Hidrociclones

Descripción

HidrociclonesTienen forma cono-cilíndrica, con una entrada de alimentación tangencial a la sección cilíndrica y una salida en cada eje. La salida en la sección cilíndrica se llama buscador de vórtices y se extiende hacia el ciclón para reducir el flujo de cortocircuito directamente desde la entrada. En el extremo cónico está la segunda salida, el grifo. Para la separación por tamaños, ambas salidas generalmente están abiertas a la atmósfera. Los hidrociclones generalmente se operan verticalmente con la llave en el extremo inferior, de ahí que el producto grueso se llame underflow y el producto fino, que sale del buscador de vórtices, overflow. La Figura 1 muestra esquemáticamente las principales características de flujo y diseño de unhidrociclón: los dos vórtices, la entrada de alimentación tangencial y las salidas axiales. Excepto en la región inmediata de la entrada tangencial, el movimiento del fluido dentro del ciclón tiene simetría radial. Si una o ambas salidas están abiertas a la atmósfera, una zona de baja presión provoca un núcleo de gas a lo largo del eje vertical, dentro del vórtice interior.

El principio de funcionamiento es sencillo: el fluido que transporta las partículas en suspensión entra tangencialmente en el ciclón, gira en espiral hacia abajo y produce un campo centrífugo en un flujo de vórtice libre. Las partículas más grandes se mueven a través del fluido hacia el exterior del ciclón en un movimiento en espiral y salen por la espita con una fracción del líquido. Debido al área límite de la espiga, se establece un vórtice interno, que gira en la misma dirección que el vórtice externo pero que fluye hacia arriba, y sale del ciclón a través del buscador de vórtices, llevando consigo la mayor parte del líquido y las partículas más finas. Si se excede la capacidad del grifo, el núcleo de aire se cierra y la descarga del grifo cambia de un rocío en forma de paraguas a una "cuerda" y una pérdida de material grueso hacia el rebosadero.

El diámetro de la sección cilíndrica es la variable principal que afecta el tamaño de partícula que se puede separar, aunque los diámetros de salida se pueden cambiar de forma independiente para alterar la separación lograda. Mientras que los primeros investigadores experimentaron con ciclones de tan solo 5 mm de diámetro, los diámetros de los hidrociclones comerciales actualmente oscilan entre 10 mm y 2,5 m, con tamaños de separación para partículas con una densidad de 2700 kg m-3 de 1,5 a 300 μm, que disminuyen a medida que aumenta la densidad de las partículas. La caída de presión de funcionamiento oscila entre 10 bar para diámetros pequeños y 0,5 bar para unidades grandes. Para aumentar la capacidad, varios pequeñoshidrociclonesPuede ser múltiple desde una sola línea de alimentación.

Aunque el principio de funcionamiento es simple, muchos aspectos de su funcionamiento aún no se comprenden bien, y la selección y predicción de hidrociclones para funcionamiento industrial son en gran medida empíricas.

Clasificación

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., en Wills' Mineral Processing Technology (octava edición), 2016

9.4.3 Hidrociclones versus pantallas

Los hidrociclones han llegado a dominar la clasificación cuando se trata de partículas finas en circuitos de molienda cerrados (<200 µm). Sin embargo, los recientes desarrollos en la tecnología de cribas (Capítulo 8) han renovado el interés en utilizar cribas en circuitos de molienda. Las cribas se separan según el tamaño y no están directamente influenciadas por la densidad distribuida en los minerales de alimentación. Esto puede ser una ventaja. Las cribas tampoco tienen una fracción de derivación y, como se muestra en el ejemplo 9.2, la desviación puede ser bastante grande (más del 30% en ese caso). La figura 9.8 muestra un ejemplo de la diferencia en la curva de partición para ciclones y pantallas. Los datos son de la concentradora El Brocal en Perú con evaluaciones antes y después de que los hidrociclones fueran reemplazados por un Derrick Stack Sizer® (ver Capítulo 8) en el circuito de molienda (Dündar et al., 2014). De acuerdo con las expectativas, en comparación con el ciclón, la pantalla tenía una separación más pronunciada (la pendiente de la curva es mayor) y poca desviación. Se informó un aumento en la capacidad del circuito de molienda debido a mayores tasas de rotura después de la implementación de la criba. Esto se atribuyó a la eliminación del bypass, lo que reduce la cantidad de material fino enviado de regreso a los molinos, que tiende a amortiguar los impactos entre partículas.

