RU2833642C1

RU2833642C1 - Hydrocyclone

Info

Publication number: RU2833642C1
Application number: RU2024122009A
Authority: RU
Inventors: Вадим Александрович Диков
Filing date: 2024-08-02
Publication date: 2025-01-28

Abstract

FIELD: performing operations.

SUBSTANCE: invention relates to devices for separation of suspensions under action of centrifugal forces and can be used in chemical, food and other industries, in particular, for waste water treatment. Hydrocyclone consists of housing with inlet, drain and sand pipes, as well as drain chamber. Ejector with feed and suction nozzles is installed on inlet nozzle of hydraulic cyclone, suction nozzle of ejector is connected to feed nozzle via control device and compensating pipeline. Regulating device is connected to the drain chamber by a suction pipeline and is equipped with a regulating member for changing the ratio of flow cross-sections of the compensation and suction pipelines. Control element of the control device is rigidly connected to the bellows, the inner cavity of which is connected to the axial zone of the hydraulic cyclone through a coaxial tube.

EFFECT: increased efficiency, reliability and stability of suspension separation indices in hydrocyclone under conditions of initial suspension concentration inconsistency due to internal reserves of the hydrocyclone itself, namely: use of vacuum of axial zone of hydraulic cyclone as source of energy for performance of work at control of varying input concentration of suspension.

1 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для разделения суспензий под действием центробежных сил и может быть использовано в химической, пищевой и других отраслях промышленности, в частности для очистки сточных вод.The proposed invention relates to devices for separating suspensions under the action of centrifugal forces and can be used in the chemical, food and other industries, in particular for wastewater treatment.

Известен гидроциклон, содержащий цилиндроконический корпус с тангенциальным входным патрубком, сливным и песковым патрубками, сгустительную воронку, в которой размещен песковый патрубок гидроциклона, и эжектор, всасывающий патрубок которого соединен со сгустительной воронкой, снабжен реактивным насадком, установленным на песковом патрубке гидроциклона, и задвижкой на всасывающим трубопроводе эжектора, при этом всасывающий трубопровод эжектора присоединен к верхней части сгустительной воронки тангенциально (авторское свидетельство SU 971493, МПК В04С3/06, публ. 07.11.1982 г.).A hydrocyclone is known that contains a cylindrical-conical body with a tangential inlet branch pipe, a drain branch pipe and a sand branch pipe, a thickening funnel in which the sand branch pipe of the hydrocyclone is placed, and an ejector, the suction branch pipe of which is connected to the thickening funnel, equipped with a jet nozzle mounted on the sand branch pipe of the hydrocyclone, and a valve on the suction pipeline of the ejector, wherein the suction pipeline of the ejector is connected to the upper part of the thickening funnel tangentially (author's certificate SU 971493, IPC B04C3/06, published 07.11.1982).

Недостатком известного гидроциклона является снижение эффективности разделения и повышение вероятности забивки пескового патрубка ввиду установки в нем дополнительного сопротивления в виде реактивного насадка.The disadvantage of the known hydrocyclone is the decrease in separation efficiency and the increase in the probability of clogging of the sand pipe due to the installation of additional resistance in it in the form of a jet nozzle.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является гидроциклон (прототип), содержащий корпус с входным, сливным и песковым патрубками, сливную камеру, эжектор с питающим и всасывающим патрубками, всасывающий трубопровод, соединенный с всасывающим патрубком через регулирующее устройство. Гидроциклон снабжен компенсационным трубопроводом, соединяющим питающий и всасывающий патрубки эжектора с регулирующим устройством. Регулирующее устройство снабжено органом изменения соотношения проходных сечений компенсационного и всасывающего трубопроводов и соединено посредством всасывающего трубопровода со сливной камерой (авторское свидетельство SU 1533764 «Гидроциклон», МПК В04С3/06, В04С11/00, публ.07.01.1990 г.).The closest in technical essence and achieved result is a hydrocyclone (prototype), comprising a housing with an inlet, drain and sand pipes, a drain chamber, an ejector with feed and suction pipes, a suction pipeline connected to the suction pipe through a regulating device. The hydrocyclone is equipped with a compensation pipeline connecting the feed and suction pipes of the ejector with the regulating device. The regulating device is equipped with a body for changing the ratio of the flow sections of the compensation and suction pipes and is connected by means of a suction pipeline to the drain chamber (Author's Certificate SU 1533764 "Hydrocyclone", IPC B04C3/06, B04C11/00, published 07.01.1990).

