Optimizing the separation characteristics of the waterinjection hydrocyclone using mathematical modelling

Abstract

Purpose. Although the hydrocyclone separator has many advantages, it still has some limitations which decrease its separation efficiency in many mineral processing applications because of fine particles which are miss separated to the coarse product in the underflow. Water injection in the conical part of the cyclone was recently implemented to solve this problem. The water injection mechanism and the way in which the injected water affects the separation are still not clear and need to be more investigated. Methods. New design of water injection hydrocyclone was tried using a modified conical part with a water injection range consist of five equal distance injection openings open directly on the periphery of the cone part. Findings. This study presents a mechanical mathematical model that simulates the water injection to give a clear indication of the injection mechanism impact on the classification process. It could also predict the dependence of the basic characteristics of the classification on the amount of the injected water and the influence of different operating and design parameters of the hydrocyclone. Originality. The model accounts for the fluid flow, the particle motion, the turbulent particle diffusion, and particle settling. Particle interactions and fine particle entrainment by settling coarse particles are also included in the model. The model was found to predict well the injection effect and agrees with the experimental results. Practical implications. The results showed also that the increase in water injection velocity leads to an increase in both the cut size and the minimal value of the separation curve. It was found also that the hydrocyclone length has an important effect on the injection process, and the separation sharpness is directly proportional to it at higher values of water injection velocity.

Мета. Покращення сепараційних характеристик гідроциклону шляхом нагнітання води за допомогою математичного моделювання. Механізм нагнітання і те, як саме вода, що закачується, впливає на розділення, все ще не є зрозумілими і вимагають подальшого наукового вивчення. Методика. Була випробувана нова конструкція гідроциклону із закачуванням води з використанням модифікованої конічної частини з діапазоном вприску води, що складається з п’яти отворів для вприску на рівній відстані, відкритих безпосередньо по периферії конічної частини. Математична модель фокусувалася на таких основних факторах, що визначають процес класифікації в гідроциклоні: рух частинок під дією масових (центрифужних) сил до стінки, дифузія частинок за допомогою турбулентної дифузії, спричиненої градієнтом концентрації, та потік закачування води. Результати. Встановлено, що збільшення швидкості води, що нагнітається, призводить до збільшення як розміру фракції d50, так і мінімального значення функції розділення T(0), а ін’єкція сприяє гасінню немонотонної для кривої розділення щільних суспензій. Встановлено, що довжина пристрою має важливий вплив на процес впорскування, тобто ефект впорскування різний для довгого і короткого гідроциклону. Визначено, що різкість розділення для короткого апарату зменшується, а для довгого апарату збільшується, якщо швидкість води, що закачується, збільшується. Наукова новизна. Математична модель враховує потік рідини, рух частинок, їх турбулентну дифузію та осадження. У модель також включені взаємодії частинок та віднесення дрібних частинок за рахунок осадження великих. Було виявлено, що модель гарно передбачає вплив нагнітання і в цілому добре узгоджується з експериментальними результатами. Практична значимість. Результати дослідження корисні для проектування ефективних сепараційних характеристик гідроциклонів при збагаченні різних видів корисних копалин.

Цель. Улучшение сепарационных характеристик гидроциклона путем нагнетания воды при помощи математического моделирования. Механизм нагнетания и то, как именно закачиваемая вода влияет на разделение, все еще не ясны и требуют дальнейшего научного изучения. Методика. Была опробована новая конструкция гидроциклона с закачкой воды с использованием модифицированной конической части с диапазоном впрыска воды, состоящим из пяти отверстий для впрыска на равном расстоянии, открытых непосредственно по периферии конической части. Математическая модель фокусировалась на следующих основных факторах, определяющих процесс классификации в гидроциклоне: движение частиц под действием массовых (центрифужных) сил к стенке, диффузия частиц посредством турбулентной диффузии, вызванной градиентом концентрации, и поток закачки воды. Результаты. Установлено, что увеличение скорости нагнетаемой воды приводит к увеличению как размера фракции d50, так и минимального значения функции разделения T(0), а инъекция способствует гашению немонотонной для кривой разделения плотных суспензий. Установлено, что длина устройства имеет важное влияние на процесс впрыска, то есть эффект впрыска различен для длинного и короткого гидроциклона. Определено, что резкость разделения для короткого аппарата уменьшается, а для длинного аппарата увеличивается, если скорость закачиваемой воды увеличивается. Научная новизна. Математическая модель учитывает поток жидкости, движение частиц, их турбулентную диффузию и осаждение. В модель также включены взаимодействия частиц и унос мелких частиц за счет осаждения крупных. Было обнаружено, что модель хорошо предсказывает влияние нагнетания и в целом хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Практическая значимость. Результаты исследования являются полезными для проектирования эффективных сепарационных характеристик гидроциклонов при обогащении различных видов полезных ископаемых.