Sin embargo, el cambio no es unidireccional: un ejemplo reciente es el cambio de pantalla a ciclón, para aprovechar la reducción adicional de tamaño de los minerales más densos (Sasseville, 2015).

Proceso y diseño metalúrgico.

Eoin H. Macdonald, en Manual de exploración y evaluación de oro, 2007

Hidrociclones

Los hidrociclones son unidades preferidas para dimensionar o deslamar grandes volúmenes de lodo de forma económica y porque ocupan muy poco espacio o espacio libre. Operan de manera más efectiva cuando se alimentan con un caudal y una densidad de pulpa uniformes y se usan individualmente o en grupos para obtener las capacidades totales deseadas en las divisiones requeridas. Las capacidades de dimensionamiento dependen de las fuerzas centrífugas generadas por altas velocidades de flujo tangencial a través de la unidad. El vórtice primario formado por la suspensión entrante actúa en espiral hacia abajo alrededor de la pared interna del cono. Los sólidos son expulsados hacia afuera por la fuerza centrífuga, de modo que a medida que la pulpa se mueve hacia abajo, su densidad aumenta. Las componentes verticales de la velocidad actúan hacia abajo cerca de las paredes del cono y hacia arriba cerca del eje. La fracción de limo menos densa separada centrífugamente se fuerza hacia arriba a través del buscador de vórtice para pasar a través de la abertura en el extremo superior del cono. Una zona o envoltura intermedia entre los dos flujos tiene velocidad vertical cero y separa los sólidos más gruesos que se mueven hacia abajo de los sólidos más finos que se mueven hacia arriba. La mayor parte del flujo pasa hacia arriba dentro del vórtice interno más pequeño y las fuerzas centrífugas más altas arrojan las partículas más finas hacia afuera, proporcionando así una separación más eficiente en los tamaños más finos. Estas partículas regresan al vórtice exterior y se reportan una vez más a la alimentación de la plantilla.

La geometría y las condiciones de funcionamiento dentro del patrón de flujo en espiral de un típicohidrociclónse describen en la figura 8.13. Las variables operativas son la densidad de la pulpa, el caudal de alimentación, las características de los sólidos, la presión de entrada de la alimentación y la caída de presión a través del ciclón. Las variables del ciclón son el área de entrada de alimentación, el diámetro y la longitud del buscador de vórtices y el diámetro de descarga del grifo. El valor del coeficiente de resistencia también se ve afectado por la forma; cuanto más varía una partícula desde la esfericidad, menor es su factor de forma y mayor su resistencia a la sedimentación. La zona de tensión crítica puede extenderse a algunas partículas de oro de hasta 200 mm de tamaño, por lo que es esencial un seguimiento cuidadoso del proceso de clasificación para reducir el reciclaje excesivo y la consiguiente acumulación de lodos. Históricamente, cuando se prestaba poca atención a la recuperación de 150μm granos de oro, el arrastre de oro en las fracciones de limo parece haber sido en gran medida responsable de las pérdidas de oro que se registraron hasta entre el 40% y el 60% en muchas operaciones de placeres de oro.

La Figura 8.14 (Tabla de selección de Warman) es una selección preliminar de ciclones para separar en varios tamaños D50 desde 9 a 18 micrones hasta 33 a 76 micrones. Este gráfico, al igual que otros gráficos similares del rendimiento de los ciclones, se basa en una alimentación cuidadosamente controlada de un tipo específico. Se supone un contenido de sólidos de 2.700 kg/m3 en agua como primera guía para la selección. Los ciclones de mayor diámetro se utilizan para producir separaciones gruesas, pero requieren grandes volúmenes de alimentación para funcionar correctamente. Las separaciones finas con grandes volúmenes de alimentación requieren grupos de ciclones de pequeño diámetro que funcionan en paralelo. Los parámetros de diseño finales para un dimensionamiento cercano deben determinarse experimentalmente, y es importante seleccionar un ciclón alrededor del medio del rango para que cualquier ajuste menor que pueda ser necesario pueda realizarse al inicio de las operaciones.

Se afirma que el ciclón CBC (lecho circulante) clasifica materiales de alimentación de oro aluvial de hasta 5 mm de diámetro y obtiene una alimentación de plantilla consistentemente alta desde el flujo inferior. La separación se produce aproximadamenteD50/150 micrones basado en sílice de densidad 2,65. Se afirma que el flujo inferior del ciclón CBC es particularmente adecuado para la separación con plantilla debido a su curva de distribución de tamaño relativamente suave y a la eliminación casi completa de partículas finas de desechos. Sin embargo, aunque se afirma que este sistema produce un concentrado primario de alta ley de minerales pesados equivalentes en una sola pasada a partir de una alimentación de rango de tamaño relativamente largo (por ejemplo, arenas minerales), no hay cifras de rendimiento disponibles para material de alimentación aluvial que contenga oro fino y en escamas. . La tabla 8.5 proporciona los datos técnicos de AKW.hidrociclonespara puntos de corte entre 30 y 100 micras.