Недостатком известного гидроциклона является то, что, для того чтобы орган изменения соотношения проходных сечений компенсационного и всасывающего трубопроводов регулирующего устройства выполнял свои функции - изменял соотношения проходных сечений компенсационного и всасывающего трубопроводов, тем самым обеспечивая в конечном итоге постоянство концентрации на входе в гидроциклон и стабилизировал показатели разделения при непостоянной концентрации исходной суспензии, необходимы дополнительные устройства и «внешняя» энергия для перемещения органа изменения соотношения проходных сечений компенсационного и всасывающего трубопроводов, например, как предложено в прототипе, датчик концентрации исходной суспензии и регулирующее устройство с приводом, то есть необходима внешняя энергия для совершения работы по перемещению органа изменения соотношения проходных сечений компенсационного и всасывающего трубопроводов.The disadvantage of the known hydrocyclone is that, in order for the organ for changing the ratio of the flow sections of the compensation and suction pipelines of the regulating device to perform its functions - to change the ratio of the flow sections of the compensation and suction pipelines, thereby ultimately ensuring the constancy of the concentration at the entrance to the hydrocyclone and stabilizing the separation indicators with an inconstant concentration of the initial suspension, additional devices and "external" energy are needed to move the organ for changing the ratio of the flow sections of the compensation and suction pipelines, for example, as proposed in the prototype, a concentration sensor of the initial suspension and a regulating device with a drive, that is, external energy is needed to perform the work of moving the organ for changing the ratio of the flow sections of the compensation and suction pipelines.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка гидроциклона, повышающего эффективность, надежность и стабильность показателей разделения суспензии в нем в условиях непостоянства концентрации исходной суспензии за счет внутренних резервов самого гидроциклона без привлечения внешних устройств, потребляющих дополнительную энергию из вне.The task that this invention is aimed at solving is the development of a hydrocyclone that increases the efficiency, reliability and stability of the indicators of suspension separation in it under conditions of inconstant concentration of the initial suspension due to the internal reserves of the hydrocyclone itself without the use of external devices that consume additional energy from the outside.

Технический результат достигается благодаря тому, что разработанный гидроциклон, так же, как и гидроциклон-прототип содержит корпус с входным, сливным и песковым патрубками, сливную камеру, эжектор с питающим и всасывающим патрубками, всасывающий трубопровод, соединенный с всасывающим патрубком через регулирующее устройство, компенсационный трубопровод, соединяющий питающий и всасывающий патрубки эжектора с регулирующим устройством, при этом регулирующее устройство снабжено регулирующим органом изменения соотношения проходных сечений компенсационного и всасывающего трубопроводов и соединено посредством всасывающего трубопровода со сливной камерой. Новым является то, что регулирующий орган изменения соотношения проходных сечений компенсационного и всасывающего трубопроводов регулирующего устройства жестко соединен с сильфоном, внутренняя полость которого через коаксиальную трубку сообщается с осевой зоной гидроциклона.The technical result is achieved due to the fact that the developed hydrocyclone, just like the prototype hydrocyclone, contains a housing with an inlet, drain and sand branch pipes, a drain chamber, an ejector with feed and suction branch pipes, a suction pipeline connected to the suction branch pipe through a regulating device, a compensation pipeline connecting the feed and suction branch pipes of the ejector with the regulating device, wherein the regulating device is provided with a regulating element for changing the ratio of the flow sections of the compensation and suction pipelines and is connected by means of the suction pipeline to the drain chamber. What is new is that the regulating element for changing the ratio of the flow sections of the compensation and suction pipelines of the regulating device is rigidly connected to a bellows, the internal cavity of which communicates with the axial zone of the hydrocyclone through a coaxial tube.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 показан гидроциклон, когда регулирующий орган регулирующего устройства находится в крайнем левом положении.Fig. 1 shows a hydrocyclone when the regulating element of the regulating device is in the extreme left position.

