ПРЯМОТОЧНЫЙ ЦИКЛОН

ПРЯМОТОЧНЫЙ ЦИКЛОН


RU (11) 2277018 (13) C2

(51) МПК
B04C 3/00 (2006.01)
B03B 5/34 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 17.10.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(14) Дата публикации: 2006.05.27 
(21) Регистрационный номер заявки: 2003132037/03 
(22) Дата подачи заявки: 2003.10.31 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.10.31 
(43) Дата публикации заявки: 2005.04.27 
(45) Опубликовано: 2006.05.27 
(56) Аналоги изобретения: SU 1798009 A1, 28.02.1993.

SU 1186262 A, 23.10.1985.

SU 1472136 A1, 15.04.1989.

RU 2136349 C1, 10.09.1999.

RU 2099149 C1, 20.12.1997.

US 3019856 A, 06.02.1997.

GB 1209795 A, 21.10.1970. 
(72) Имя изобретателя: Воробьев Юрий Федорович (RU); Кашкарев Геннадий Николаевич (RU) 
(73) Имя патентообладателя: Научное некоммерческое партнерство "Региональный инновационный центр" ННП "РИЦ" (RU) 
(98) Адрес для переписки: 630055, г.Новосибирск, почтовое отделение а/я 101, ННП "РИЦ" 

(54) ПРЯМОТОЧНЫЙ ЦИКЛОН

Изобретение относится к устройствам для очистки и обогащения песков в закрученном потоке, используемых, например, в стекольной промышленности, для производства строительных материалов, изготовления форм для стального литья, а также в горно-обогатительной промышленности для получения концентратов различных веществ из минерального сырья. Прямоточный циклон содержит корпус, включающий спрямитель потока в верхней цилиндрической части корпуса, сопло Лаваля в средней части и завихритель в нижней цилиндрической части корпуса, отверстия для отвода твердых фракций в конфузорной части сопла Лаваля, охватывающие корпус кольцевые камеры для сбора и вывода тяжелой и легкой твердых фракций. Циклон содержит дополнительную открытую сверху камеру для сбора и вывода шлама, расположенную над камерой сбора и вывода легкой фракции, причем все три камеры соединены между собой, образуя общий кожух, камеры сбора и вывода тяжелой и легкой твердых фракций дополнительно снабжены тангенциальными вводами для регулируемой подачи рабочего тела, например воды, в диффузорной части сопла Лаваля выполнены отверстия для ввода легких фракций и шлама из камеры сбора тяжелой фракции обратно в основной поток, причем ряды отверстий в конфузорной и диффузорной частях расположены в плоскостях, перпендикулярных центральной оси сопла Лаваля, а спрямитель выполнен в виде цилиндрической обечайки с отверстиями вдоль образующей с жестко закрепленной на нижнем торце обечайки отбойной пластиной и установлен коаксиально над выходным торцом сопла Лаваля с зазором не менее 0,1 диаметра выходного торца сопла Лаваля, и жестко соединен с донной частью дополнительной камеры таким образом, что отверстия спрямителя расположены в кольцевой камере для сбора и вывода легкой фракции. Технический результат - улучшение качества обогащения и очистки исходного материала. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. 



ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к устройствам для очистки и обогащения песков в закрученном потоке, используемых, например, в стекольной промышленности для производства строительных материалов, изготовления форм для стального литья, а также в горно-обогатительной промышленности для получения концентратов различных веществ из минерального сырья.
Известны циклонные сепараторы для обогащения и классификации минерального сырья, в которых поток исходной пульпы вводится тангенциально и перпендикулярно оси вращения основного потока жидкости (а.с. СССР № 1304880, В 03 В 5/34, 1987; патент РФ № 2166994, В 03 В 5/02, 1997; патент РФ № 2151004, В 03 В 5/02, 2000; межд. заявка WO 9709122, В 04 С 5/103, 1998; межд. заявка WO 9809730, В 04 С 5/02, 1999; акц. заявка Японии № 2767574, В 04 С 3/04, 1999; патент США № 5119870, В 03 В 5/28, 2001; межд. заявка WO 218057, В 04 С 5/06, 2003).
Недостатком описанных устройств является то, что при их работе смещается ось вращения потока от геометрической оси устройства, что приводит к торможению тяжелых компонентов пульпы, оседанию их на горизонтальных поверхностях устройств и остановке системы.
Известен циклон, в котором тангенциально введенный основной поток разделен на три части тремя конусами со щелевидным входом вдоль образующей конуса. Конструктивно циклон содержит корпус, камеру для ввода запыленного газа с наклонными тангенциальными соплами и осевые патрубки для отвода очищенного газа и пыли. Каждое сопло снабжено насадкой, выполненной в виде конфузоров и диффузора с заглушенной суженной частью. Конфузоры расположены на боковой поверхности диффузора основного корпуса, пересекаясь с ним по образующей (а.с. СССР № 921633, В 04 С 9/00, 1982).
Основным недостатком устройства является то, что качество очистки не достаточно, т.к. при работе все три потока в сепарационной камере корпуса снова смешиваются. Другим недостатком циклона является его конструктивная сложность.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является прямоточный циклон, содержащий корпус, включающий спрямитель потока в верхней цилиндрической части, сопло Лаваля в средней части и завихритель в нижней цилиндрической части корпуса, отверстия для отвода твердых фракций в конфузорной части сопла Лаваля, охватывающие корпус кольцевые камеры для сбора и вывода тяжелых и легких твердых фракций (а.с. СССР № 1798009, В 04 С 3/00, 1993).
Промежуточная камера охватывает конфузорную часть сопла Лаваля, в которой под углом 90° к суммарному вектору скорости потока, выполнены наклонные прорези. Диффузорная часть сопла Лаваля герметично соединена с основной камерой для сбора твердых фракций. В торцовой выходной части корпуса установлен осевой патрубок, в котором неподвижно закреплен спрямитель потока с центральной вставкой, которая представляет собой штырь с круглой пластиной на конце, выступающем в диффузорную часть сопла Лаваля.
Недостатком прямоточного циклона является недостаточное качество обогащения и очистки исходного материала, т.к. в процессе работы в камере для сбора твердых фракций не удерживается легкая фракция за счет перепада давления вдоль криволинейной щели, т.к. радиусы начала и конца щели относительно оси вращения потока существенно различны. Легкая фракция снова выносится в основной поток и выводится с ним через спрямитель наружу. Таким образом, легкая фракция не отбирается для дальнейшего использования, а выносится в отвал. Качество очистки снижается еще и за счет загромождения центральной части потока элементами конструкции (штырями и пр.).
Задачей изобретения является улучшение качества обогащения и очистки исходного материала путем разделения тяжелой, легкой фракций и шлама с помощью организованного потока. Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность признаков изобретения.
Прямоточный циклон содержит корпус, включающий спрямитель потока в верхней цилиндрической части корпуса, сопло Лаваля в средней части и завихритель в нижней цилиндрической части корпуса, отверстия для отвода твердых фракций в конфузорной части сопла Лаваля, охватывающие корпус кольцевые камеры для сбора и вывода тяжелой и легкой твердых фракций.
Отличным от прототипа является то, что циклон содержит дополнительную открытую сверху камеру для сбора и вывода шлама, расположенную над камерой сбора и вывода легкой фракции, причем все три камеры соединены между собой, образуя общий кожух, камеры сбора и вывода тяжелой и легкой твердых фракций дополнительно снабжены тангенциальными вводами для регулируемой подачи рабочего тела, например воды, в диффузорной части сопла Лаваля выполнены отверстия для ввода легких фракций и шлама из камеры сбора тяжелой фракции обратно в основной поток, причем ряды отверстий в конфузорной и диффузорной частях расположены в плоскостях, перпендикулярных центральной оси сопла Лаваля, а спрямитель выполнен в виде цилиндрической обечайки с отверстиями вдоль образующей с жестко закрепленной на нижнем торце обечайки отбойной пластиной и установлен коаксиально над выходным торцом сопла Лаваля с зазором не менее 0,1 диаметра выходного торца сопла Лаваля, и жестко соединен с донной частью дополнительной камеры таким образом, что отверстия спрямителя расположены в кольцевой камере для сбора и вывода легкой фракции.
Все трубопроводы ввода и вывода прямоточного циклона снабжены регулирующей арматурой.
Завихритель прямоточного циклона имеет, например, плоские направляющие лопатки переменного сечения.
Заявленная конструкция прямоточного циклона позволяет разделять тяжелые и легкие фракции минералов и отделять шлам (илы и глинистые породы) за один цикл, что повышает качество обогащения и очистки песка. Достоинством циклона является также то, что он работает в режиме замкнутого цикла по рабочему телу, например воде.
На фиг.1 представлен прямоточный циклон в технологической схеме очистки и обогащения песков, на фиг.2 - разрез по А-А.