Tabla 8.5. Datos técnicos de los hidrociclones AKW

Tipo (KRS)	Diámetro (mm)	Caída de presión	Capacidad		Punto de corte (micras)
Tipo (KRS)	Diámetro (mm)	Caída de presión	Lodo (m3/h)	Sólidos (t/h máx.).	Punto de corte (micras)
2118	100	1–2,5	9.27	5	30–50
2515	125	1–2,5	11–30	6	25–45
4118	200	0,7–2,0	18–60	15	40–60
(RWN)6118	300	0,5–1,5	40–140	40	50-100

Avances en las tecnologías de trituración y clasificación del mineral de hierro

A. Jankovic, en Mineral de hierro, 2015

8.3.3.1 Separadores de hidrociclones

El hidrociclón, también conocido como ciclón, es un dispositivo clasificador que utiliza fuerza centrífuga para acelerar la velocidad de sedimentación de las partículas de lodo y separar las partículas según su tamaño, forma y gravedad específica. Se utiliza ampliamente en la industria de los minerales, siendo su uso principal en el procesamiento de minerales como clasificador, lo que ha demostrado ser extremadamente eficiente en tamaños de separación finos. Se utiliza ampliamente en operaciones de molienda en circuito cerrado, pero se le han encontrado muchos otros usos, como deslimador, desarenado y espesante.

Un hidrociclón típico (Figura 8.12a) consiste en un recipiente de forma cónica, abierto en su vértice o flujo inferior, unido a una sección cilíndrica, que tiene una entrada de alimentación tangencial. La parte superior de la sección cilíndrica se cierra con una placa a través de la cual pasa un tubo de rebose montado axialmente. La tubería se extiende hacia el cuerpo del ciclón mediante una sección corta y extraíble conocida como buscador de vórtices, que evita el cortocircuito de la alimentación directamente al rebosadero. El alimento se introduce bajo presión a través de la entrada tangencial, lo que imparte un movimiento giratorio a la pulpa. Esto genera un vórtice en el ciclón, con una zona de baja presión a lo largo del eje vertical, como se muestra en la Figura 8.12b. A lo largo del eje se desarrolla un núcleo de aire, normalmente conectado a la atmósfera a través de la abertura del vértice, pero creado en parte por el aire disuelto que sale de la solución en la zona de baja presión. La fuerza centrífuga acelera la velocidad de sedimentación de las partículas, separando así las partículas según su tamaño, forma y gravedad específica. Las partículas que se sedimentan más rápido se mueven hacia la pared del ciclón, donde la velocidad es más baja, y migran hacia la abertura del ápice (flujo inferior). Debido a la acción de la fuerza de arrastre, las partículas que se sedimentan más lentamente se mueven hacia la zona de baja presión a lo largo del eje y son arrastradas hacia arriba a través del buscador de vórtices hasta el desbordamiento.

Los hidrociclones se utilizan casi universalmente en circuitos de molienda debido a su alta capacidad y relativa eficiencia. También pueden clasificar en una gama muy amplia de tamaños de partículas (normalmente de 5 a 500 μm), utilizándose unidades de diámetro más pequeño para una clasificación más fina. Sin embargo, la aplicación de ciclones en circuitos de molienda de magnetita puede provocar un funcionamiento ineficiente debido a la diferencia de densidad entre la magnetita y los minerales residuales (sílice). La magnetita tiene una densidad específica de aproximadamente 5,15, mientras que la sílice tiene una densidad específica de aproximadamente 2,7. Enhidrociclones, los minerales densos se separan en un tamaño de corte más fino que los minerales más ligeros. Por lo tanto, la magnetita liberada se concentra en el flujo inferior del ciclón, con la consiguiente trituración excesiva de la magnetita. Napier-Munn et al. (2005) señalaron que la relación entre el tamaño de corte corregido (d50c) y la densidad de las partículas sigue una expresión de la siguiente forma dependiendo de las condiciones de flujo y otros factores:

d50c∝ρs−ρl−n

dóndeρs es la densidad de los sólidos,ρl es la densidad del líquido, ynestá entre 0,5 y 1,0. Esto significa que el efecto de la densidad mineral sobre el rendimiento del ciclón puede ser bastante significativo. Por ejemplo, si eld50c de la magnetita es de 25 μm, entonces eld50c de partículas de sílice tendrán entre 40 y 65 μm. La Figura 8.13 muestra las curvas de eficiencia de clasificación de ciclones para magnetita (Fe3O4) y sílice (SiO2) obtenidas del estudio de un circuito de molienda de magnetita en un molino de bolas industrial. La separación por tamaño de la sílice es mucho más gruesa, con unad50c para Fe3O4 de 29 μm, mientras que el de SiO2 es de 68 μm. Debido a este fenómeno, los molinos de magnetita en circuitos cerrados con hidrociclones son menos eficientes y tienen menor capacidad en comparación con otros circuitos de molienda de metales base.

Tecnología de procesos de alta presión: fundamentos y aplicaciones

MJ Cocero PhD, en Biblioteca de Química Industrial, 2001

Dispositivos de separación de sólidos

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hidrociclón

Este es uno de los tipos más simples de separadores de sólidos. Es un dispositivo de separación de alta eficiencia y puede usarse para eliminar sólidos de manera efectiva a altas temperaturas y presiones. Es económico porque no tiene partes móviles y requiere poco mantenimiento.

La eficiencia de separación de sólidos depende en gran medida del tamaño de las partículas y la temperatura. Se pueden lograr eficiencias de separación brutas cercanas al 80 % para sílice y temperaturas superiores a 300 °C, mientras que en el mismo rango de temperatura, las eficiencias de separación brutas para partículas de circón más densas son superiores al 99 % [29].

El principal inconveniente del funcionamiento de un hidrociclón es la tendencia de algunas sales a adherirse a las paredes del ciclón.

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Microfiltración cruzada

Los filtros de flujo cruzado se comportan de una manera similar a la que se observa normalmente en la filtración de flujo cruzado en condiciones ambientales: el aumento de las velocidades de corte y la reducción de la viscosidad del fluido dan como resultado un mayor número de filtrado. La microfiltración cruzada se ha aplicado a la separación de sales precipitadas como sólidos, dando eficiencias de separación de partículas que normalmente superan el 99,9%. goemanset al.[30] estudiaron la separación de nitrato de sodio del agua supercrítica. En las condiciones del estudio, el nitrato de sodio estaba presente como sal fundida y era capaz de atravesar el filtro. Se obtuvieron eficiencias de separación que variaron con la temperatura, ya que la solubilidad disminuye a medida que aumenta la temperatura, oscilando entre 40% y 85%, para 400 °C y 470 °C, respectivamente. Estos investigadores explicaron el mecanismo de separación como consecuencia de una clara permeabilidad del medio filtrante hacia la solución supercrítica, a diferencia de la sal fundida, basándose en sus viscosidades claramente distintas. Por lo tanto, sería posible no sólo filtrar sales precipitadas simplemente como sólidos sino también filtrar aquellas sales de bajo punto de fusión que se encuentran en estado fundido.

Los problemas de funcionamiento se debieron principalmente a la corrosión del filtro por las sales.

Papel: Reciclaje y Materiales Reciclados

MR Doshi, JM Dyer, en Módulo de referencia en ciencia de materiales e ingeniería de materiales, 2016

3.3 Limpieza

Limpiadores ohidrocicloneseliminar contaminantes de la pulpa basándose en la diferencia de densidad entre el contaminante y el agua. Estos dispositivos consisten en un recipiente a presión cónico o cilíndrico-cónico al que se alimenta la pulpa tangencialmente en el extremo de mayor diámetro (Figura 6). Durante el paso por el limpiador, la pulpa desarrolla un patrón de flujo de vórtice, similar al de un ciclón. El flujo gira alrededor del eje central a medida que se aleja de la entrada y hacia el ápice, o abertura de flujo inferior, a lo largo del interior de la pared del limpiador. La velocidad del flujo rotacional se acelera a medida que disminuye el diámetro del cono. Cerca del extremo del ápice, la abertura de pequeño diámetro impide la descarga de la mayor parte del flujo, que en cambio gira en un vórtice interno en el núcleo del limpiador. El flujo en el núcleo interno sale de la abertura del ápice hasta que se descarga a través del buscador de vórtice, ubicado en el extremo de mayor diámetro en el centro del limpiador. El material de mayor densidad, que se concentra en la pared del limpiador debido a la fuerza centrífuga, se descarga en el vértice del cono (Bliss, 1994, 1997).