На фиг.2 показан гидроциклон, когда регулирующий орган регулирующего устройства находится в крайнем правом положении.Fig. 2 shows a hydrocyclone when the regulating element of the regulating device is in the extreme right position.

Гидроциклон состоит из корпуса 1 с входным тангенциальным патрубком 2, песковым патрубком 3, сливным патрубком 4 и сливной камеры 5 со штуцером 6. К входному патрубку 2 гидроциклона присоединен эжектор 7 с питающим патрубком 8 и всасывающим патрубком 9. Последний с помощью всасывающего трубопровода 10 соединен со сливной камерой 5, а с помощью компенсационного трубопровода 11 - с питающим патрубком 8. Соединение трубопроводов 10 и 11 с патрубками 8 и 9 осуществляется через регулирующее устройство 12, включающее корпус 13 с отверстиями 14-16, соединяющими его соответственно с трубопроводами 10, 11 и патрубком 9. Внутри корпуса 13 размещен регулирующий орган 17, выполненный в виде подвижной в осевом направлении гильзы, имеющий отверстия для прохода жидкости (суспензии) и жестко соединенный с сильфоном 18, внутренняя полость которого через коаксиальную трубку 19 сообщается с осевой зоной гидроциклона. Для предотвращения возможности попадания исходной, загрязненной твердой фазы, суспензии в сливную камеру 5 (при остановке, пуске гидроциклона) всасывающий трубопровод 10 снабжен обратным клапаном 20.The hydrocyclone consists of a housing 1 with an inlet tangential pipe 2, a sand pipe 3, a drain pipe 4 and a drain chamber 5 with a fitting 6. An ejector 7 with a feed pipe 8 and a suction pipe 9 is connected to the inlet pipe 2 of the hydrocyclone. The latter is connected to the drain chamber 5 by means of a suction pipeline 10, and to the feed pipe 8 by means of a compensation pipeline 11. The connection of pipelines 10 and 11 with pipes 8 and 9 is carried out through a regulating device 12, including a housing 13 with openings 14-16 connecting it, respectively, to pipelines 10, 11 and pipe 9. Inside the housing 13 there is a regulating element 17, made in the form of a sleeve movable in the axial direction, having openings for the passage of liquid (suspension) and rigidly connected to bellows 18, the internal cavity of which communicates with the axial zone of the hydrocyclone through a coaxial tube 19. To prevent the possibility of the initial, contaminated solid phase, suspension getting into the drain chamber 5 (when stopping, starting the hydrocyclone), the suction pipeline 10 is equipped with a check valve 20.

Разработанный гидроциклон работает следующим образом.The developed hydrocyclone operates as follows.

Исходная разделяемая суспензия под давлением через входной патрубок 2 поступает в корпус 1 гидроциклона, где приобретает вращательное движение. Под действием центробежных сил происходит разделение суспензии, при этом твердые частицы в виде сгущенной суспензии выводятся из гидроциклона через песковый патрубок 3, а осветленная жидкость выводится через сливной патрубок 4, сливную камеру 5 и штуцер 6. В условиях, сопровождающихся изменением концентрации твердой фазы в исходной суспензии, осуществляется саморегулирование работы гидроциклона с помощью регулирующего органа 17, сильфона 18 и коаксиальной трубки 19.The initial suspension to be separated under pressure enters the hydrocyclone body 1 through the inlet pipe 2, where it acquires a rotary motion. Under the action of centrifugal forces, the suspension is separated, and solid particles in the form of a thickened suspension are removed from the hydrocyclone through the sand pipe 3, and the clarified liquid is removed through the drain pipe 4, drain chamber 5 and nipple 6. Under conditions accompanied by a change in the concentration of the solid phase in the initial suspension, self-regulation of the hydrocyclone operation is carried out using the regulating element 17, the bellows 18 and the coaxial tube 19.

