonka kulma keskiakseliin (12) nähden on suunnilleen sama kuin kulma (a) portaalle (14) tai enemmän.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen hydrosykloni, tunnettu siitä että on ^2 muodostettu käytävä (17), jolla on suunnilleen sama säde kahden peräkkäisen o ^ portaan (14) välillä kohti kärkeä (6). o i o 25

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen hydrosykloni, tunnettu siitä että portaan k (14) ensimmäinen (18) ja toinen (19) pää on pyöristetty yhdistymään pehmeästi Q. peräkkäisiin väyliin (13) kehäseinämässä (4). oo oo LO

^ 5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen hydrosykloni, tunnettu siitä δ ^ että kehäseinämän (4) reitillä (13) on kierukkamainen muoto.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen hydrosykloni, tunnettu siitä että kierteinen väylä (13) on epäsymmetrinen niin, että kehäseinämän (4) yksi sivu (20) on tasainen ja vastakkaisella sivulla (21) on kasvatettu väylän syvyys (22) verrattuna symmetriseen kierteiseen väylään (13).

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen hydrosykloni, tunnettu siitä että kehäseinämän väylä (13) on epäsymmetrisesti järjestettyjen sylintereiden (23) muotoinen, joilla säde pienenee kohti kärkeä (6), jolloin kehäseinämän (4) yksi sivu (20) on tasainen ja vastakkaisella sivulla (21) on kasvatettu väylän syvyys (22) verrattuna symmetrisesti järjestettyihin sylintereihin (23).

8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen hydrosykloni, tunnettu siitä että kehäseinämän (4) väylän (13) kukin kierros käsittää portaan (14).

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen hydrosykloni, tunnettu siitä että portaan (14) kulma (a) keskiakseliin (12) nähden on välillä 2 ja 70 astetta.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen hydrosykloni, tunnettu siitä että portaan (14) 15 kulma (a) keskiakseliin (12) nähden on välillä 5 ja 45 astetta. δ (M Ö CO O X cc CL δ oo LO O δ CM