Hydrocyclones

Description

Hydrocyclonessont de forme cono-cylindrique, avec une entrée d'alimentation tangentielle dans la section cylindrique et une sortie au niveau de chaque axe. La sortie au niveau de la section cylindrique est appelée chercheur de vortex et s'étend dans le cyclone pour réduire le débit de court-circuit directement depuis l'entrée. À l'extrémité conique se trouve la deuxième sortie, le robinet. Pour la séparation granulométrique, les deux sorties sont généralement ouvertes sur l'atmosphère. Les hydrocyclones fonctionnent généralement verticalement avec le robinet à l'extrémité inférieure, c'est pourquoi le produit grossier est appelé sous-verse et le produit fin, quittant le chercheur de vortex, est appelé trop-plein. La figure 1 montre schématiquement les principales caractéristiques de flux et de conception d'unhydrocyclone: les deux vortex, l'entrée d'alimentation tangentielle et les sorties axiales. À l'exception de la région immédiate de l'entrée tangentielle, le mouvement du fluide à l'intérieur du cyclone présente une symétrie radiale. Si l'une ou les deux sorties sont ouvertes sur l'atmosphère, une zone de basse pression provoque un noyau de gaz le long de l'axe vertical, à l'intérieur du vortex interne.

Le principe de fonctionnement est simple : le fluide, transportant les particules en suspension, entre tangentiellement dans le cyclone, spirale vers le bas et produit un champ centrifuge en écoulement vortex libre. Les particules plus grosses se déplacent à travers le fluide vers l'extérieur du cyclone dans un mouvement en spirale et sortent par le robinet avec une fraction du liquide. En raison de la zone limitée du robinet, un vortex interne, tournant dans la même direction que le vortex externe mais s'écoulant vers le haut, s'établit et quitte le cyclone à travers le chercheur de vortex, emportant avec lui la majeure partie du liquide et des particules plus fines. Si la capacité du robinet est dépassée, le noyau d'air est fermé et le jet du robinet passe d'un jet en forme de parapluie à une « corde » et une perte de matériaux grossiers se produit dans le trop-plein.

Le diamètre de la section cylindrique est la principale variable affectant la taille des particules pouvant être séparées, bien que les diamètres de sortie puissent être modifiés indépendamment pour modifier la séparation obtenue. Alors que les premiers chercheurs ont expérimenté des cyclones d'un diamètre aussi petit que 5 mm, les diamètres des hydrocyclones commerciaux varient actuellement de 10 mm à 2,5 m, avec des tailles de séparation pour les particules de densité 2 700 kg m−3 de 1,5 à 300 μm, diminuant avec l'augmentation de la densité des particules. La chute de pression de fonctionnement varie de 10 bar pour les petits diamètres à 0,5 bar pour les grandes unités. Pour augmenter la capacité, plusieurs petitshydrocyclonespeut être collecté à partir d’une seule ligne d’alimentation.

Bien que le principe de fonctionnement soit simple, de nombreux aspects de leur fonctionnement sont encore mal compris, et la sélection et la prévision des hydrocyclones pour une exploitation industrielle sont largement empiriques.

Classification

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., dans Wills' Mineral Processing Technology (huitième édition), 2016

9.4.3 Hydrocyclones et écrans

Les hydrocyclones dominent désormais la classification lorsqu'il s'agit de particules fines dans des circuits de broyage fermés (<200 µm). Cependant, les développements récents dans la technologie des tamis (chapitre 8) ont renouvelé l'intérêt pour l'utilisation des tamis dans les circuits de broyage. Les tamis se séparent en fonction de leur taille et ne sont pas directement influencés par la densité répartie dans les minéraux alimentaires. Cela peut être un avantage. Les écrans n'ont pas non plus de fraction de contournement et, comme l'exemple 9.2 l'a montré, le contournement peut être assez important (plus de 30 % dans ce cas). La figure 9.8 montre un exemple de différence de courbe de partage pour les cyclones et les tamis. Les données proviennent du concentrateur El Brocal au Pérou avec des évaluations avant et après le remplacement des hydrocyclones par un Derrick Stack Sizer® (voir chapitre 8) dans le circuit de broyage (Dündar et al., 2014). Conformément aux attentes, par rapport au cyclone, le tamis présentait une séparation plus nette (la pente de la courbe est plus élevée) et peu de contournement. Une augmentation de la capacité du circuit de broyage a été signalée en raison de taux de casse plus élevés après la mise en œuvre du tamis. Cela a été attribué à l'élimination du contournement, réduisant la quantité de matériaux fins renvoyés aux broyeurs, ce qui tend à amortir les impacts particules-particules.

Le changement n’est cependant pas une solution à sens unique : un exemple récent est le passage du tamis au cyclone, pour profiter de la réduction supplémentaire de la taille des minéraux payants les plus denses (Sasseville, 2015).