Когда концентрация исходной суспензии находится на нижнем пределе регулирования, регулирующий орган 17 находится в крайнем левом положении (см. фиг.1), отверстие 15 полностью открыто и проходное сечение (т.е. сечение, определяющее величину расхода протекающей через него жидкой среды) компенсационного трубопровода 11 максимально, отверстие 14 же полностью закрыто и проходное сечение всасывающего трубопровода 10 минимально (равно нулю).When the concentration of the initial suspension is at the lower limit of regulation, the regulating element 17 is in the extreme left position (see Fig. 1), the opening 15 is completely open and the flow section (i.e. the section that determines the flow rate of the liquid medium flowing through it) of the compensation pipeline 11 is maximum, while the opening 14 is completely closed and the flow section of the suction pipeline 10 is minimum (equal to zero).

Когда концентрация исходной суспензии находится на верхнем пределе регулирования, регулирующий орган 17 находится в крайнем правом положении (см. фиг.2). При этом наоборот, отверстие 15 полностью закрыто, а отверстие 14 полностью открыто, соответственно проходное сечение компенсационного трубопровода 11 минимально (равно нулю), а всасывающего трубопровода 10 максимально. Размеры отверстий 14 и 15 выбираются такими, чтобы расходы жидкой среды, поступающей через каждое из них в полностью открытом состоянии в эжектор 7, были одинаковыми.When the concentration of the initial suspension is at the upper limit of regulation, the regulating element 17 is in the extreme right position (see Fig. 2). In this case, on the contrary, the opening 15 is completely closed, and the opening 14 is completely open, respectively, the flow section of the compensation pipeline 11 is minimal (equal to zero), and the suction pipeline 10 is maximal. The sizes of the openings 14 and 15 are selected such that the flow rates of the liquid medium entering the ejector 7 through each of them in a completely open state are the same.

При номинальном значении концентрации исходной суспензии регулирующий орган 17 находится в промежуточном положении, когда оба отверстия 14 и 15 частично открыты и в всасывающий патрубок 9 эжектора 7 поступают потоки суспензии (жидкости) из обоих трубопроводов, при этом концентрация суспензии во входном патрубке 2 гидроциклона находится на оптимальном уровне.At the nominal value of the initial suspension concentration, the regulating element 17 is in an intermediate position, when both openings 14 and 15 are partially open and flows of suspension (liquid) from both pipelines enter the suction branch pipe 9 of the ejector 7, while the concentration of the suspension in the inlet branch pipe 2 of the hydrocyclone is at an optimal level.

При повышении концентрации исходной суспензии относительно ее номинального значения на входе в гидроциклон, ее концентрация в песковом патрубке 3 также повышается, проходное сечение воздушного столба в песковом патрубке 3 уменьшается, что приводит к увеличению вакуума в воздушном столбе, проходящем по оси гидроциклона. Возрастание вакуума через коаксиальную трубку 19 передается во внутреннюю полость сильфона 18. Сильфон 18 сжимается и начинает перемещать регулирующий орган 17 регулирующего устройства 12 вправо. При этом проходное сечение компенсационного трубопровода 11 уменьшается, а проходное сечение всасывающего трубопровода 10 увеличивается. По мере движения регулирующего органа 17 вправо, количество осветленной жидкости, поступающей из сливной камеры 5 через всасывающий трубопровод 10 в регулирующее устройство 12, увеличивается, а количество суспензии, поступающей из питающего патрубка 8 через компенсационный трубопровод 11, уменьшается. Дополнительное количество осветленной жидкости, поступающей в эжектор 7 из сливной камеры 5 разбавляет (уменьшает концентрацию) суспензии на входе в гидроциклон, возвращая ее к номинальному значению.When the concentration of the initial suspension increases relative to its nominal value at the inlet to the hydrocyclone, its concentration in the sand pipe 3 also increases, the flow area of the air column in the sand pipe 3 decreases, which leads to an increase in the vacuum in the air column passing along the axis of the hydrocyclone. The increase in vacuum through the coaxial tube 19 is transmitted to the internal cavity of the bellows 18. The bellows 18 is compressed and begins to move the regulating element 17 of the regulating device 12 to the right. In this case, the flow area of the compensation pipeline 11 decreases, and the flow area of the suction pipeline 10 increases. As the regulating element 17 moves to the right, the amount of clarified liquid coming from the drain chamber 5 through the suction pipeline 10 into the regulating device 12 increases, and the amount of suspension coming from the feed pipe 8 through the compensation pipeline 11 decreases. An additional amount of clarified liquid entering the ejector 7 from the drain chamber 5 dilutes (reduces the concentration) of the suspension at the entrance to the hydrocyclone, returning it to the nominal value.

