در این مطالعه، یک هیدروسیکلون جداکننده آب از نفت از نوع (کولمن – تئو)، به صورت سه بعدی با استفاده از روش CFD شبیه سازی شده است. برای مدلسازی جریان مغشوش از مدل RSM و برای تحلیل جریان دو فازی، از مدل (اولرین- اولرین) استفاده شده است. صحت نتایج شبیه سازی با مقایسه بازدهی و درصد جریان خروجی از پایین هیدروسیکلون با نتایج تجربی گزارش شده، تایید شده است. این نتایج، خطای متوسط 9% و 7% را به ترتیب برای بازدهی و نسبت جدایش، در مقایسه با مقادیر آزمایشگاهی، نشان می دهند. همچنین نتایج نشان می دهند که با کاهش طول قسمت استوانه ای ورودی از h=1.5D به h=0.29D، بازدهی و بازدهی کلی به طور متوسط به مقدار 20% افزایش می یابند. همچنین با استفاده از یک قسمت مخروطی به جای قسمت استوانه ای، بازدهی و بازدهی کلی هیدروسیکلون به طور متوسط 10% بهبود می یابد.

از هیدروسیکلون برای جداسازی جامدات معلق سنگین تر از آب از جمله ماسه و سیلت استفاده می شود. در این تحقیق پس از شناسایی تمام فاکتورهای موثر بر عملکرد هیدروسیکلون ها، نسبت به بهینه سازی متغیرهای تاثیر گذار با روش طراحی آزمایش تاگوچی اقدام شد. با هدف بهینه سازی عملکرد هیدروسیکلون در حذف ماسه از آب، 18 هیدروسیکلون بر اساس متغیرهای تاثیرگذار شامل قطر ورودی، قطر سرریز، قطر ته ریز، قطر بدنه هیدروسیکلون، ارتفاع بخش استوانه ای، ارتفاع کل و نیز ارتفاع دیافراگم، طراحی، ساخته و مورد آزمایش قرار گرفت. برای بهینه سازی این هیدروسیکلون ها، از دو غلظت حداقلی و حداکثری جامدات معلق (شن و ماسه) اخذ شده از نمونه های چا ه های سطح شهر مشهد به ترتیب معادل20 و 100 میلی گرم در لیتر و با توزیع مشاهده شده، استفاده شد. نتایج آنالیزهای آماری نشان داد که در شرایط بهینه، نسبت قطر ورودی و قطر سرریز به قطر هیدروسیکلون، مشابه و معادل 225/0 و قطر ته ریز به آن معادل 15/0 است. همچنین نسبت ارتفاع بخش استوانه ای و ارتفاع دیافراگم به ارتفاع کل هیدروسیکلون نیز به ترتیب 12/0 و 08/0 تعیین شد. علاوه براین، راندمان جرمی حذف ماسه ها در شرایط بهینه و بسته به تکرارهای مختلف، بین 9/95 تا 4/98 درصد پیش بینی شد. این در حالی است که با ساخت هیدروسیکلون بهینه و آزمایش آن در سه تکرار، این رقم بالغ 1/1± 2/97 درصد بود. مقایسه نتایج راندمان جرمی پیش بینی شده توسط روش تاگوچی نسبت به مقادیر واقعی اندازه گیری شده که با ساخت هیدروسیکلون بهینه انجام شد، نشان داد که نتایج مورد نظر بسیار به هم نزدیک هستند. نسبت های هندسی تعیین شده در این تحقیق نیز عموماً در محدوده بین حداقل و حداکثر نسبت های ارائه شده در هیدروسیکلون های به کار رفته در معدن کاری است. از این نسبت ها و پس از افزایش مقیاس، می توان در ساخت هیدروسیکلون های خاص ماسه زدایی از آب استفاده نمود.

هیدروسیکلون یکی از موثر ترین وسایل دانه بندی در کارخانه های فرآوری مواد معدنی است. این دستگاه نسبت به تغییرات پارامتر های عملیاتی بسیار حساس است. با توجه به زمان ماند کوتاه مواد در هیدرو سیکلون، پایش(Monitoring)  آن می تواند نقش چشمگیری در بهبود کارآیی آن داشته باشد. معمولا از معیارهای حد جدایش، دقت جدایش و میزان بازیابی آب به ته ریز، به عنوان عوامل ارزیابی کارآیی هیدروسیکلون استفاده می شود. از زاویه چتر ته ریز نیز می توان کارکرد هیدروسیکلون را بررسی کرد. در این تحقیق با استفاده از شیوه پردازش تصویر، به اندازه گیری زاویه چتر در ته ریز هیدروسیکلون پرداخته شده است. سپس با کمک روش های آماری، پارامتر های موثر بر این زاویه مشخص شدند و با برازش توابع مناسب، ارتباط بین زاویه چتر، حد جدایش، دقت جدایش و بازیابی آب به ته ریز مشخص گردید. نتایج نشان دادند که می توان از شیوه پردازش تصویر به عنوان روشی قابل اطمینان در بررسی کار هیدروسیکلون استفاده کرد.

