Exploring particle flow in a hydrocyclone classifier through positron emission particle tracking (PEPT)

Sovechles, Joshua; Sovechles, Joshua

Thesis

Exploring particle flow in a hydrocyclone classifier through positron emission particle tracking (PEPT)

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Creator

Sovechles, Joshua

Contributors

Abstract

English

The hydrocyclone is a continuously operating classifying device that utilises differences in drag and inertial forces to separate particles based on size, shape and density. Hydrocyclones are used extensively in the mineral processing industry, with their primary use being in closed circuit grinding. The importance of their performance on the efficiencies of both the grinding circuit and downstream processes has led to their characterisation via empirical models. However, empirical models are limited to the range of process conditions used in their creation, and often require additional testing to calibrate the results to specific applications. Computational Fluid Dynamics (CFD) provides a more fundamental approach to the modelling and prediction of the flow of water and particles within the hydrocyclone. A thorough literature review determined that while computationally expensive, CFD is able to accurately predict fluid flow and particle classification at low solid concentrations (< 10 % by volume). The modelling of high solid concentration slurries, which are more consistent with industrial conditions, is currently the focus of many researchers. The validation of such models also provides a significant challenge. Due to the opacity of slurries, visual or laser diffraction techniques are only able to measure particle velocities in flows with low solid concentrations (< 1 % by weight). Positron Emission Particle Tracking (PEPT) is a technique that allows for a radioactive particle to be tracked through the triangulation of the emitted gamma rays, therefore no optical observation is required. The high particle velocities, coupled with the tight curvature, within the hydrocyclone fall outside of the typical dynamic range studied by PEPT, which has limited previous PEPT experimentation. The implementation of a new modular positron camera design allowed for the creation of a highly sensitive field of view, necessary for the tracking of high speed, low activity tracers. The tracking performance of this cross-pattern assembly was first analysed to determine the 3D location error and location frequency as a function of tracer activity and speed. Using this information, trajectories for particle sizes down to the 106-212 μm size range were determined, a large improvement when compared with previous studies. Results showed that repeatable velocity fields can be produced, which is the first time a velocity profile has been reported for the hydrocyclone using the PEPT technique. A CFD simulation of the trajectory of a 1 mm quartz sphere was conducted to compare to the results of PEPT. While the trajectory was found to closely match that measured by PEPT, the velocity magnitude, and therefore residence time, of the particle was found to vary greatly from the measured value. This indicated that more work is required to model particle flow behaviour.

French

L'hydrocyclone est un dispositif de classification à fonctionnement continu qui utilise les différences de forces de traînée et d'inertie pour séparer les particules en fonction de la taille, de la forme et de la densité. Les hydrocyclones sont largement utilisés dans l'industrie du traitement des minéraux, leur principale utilisation étant le broyage en circuit fermé. L'importance de leurs performances sur les efficacités du circuit de broyage et des processus en aval a conduit à leur caractérisation par des modèles empiriques. Cependant, les modèles empiriques sont limités à la gamme des conditions des processus utilisés dans leur création, et nécessitent souvent des tests supplémentaires afin de calibrer les résultats à des applications spécifiques. La dynamique des fluides computationnelle (DFC) fournit une approche plus fondamentale de la modélisation et de la prédiction du flux d'eau et de particules dans l'hydrocyclone. Un examen approfondi de la littérature a permis de déterminer que, bien que coûteux en termes de calcul, le DFC est capable de prédire avec précision le débit et la classification des particules à de faibles concentrations de solides (<10% en volume). La modélisation des suspensions à haute concentration de solides, qui sont plus compatibles avec les conditions industrielles, est actuellement l'enjeu de nombreux chercheurs. La validation de ces modèles constitue également un défi important. En raison de l'opacité des suspensions, les techniques de diffraction visuelle ou par laser ne permettent de mesurer les vitesses des particules que dans des écoulements à faible concentration de solides (<1% en poids). Le suivi des particules à émission de positrons (PEPT) est une technique qui permet de suivre une particule radioactive à travers la triangulation des rayons gamma émis, et donc, aucune observation optique n'est requise. Les vitesses de particules élevées, couplées à la courbure serrée, à l'intérieur de l'hydrocyclone tombent en dehors de la plage dynamique typique étudiée par le PEPT, ce qui a limité les expérimentations PEPT faites par le passé. La mise en oeuvre d'une nouvelle conception de caméra à positron modulaire a permis la création d'un champ de vision très sensible, nécessaire au suivi des traceurs à haute vitesse et à faible activité. La performance de poursuite de cet ensemble de motifs croisés a d'abord été analysée afin de déterminer l'erreur de localisation 3D et la fréquence de localisation en fonction de l'activité et de la vitesse du traceur. En utilisant cette information, des trajectoires pour des tailles de particules allant jusqu'à 106-212 μm ont été déterminées, une amélioration importante par rapport aux études précédentes. Les résultats ont démontré que des champs de vitesse reproductibles peuvent être produits, ce qui est la première fois qu'un profil de vitesse a été rapporté pour l'hydrocyclone en utilisant la technique PEPT. Une simulation CFD de la trajectoire d'une sphère de quartz de 1 mm a été réalisée afin de la comparer aux résultats du PEPT. Bien que la trajectoire ait été trouvée proche de celle mesurée par PEPT, l'amplitude de la vitesse, et par conséquent le temps de résidence, de la particule s'est révélée être très différente de la valeur mesurée. Cela indique que davantage de travail est requis sur le comportement de l'écoulement des particules.

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