Processus métallurgique et conception

Eoin H. Macdonald, dans Manuel d'exploration et d'évaluation de l'or, 2007

Hydrocyclones

Les hydrocyclones sont des unités préférées pour dimensionner ou déschlamer de grands volumes de lisier à moindre coût et parce qu'ils occupent très peu d'espace au sol ou de hauteur libre. Ils fonctionnent plus efficacement lorsqu'ils sont alimentés à un débit et une densité de pâte uniformes et sont utilisés individuellement ou en grappes pour obtenir les capacités totales souhaitées aux divisions requises. Les capacités de dimensionnement reposent sur les forces centrifuges générées par des vitesses d'écoulement tangentielles élevées à travers l'unité. Le vortex primaire formé par le lisier entrant agit en spirale vers le bas autour de la paroi interne du cône. Les solides sont projetés vers l'extérieur par la force centrifuge, de sorte que, à mesure que la pulpe descend, sa densité augmente. Les composantes verticales de la vitesse agissent vers le bas près des parois du cône et vers le haut près de l'axe. La fraction visqueuse la moins dense séparée par centrifugation est forcée vers le haut à travers le chercheur de vortex pour sortir par l'ouverture à l'extrémité supérieure du cône. Une zone ou enveloppe intermédiaire entre les deux flux a une vitesse verticale nulle et sépare les solides les plus grossiers remontant vers le bas des solides les plus fins remontant. La majeure partie du flux passe vers le haut dans le plus petit vortex interne et des forces centrifuges plus élevées projettent les plus grosses particules les plus fines vers l'extérieur, offrant ainsi une séparation plus efficace des tailles les plus fines. Ces particules retournent vers le vortex externe et font à nouveau rapport à l'alimentation du gabarit.

La géométrie et les conditions de fonctionnement dans le schéma d'écoulement en spirale d'unhydrocyclonesont décrits sur la figure 8.13. Les variables opérationnelles sont la densité de la pâte, le débit d'alimentation, les caractéristiques des solides, la pression d'entrée de l'alimentation et la chute de pression à travers le cyclone. Les variables du cyclone sont la zone d'entrée d'alimentation, le diamètre et la longueur du chercheur de vortex et le diamètre de décharge du robinet. La valeur du coefficient de traînée est également affectée par la forme ; Plus une particule varie par rapport à la sphéricité, plus son facteur de forme est petit et plus sa résistance à la sédimentation est grande. La zone de stress critique peut s'étendre à certaines particules d'or mesurant jusqu'à 200 mm et une surveillance attentive du processus de classification est donc essentielle pour réduire le recyclage excessif et l'accumulation de boues qui en résulte. Historiquement, alors que peu d'attention était accordée à la récupération de 150μDans les grains d'or, le transfert d'or dans les fractions visqueuses semble avoir été en grande partie responsable des pertes d'or qui ont été enregistrées jusqu'à 40 à 60 % dans de nombreuses opérations de placers d'or.

La figure 8.14 (Tableau de sélection Warman) est une sélection préliminaire de cyclones pour la séparation à différentes tailles D50 de 9 à 18 microns jusqu'à 33 à 76 microns. Ce tableau, comme d'autres tableaux de performance de cyclone, est basé sur une alimentation soigneusement contrôlée d'un type spécifique. Il suppose une teneur en matières solides de 2 700 kg/m3 dans l'eau comme premier guide de sélection. Les cyclones de plus grand diamètre sont utilisés pour produire des séparations grossières mais nécessitent des volumes d'alimentation élevés pour un bon fonctionnement. Les séparations fines avec des volumes d'alimentation élevés nécessitent des groupes de cyclones de petit diamètre fonctionnant en parallèle. Les paramètres de conception finaux pour un dimensionnement précis doivent être déterminés expérimentalement, et il est important de sélectionner un cyclone autour du milieu de la plage afin que les ajustements mineurs qui pourraient être nécessaires puissent être effectués au début des opérations.

Le cyclone CBC (lit circulant) est censé classer les matériaux d'alimentation en or alluvial jusqu'à 5 mm de diamètre et obtenir une alimentation de gabarit constamment élevée à partir du sous-verse. La séparation a lieu versD50/150 microns à base de silice de densité 2,65. Le sous-verse du cyclone CBC se prête particulièrement bien à la séparation par gabarit en raison de sa courbe de distribution de taille relativement lisse et de l'élimination presque complète des fines particules de déchets. Cependant, bien que ce système soit censé produire un concentré primaire de haute qualité de minéraux lourds équivalents en un seul passage à partir d'une alimentation de taille relativement longue (par exemple, des sables minéralisés), aucun chiffre de performance de ce type n'est disponible pour les matériaux d'alimentation alluviaux contenant de l'or fin et feuilleté. . Le tableau 8.5 donne les données techniques pour AKWhydrocyclonespour des points de coupure compris entre 30 et 100 microns.