شبیه سازی هیدروسیکلون ها معمولا به کمک مدل های تجربی انجام می گیرد. مهم ترین محدودیت مدل های تجربی، وابستگی آن ها به پارامترهای سیستم و در نتیجه عدم جامعیت آن ها است. دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) یک ابزار قدرتمند برای مدلسازی جریان سیال در سیستم های مختلف است. هدف از انجام پژوهش حاضر، شبیه سازی و مدلسازی سه بعدی جریان مواد در داخل یک هیدروسیکلون با مدلسازی تک فازی (آب) به روش CFD است. مراحل مختلف فرآیند شبیه سازی شامل طراحی هندسه سیستم، شبکه بندی، تعیین خصوصیات جریان، تعیین شرایط اولیه و مرزی، انتخاب مدل توربولنس، تعیین پارامترهای عددی، حل مساله و در نهایت اعتبارسنجی نتایج حاصل است. برای اعتبارسنجی نتایج شبیه سازی از داده های اندازه گیری مستقیم پروفیل های سرعت در یک هیدروسیکلون آزمایشگاهی استفاده شد. نتایج شبیه سازی نشان داد که سرعت مماسی سیال داخل هیدروسیکلون از جداره به سمت هسته هوای مرکزی به تدریج افزایش یافته و در فصل مشترک (هسته هوا با سیال) مجددا کاهش می یابد. مقدار سرعت مماسی سیال در بخش های مختلف هیدروسیکلون از m/s 59/1-تا m/s 52/6 متغیر است. سرعت محوری سیال داخل هیدروسیکلون در نتیجه دو جریان چرخشی یکی جریان رو به بالای سیال در هسته هوای مرکزی و دیگری جریان رو به پایین سیال در نزدیکی جداره است. محدوده تغییرات سرعت محوری سیال در بخش های مختلف هیدروسیکلون از m/s 58/5-تا m/s 46/5 است. در مقایسه مدل های توربولنس مختلف، مدل شبیهسازی گردابه بزرگ (LES) دارای کمترین خطای نسبی در پیش بینی پروفیلهای سرعت، قطر هسته هوای مرکزی (8/7 %)، اختلاف فشار داخل هیدروسیکلون (52/7 %) و همچنین توزیع جرمی جریان های سرریز و ته ریز (18/0 %) است. اثر پارامترهای مختلف هندسی (قطر دهانه ته ریز، قطر دهانه سرریز و زاویه بخش مخروطی) و عملیاتی (دبی جرمی جریان ورودی) بر پروفیل سرعت مماسی سیال مورد بررسی قرار گرفت.

عملیات آبگیری و بازیابی آب مورد استفاده در فرآیندهای فرآوری مواد معدنی، علاوه بر صرفه جویی در مصرف آب موجب به حداقل رسیدن تخلیه پسماند در محیط زیست می شود. در این تحقیق به بهینه سازی فرآیند آبگیری کارخانه فرآوری طلای زرشوران با استفاده از مدار شامل هیدروسیکلون پرداخته شده است. بدین منظور تعداد 12 آزمایش با قطرهای اسپیگات 2، 3، 6، 9 میلیمتر و در سه حالت عملیاتی تخلیه افشان، حالت گذر و تخلیه طنابی، هیدروسیکلون انجام شده است. قابلیت آبگیری هیدروسیکلون در هر آزمایش براساس مقادیر درصد جامد وزنی و بازیابی جرمی جامد جریان ته ریز ارزیابی شده است. نتایج آزمایش ها نشان می دهد که در شرایط عملیاتی ثابت، با افزایش قطر اسپیگات بازیابی جرمی جامد به جریان ته ریز افزایش و درصد جامد وزنی ته ریز کاهش می یابد. از طرفی با گرایش وضعیت تخلیه ته ریز از حالت طنابی به حالت افشان، درصد جامد وزنی و بازیابی جرمی جامد جریان ته ریز به طور همزمان افزایش می یابند. بنابراین می توان گفت الگوی تخلیه افشان در ته ریز دارای قابلیت آبگیری بالاتری است. در قطر 6 میلیمتر اسپیگات و الگوی تخلیه افشان، بازیابی جرمی جامد ته ریز و درصد جامد وزنی ته ریز به ترتیب به 75 و 61 درصد می رسد. در این حالت با در نظر گرفتن هیدروسیکلون به عنوان مرحله اول فرآیند آبگیری، این مقدار از جامد بدون نیاز به آبگیری مستقیما و با هزینه کمتری قابل انتقال به سد باطله است. از طرف دیگر سرریز هیدروسیکلون محتوای 25 درصد از کل جامد ورودی است. در صورتی که از فیلترپرس موجود در واحد آبگیری به عنوان مرحله نهایی آبگیری استفاده گردد، بار ورودی آن 75 درصد کاهش خواهد یافت و این به معنی افزایش کلی ظرفیت این واحد توسط هیدروسیکلون است.

یک ویژگی جریان در هیدروسیکلون، تشکیل ستون هوای مرکزی است. جریان شدید چرخشی، ناحیه کم فشاری را در مرکز به وجود می آورد که معمولا به تشکیل سطح آزاد مایع در حال دوران، به شکل استوانه منجر شده و در تمام طول هیدروسیکلون برقرار است. این ستون هوا بر کارایی جدایش تاثیر گذار است. در این پژوهش، برای تخمین قطر ستون هوای مرکزی از نقاط کم فشار در داخل هیدروسیکلون استفاده شده است. به منظور تعیین توزیع فشار در داخل هیدروسیکلون، از روش دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) استفاده شده است. از سه مدل جریان آشفته RNG k-ε،RSM  و LES در غالب نرم افزار Fluent برای تخمین قطر ستون هوای مرکزی استفاده شده است. برای تعیین قطر ستون هوای مرکزی از سه صفحه؛ یک صفحه در قسمت استوانه ای و دو صفحه دیگر در بخش مخروطی هیدروسیکلون استفاده شده است. نتایج نشان داده اند که؛ مدل RNG k-ε در تخمین کارایی هیدروسیکلون چندان موفقیت آمیز نبوده است. مدل آشفتگی LES در پیش بینی سرعت ها در داخل هیدروسیکلون دقیق بوده است. از بین سه مدل انتخابی، مدل آشفتگی RSM در تخمین قطر ستون هوای مرکزی در مقایسه با دو مدل دیگر دارای دقت بیشتری است.