Los limpiadores se clasifican en de alta, media o baja densidad según la densidad y el tamaño de los contaminantes que se eliminan. Se utiliza un limpiador de alta densidad, con un diámetro que oscila entre 15 y 50 cm (6 a 20 pulgadas), para eliminar restos de metal, clips y grapas, y generalmente se coloca inmediatamente después del despulpador. A medida que disminuye el diámetro del limpiador, aumenta su eficiencia para eliminar contaminantes de pequeño tamaño. Por razones prácticas y económicas, el ciclón de 75 mm (3 pulgadas) de diámetro es generalmente el limpiador más pequeño utilizado en la industria papelera.

Los limpiadores inversos y los limpiadores de flujo continuo están diseñados para eliminar contaminantes de baja densidad como cera, poliestireno y sustancias adhesivas. Los limpiadores inversos se denominan así porque la corriente de aceptación se recoge en el ápice del limpiador mientras que los rechazos salen por el desbordamiento. En el limpiador de flujo continuo, las aceptaciones y los rechazos salen en el mismo extremo del limpiador, con las aceptaciones cerca de la pared del limpiador separadas de los rechazos por un tubo central cerca del núcleo del limpiador, como se muestra en la Figura 7.

Las centrífugas continuas utilizadas en las décadas de 1920 y 1930 para eliminar la arena de la pulpa se suspendieron después del desarrollo de los hidrociclones. El Gyroclean, desarrollado en el Centre Technique du Papier, Grenoble, Francia, consiste en un cilindro que gira a 1200-1500 rpm (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). La combinación de un tiempo de residencia relativamente largo y una alta fuerza centrífuga permite que los contaminantes de baja densidad tengan tiempo suficiente para migrar al núcleo del limpiador, donde son rechazados a través de la descarga del vórtice central.

MT Thew, en Enciclopedia de la ciencia de la separación, 2000

Sinopsis

Aunque el sólido-líquidohidrociclónse ha establecido durante la mayor parte del siglo XX, el rendimiento satisfactorio de la separación líquido-líquido no llegó hasta la década de 1980. La industria petrolera costa afuera necesitaba equipos compactos, robustos y confiables para eliminar del agua el petróleo contaminante finamente dividido. Esta necesidad fue satisfecha con un tipo de hidrociclón significativamente diferente, que por supuesto no tenía partes móviles.

Luego de explicar más ampliamente esta necesidad y compararla con la separación ciclónica sólido-líquido en el procesamiento de minerales, se dan las ventajas que el hidrociclón confirió sobre tipos de equipos instalados anteriormente para cumplir con la tarea.

Los criterios de evaluación del desempeño de la separación se enumeran antes de discutir el desempeño en términos de constitución de la alimentación, control del operador y la energía requerida, es decir, el producto de la caída de presión y el caudal.

El entorno para la producción de petróleo impone algunas limitaciones a los materiales y esto incluye el problema de la erosión de partículas. Se mencionan los materiales típicos utilizados. Se describen los datos de costos relativos para los tipos de plantas de separación de petróleo, tanto de capital como recurrentes, aunque las fuentes son escasas. Finalmente, se describen algunas indicaciones para un mayor desarrollo, ya que la industria petrolera busca equipos instalados en el fondo del mar o incluso en el fondo del pozo.

Muestreo, control y balanceo de masas

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., en Wills' Mineral Processing Technology (octava edición), 2016

3.7.1 Uso del tamaño de partícula

Muchas unidades, comohidrociclonesy los separadores por gravedad, producen un grado de separación por tamaño y los datos del tamaño de las partículas se pueden utilizar para el equilibrio de masa (Ejemplo 3.15).

El ejemplo 3.15 es un ejemplo de minimización del desequilibrio de nodos; proporciona, por ejemplo, el valor inicial para la minimización de mínimos cuadrados generalizada. Este enfoque gráfico se puede utilizar siempre que haya “exceso” de datos de componentes; en el ejemplo 3.9 podría haberse utilizado.

El ejemplo 3.15 utiliza el ciclón como nodo. Un segundo nodo es el sumidero: este es un ejemplo de 2 entradas (alimentación fresca y descarga del molino de bolas) y una salida (alimentación ciclónica). Esto da otro balance de masa (Ejemplo 3.16).

En el Capítulo 9 volvemos a este ejemplo de circuito de molienda usando datos ajustados para determinar la curva de partición del ciclón.

Hora de publicación: 07-may-2019