Прямоточный циклон содержит корпус, включающий спрямитель потока в верхней цилиндрической части корпуса, выполненный в виде цилиндрической обечайки 1 с отверстиями вдоль образующей с жестко закрепленной на нижнем торце отбойной пластиной 2, сопло Лаваля 3 в средней части корпуса и завихритель 4 в нижней цилиндрической части корпуса. Завихритель имеет патрубок 5 для ввода воздуха в основной поток. Завихритель 4 представляет собой завихритель осевого типа и может быть выполнен любым известным образом. В предлагаемой конструкции завихритель имеет, например, плоские направляющие лопатки переменного сечения (фиг.2). Выходной конец патрубка 5 расположен вдоль центральной оси завихрителя 4.
Корпус охвачен кольцевой камерой 6 для сбора и вывода тяжелой фракции, кольцевой камерой 7 для сбора и вывода легкой фракции и дополнительной открытой сверху камерой 8 для сбора и вывода шлама и отработанного воздуха. Все три камеры 6, 7 и 8 расположены соосно одна над другой и образуют общий кожух. Кольцевая камера 6 снабжена тангенциальным вводом 9 для регулируемой подачи рабочего тела, например воды, и трубопроводом 10 для отвода тяжелой фракции (фиг.2). Кольцевая камера 7 также снабжена тангенциальным вводом 11 для регулируемой подачи рабочего тела, например воды, и трубопроводом 12 для отвода легкой фракции. Дополнительная камера 8 снабжена патрубком 13 для отвода шлама в отстойник 14, снабженный осветляющей насадкой 15 и отсеком 16 для осветленной воды. Отсек 16 соединен трубопроводом со входом в завихритель 4 через насос 17 и регулирующую арматуру 18. Отсек 16 также соединен трубопроводами через насос 17 и регулирующую арматуру 19 и 20 с тангенциальными вводами 9 и 11 кольцевых камер 6 и 7. Исходный песок находится, например, в бункере 21, соединенном дозатором 22 с входной цилиндрической частью завихрителя 4. Выходные патрубки кольцевых камер 6 и 7 выведены трубопроводами 10 и 12 с регулирующей арматурой 23 и 24 соответственно для вывода обогащенного песка на склады готовой продукции.
Сопло Лаваля 3 содержит два ряда отверстий, причем ряды отверстий в конфузорной и диффузорной частях расположены в плоскостях, перпендикулярных центральной оси сопла Лаваля 3. На большем диаметре конфузорной части сопла Лаваля 3 выполнены отверстия для отвода твердых фракций, а на меньшем диаметре диффузорной части сопла Лаваля 3 также выполнены отверстия для ввода легких фракций и шлама из камеры сбора тяжелой фракции 6 обратно в основной поток.
Спрямитель потока 1 установлен коаксиально над выходным торцом сопла Лаваля 3 с зазором не менее 0,1 диаметра выходного торца сопла Лаваля и жестко соединен с донной частью дополнительной камеры 8 таким образом, что отверстия спрямителя 1 и отбойная пластина 2 спрямителя расположены в кольцевой камере 7 для сбора и вывода легкой фракции.
Прямоточный спрямитель работает следующим образом.
Из отсека 16 осветленная вода подается насосом 17 через регулирующую арматуру 18 в цилиндрическую входную часть завихрителя 4. Одновременно осветленная вода из отсека 16 насосом 17 по трубопроводам с регулирующей арматурой 19 и 20 подается в кольцевые камеры 6 и 7.
На вход завихрителя 4 из бункера 21 через дозатор 22 подается исходный песок. При этом из воды и песка образуется пульпа (двухфазный поток), которая проходит через завихритель 4. Конструкция завихрителя 4 обеспечивает возрастающее угловое ускорение двухфазного потока, не позволяющее оседать твердой фазе, и засасывает атмосферный воздух через патрубок 5. Завихритель 4 организует трехфазный гомогенный основной поток с зоной разрежения вдоль оси его вращения, совпадающей с его геометрической осью. В зоне разрежения возникают стоячие волны за счет колебания момента количества движения в узкой части сопла Лаваля и отражения от отбойной пластины 2. Часть стоячих волн, попадая в резонанс колебаний атомов структурной решетки минералов исходного песка, ускоряет диссоциацию солей в водной среде. Воздушные пузырьки с ростом скорости потока к сужению сопла Лаваля 3 превращаются в кавитационные и способствуют разрушению кристаллической решетки исходного песка. В водной среде происходит интенсивный обмен ионами диссоциированных солей и некоторые, растворяясь, уходят с основным потоком через отверстия спрямителя в дополнительную камеру 8 и затем в отстойник 14. При этом диссоциированные соли освобождают кристаллическую решетку исходного песка от примесей (железо, марганец, алюминий и пр.).
За счет инерционных сил вращающегося трехфазного потока через отверстия в конфузорной части сопла Лаваля 3 весь трехфазный основной поток попадает в кольцевую камеру 6. Регулируемая тангенциальная подача осветленной воды в кольцевую камеру 6 обеспечивает противоток, который не удерживает тяжелую фракцию в основном потоке, но выносит легкую фракцию и шлам обратно в основной поток через отверстия, расположенные на меньшем диаметре диффузорной части сопла Лаваля 3. В кольцевой камере 6 происходит отделение тяжелой фракции, которая выносится через трубопровод 10 и регулирующую арматуру 23 на склад готовой продукции. Перепад давления в конфузорной и диффузорной частях сопла Лаваля 3 обеспечивает вывод легкой фракции и шлама обратно в основной трехфазный поток.
Далее основной трехфазный поток из сопла Лаваля 3 поступает в кольцевую камеру 7. Регулируемая тангенциальная подача осветленной воды в кольцевую камеру 7 обеспечивает противоток, который отделяет и выводит легкую фракцию через трубопровод 12 и регулирующую арматуру 24 на склад готовой продукции. Остальной поток через отверстия спрямителя поступает в дополнительную камеру 8, из которой он сливается через патрубок 13 в отстойник 14. В отстойнике 14, проходя через осветляющую насадку 15, осветленная вода поступает в отсек 16, замыкая цикл. Отработанный воздух выходит через открытый торец дополнительной камеры 8 и отстойника 14 в атмосферу. Далее процесс повторяется.



ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Прямоточный циклон, содержащий корпус, включающий спрямитель потока в верхней цилиндрической части корпуса, сопло Лаваля в средней части и завихритель в нижней цилиндрической части корпуса, отверстия для отвода твердых фракций в конфузорной части сопла Лаваля, охватывающие корпус кольцевые камеры для сбора и вывода тяжелой и легкой твердых фракций, отличающийся тем, что циклон содержит дополнительную открытую сверху камеру для сбора и вывода шлама, расположенную над камерой сбора и вывода легкой фракции, причем все три камеры соединены между собой, образуя общий кожух, камеры сбора и вывода тяжелой и легкой твердых фракций дополнительно снабжены тангенциальными вводами для регулируемой подачи рабочего тела, например воды, в диффузорной части сопла Лаваля выполнены отверстия для ввода легких фракций и шлама из камеры сбора тяжелой фракции обратно в основной поток, причем ряды отверстий в конфузорной и диффузорной частях расположены в плоскостях, перпендикулярных центральной оси сопла Лаваля, а спрямитель выполнен в виде цилиндрической обечайки с отверстиями вдоль образующей с жестко закрепленной на нижнем торце обечайки отбойной пластиной и установлен коаксиально над выходным торцом сопла Лаваля с зазором не менее 0,1 диаметра выходного торца сопла Лаваля, и жестко соединен с донной частью дополнительной камеры таким образом, что отверстия спрямителя расположены в кольцевой камере для сбора и вывода легкой фракции.
2. Прямоточный циклон по п.1, отличающийся тем, что все трубопроводы ввода и вывода снабжены регулирующей арматурой.
3. Прямоточный циклон по п.1, отличающийся тем, что завихритель имеет, например, плоские направляющие лопатки переменного сечения.