При понижении концентрации исходной суспензии относительно ее номинального значения на входе в гидроциклон процесс регулирования протекает в обратном направлении: концентрация суспензии в песковом патрубке 3 понижается, проходное сечение воздушного столба в песковом патрубке 3 увеличивается, что приводит к уменьшению вакуума в воздушном столбе, проходящем по оси гидроциклона. Уменьшение вакуума через коаксиальную трубку 19 передается во внутреннюю полость сильфона 18, который расширяется и начинает перемещать регулирующий орган 17 регулирующего устройства 12 влево. При этом проходное сечение компенсационного трубопровода 11 увеличивается, а проходное сечение всасывающего трубопровода 10 уменьшается. По мере движения регулирующего органа 17 влево, количество осветленной жидкости, поступающей из сливной камеры 5 через всасывающий трубопровод 10 в регулирующее устройство 12, уменьшается, а количество суспензии, поступающей из питающего патрубка 8 через компенсационный трубопровод 11, увеличивается, в результате чего происходит увеличение концентрации исходной суспензии.When the concentration of the initial suspension decreases relative to its nominal value at the inlet to the hydrocyclone, the regulation process proceeds in the opposite direction: the concentration of the suspension in the sand pipe 3 decreases, the flow section of the air column in the sand pipe 3 increases, which leads to a decrease in the vacuum in the air column passing along the axis of the hydrocyclone. The decrease in vacuum is transmitted through the coaxial tube 19 to the internal cavity of the bellows 18, which expands and begins to move the regulating element 17 of the regulating device 12 to the left. In this case, the flow section of the compensation pipeline 11 increases, and the flow section of the suction pipeline 10 decreases. As the regulating element 17 moves to the left, the amount of clarified liquid entering from the drain chamber 5 through the suction pipeline 10 into the regulating device 12 decreases, and the amount of suspension entering from the feed pipe 8 through the compensation pipeline 11 increases, resulting in an increase in the concentration of the initial suspension.

Причем несмотря на то, что количество осветленной жидкости, поступающей в эжектор 7 из сливой камеры 5 в процессе работы гидроциклона меняется, общее количество суспензии, поступающей в эжектор 7, благодаря наличию компенсирующего потока через компенсационный трубопровод 11 остается неизменным, соответственно остается неизменным и количество, а следовательно, и давление суспензии, поступающей во входной патрубок 2 гидроциклона.Moreover, despite the fact that the amount of clarified liquid entering the ejector 7 from the drain chamber 5 changes during the operation of the hydrocyclone, the total amount of suspension entering the ejector 7, due to the presence of a compensating flow through the compensating pipeline 11, remains unchanged, and accordingly, the amount and, consequently, the pressure of the suspension entering the inlet pipe 2 of the hydrocyclone also remains unchanged.

Кроме того, при резком повышении концентрации суспензии на входе в гидроциклон, и соответственно повышении концентрации в песковом отверстии, возникает опасность полного перекрытия пескового отверстия сгущенной суспензией и забивки пескового отверстия, в результате чего гидроциклон выйдет из строя. Предлагаемое решение позволит предотвратить это, так как при быстром уменьшении проходного диаметра пескового патрубка 3 резко увеличится разряжение в осевой зоне гидроциклона и соответственно в сильфоне 18, регулирующий орган 17 сразу переместится в крайнее правое положение и произойдет максимальное разбавление исходной суспензии осветленной жидкостью из сливной камеры 5, что резко снизит концентрацию сгущенной суспензии в песковом отверстии и предотвратит возможную забивку пескового патрубка 3.In addition, with a sharp increase in the concentration of the suspension at the inlet to the hydrocyclone, and accordingly an increase in the concentration in the sand hole, there is a risk of complete blocking of the sand hole with thickened suspension and clogging of the sand hole, as a result of which the hydrocyclone will fail. The proposed solution will prevent this, since with a rapid decrease in the flow diameter of the sand pipe 3, the vacuum in the axial zone of the hydrocyclone will sharply increase and, accordingly, in the bellows 18, the regulating element 17 will immediately move to the extreme right position and maximum dilution of the original suspension with clarified liquid from the drain chamber 5 will occur, which will sharply reduce the concentration of the thickened suspension in the sand hole and prevent possible clogging of the sand pipe 3.

Таким образом, в предлагаемом гидроциклоне происходит стабилизация концентрации и давления суспензии на входе в гидроциклон, а также повышение надежности в работе за счет внутренних резервов самого гидроциклона без привлечения внешних устройств, потребляющих дополнительную энергию извне.Thus, in the proposed hydrocyclone, the concentration and pressure of the suspension at the inlet to the hydrocyclone are stabilized, as well as the reliability of operation is increased due to the internal reserves of the hydrocyclone itself without the involvement of external devices that consume additional energy from the outside.

Введение в предлагаемый гидроциклон жестко соединенного с регулирующим органом сильфона, внутренняя полость которого через коаксиальную трубку сообщается с осевой зоной гидроциклона, позволяет использовать вакуум в осевой зоне гидроциклона как источник внутренней полезной энергии. Таким образом, повышение эффективности, надежности и стабильности показателей разделения суспензии в гидроциклоне в условиях непостоянства концентрации исходной суспензии происходит за счет внутренних резервов самого гидроциклона без привлечения внешних устройств, потребляющих дополнительную энергию из вне. Предложенное исполнение регулирующего устройства позволяет для стабилизации концентрации суспензии на входе в гидроциклон при непостоянной концентрации исходной суспензии, и предотвращения возможной забивки пескового отверстия при резком повышении исходной концентрации, использовать гидродинамические особенности самого гидроциклона, а именно - вакуума в осевой зоне, то есть реализовать саморегулирование показателей работы гидроциклона при изменяющихся входных параметрах.Introduction of a bellows rigidly connected to the regulating element into the proposed hydrocyclone, the internal cavity of which communicates with the axial zone of the hydrocyclone through a coaxial tube, allows using a vacuum in the axial zone of the hydrocyclone as a source of internal useful energy. Thus, an increase in the efficiency, reliability and stability of the suspension separation indicators in the hydrocyclone under conditions of inconstant concentration of the initial suspension occurs due to the internal reserves of the hydrocyclone itself without involving external devices that consume additional energy from the outside. The proposed design of the regulating device allows for stabilizing the suspension concentration at the inlet to the hydrocyclone with an inconstant concentration of the initial suspension, and preventing possible clogging of the sand hole with a sharp increase in the initial concentration, using the hydrodynamic features of the hydrocyclone itself, namely the vacuum in the axial zone, that is, to implement self-regulation of the hydrocyclone operating indicators with changing input parameters.

Таким образом, новая совокупность признаков, содержащаяся в заявленном техническом решении, неизвестна ни в аналоге, ни в прототипе и позволяет получить положительный эффект, указанный в задаче изобретения, и соответствует критерию «существенные отличия».Thus, the new set of features contained in the claimed technical solution is unknown in either the analogue or the prototype and allows for the positive effect specified in the task of the invention to be achieved and meets the criterion of “significant differences”.

Claims

A hydrocyclone comprising a housing with an inlet, drain and sand branch pipes, a drain chamber, an ejector with feed and suction branch pipes, a suction pipeline connected to the suction branch pipe via a regulating device, a compensation pipeline connecting the feed and suction branch pipes of the ejector to the regulating device, wherein the regulating device is provided with a regulating element for changing the ratio of the flow sections of the compensation and suction pipelines and is connected by means of the suction pipeline to the drain chamber, characterized in that the regulating element for changing the ratio of the flow sections of the compensation and suction pipelines of the regulating device is rigidly connected to a bellows, the internal cavity of which communicates with the axial zone of the hydrocyclone via a coaxial tube.