Tableau 8.5. Données techniques des hydrocyclones AKW

Type (KRS)	Diamètre (mm)	Chute de pression	Capacité		Point de coupe (microns)
Type (KRS)	Diamètre (mm)	Chute de pression	Boue (m3/h)	Solides (t/h max).	Point de coupe (microns)
2118	100	1 à 2,5	9.27	5	30-50
2515	125	1 à 2,5	11h30	6	25-45
4118	200	0,7 à 2,0	18-60	15	40-60
(RWN)6118	300	0,5 à 1,5	40-140	40	50-100

Développements dans les technologies de broyage et de classification du minerai de fer

A. Jankovic, dans Minerai de fer, 2015

8.3.3.1 Séparateurs hydrocyclones

L'hydrocyclone, également appelé cyclone, est un dispositif de classification qui utilise la force centrifuge pour accélérer la vitesse de sédimentation des particules de boue et séparer les particules en fonction de leur taille, de leur forme et de leur densité. Il est largement utilisé dans l'industrie des minéraux, sa principale utilisation dans le traitement des minéraux étant celle d'un classificateur, qui s'est révélé extrêmement efficace pour les séparations fines. Il est largement utilisé dans les opérations de broyage en circuit fermé, mais a trouvé de nombreuses autres utilisations, telles que le déschlamage, le dessablage et l'épaississement.

Un hydrocyclone typique (Figure 8.12a) consiste en un récipient de forme conique, ouvert à son sommet, ou sous-verse, relié à une section cylindrique dotée d'une entrée d'alimentation tangentielle. Le sommet de la section cylindrique est fermé par une plaque à travers laquelle passe un tuyau de trop-plein monté axialement. Le tuyau est prolongé dans le corps du cyclone par une section courte et amovible appelée chercheur de vortex, qui empêche un court-circuit de l'alimentation directement dans le trop-plein. L'alimentation est introduite sous pression à travers l'entrée tangentielle, ce qui confère un mouvement tourbillonnant à la pulpe. Cela génère un vortex dans le cyclone, avec une zone de basse pression le long de l'axe vertical, comme le montre la figure 8.12b. Un noyau d'air se développe le long de l'axe, normalement relié à l'atmosphère par l'ouverture au sommet, mais en partie créé par l'air dissous sortant de la solution dans la zone de basse pression. La force centrifuge accélère la vitesse de sédimentation des particules, séparant ainsi les particules selon leur taille, leur forme et leur densité. Les particules qui se déposent plus rapidement se déplacent vers la paroi du cyclone, là où la vitesse est la plus faible, et migrent vers l'ouverture au sommet (sous-verse). En raison de l'action de la force de traînée, les particules à sédimentation plus lente se déplacent vers la zone de basse pression le long de l'axe et sont transportées vers le haut à travers le chercheur de vortex jusqu'au trop-plein.

Les hydrocyclones sont presque universellement utilisés dans les circuits de broyage en raison de leur grande capacité et de leur efficacité relative. Ils peuvent également classer sur une très large gamme de tailles de particules (généralement 5 à 500 μm), des unités de plus petit diamètre étant utilisées pour une classification plus fine. Cependant, l'application du cyclone dans les circuits de broyage de magnétite peut entraîner un fonctionnement inefficace en raison de la différence de densité entre la magnétite et les déchets minéraux (silice). La magnétite a une densité spécifique d'environ 5,15, tandis que la silice a une densité spécifique d'environ 2,7. Danshydrocyclones, les minéraux denses se séparent selon une taille de coupe plus fine que les minéraux plus légers. Par conséquent, la magnétite libérée est concentrée dans le sous-versement du cyclone, avec pour conséquence un surbroyage de la magnétite. Napier-Munn et coll. (2005) ont noté que la relation entre la taille de coupe corrigée (d50c) et la densité des particules suit une expression de la forme suivante en fonction des conditions d'écoulement et d'autres facteurs :

d50c∝ρs−ρl−n

oùρs est la densité des solides,ρl est la densité du liquide, etnest compris entre 0,5 et 1,0. Cela signifie que l’effet de la densité minérale sur les performances du cyclone peut être très important. Par exemple, si led50c de la magnétite vaut 25 μm, alors led50c de particules de silice auront une taille de 40 à 65 μm. La figure 8.13 montre les courbes d'efficacité de classification des cyclones pour la magnétite (Fe3O4) et la silice (SiO2) obtenues à partir de l'étude d'un circuit de broyage de magnétite industriel à boulets. La séparation granulométrique de la silice est beaucoup plus grossière, avec und50c pour Fe3O4 de 29 μm, tandis que celui pour SiO2 est de 68 μm. En raison de ce phénomène, les broyeurs de magnétite en circuits fermés avec hydrocyclones sont moins efficaces et ont une capacité inférieure par rapport aux autres circuits de broyage des métaux de base.

Technologie des procédés haute pression : principes fondamentaux et applications

MJ Cocero PhD, en Bibliothèque de Chimie Industrielle, 2001

Dispositifs de séparation des solides

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Hydrocyclone

C’est l’un des types de séparateurs de solides les plus simples. Il s'agit d'un dispositif de séparation à haute efficacité qui peut être utilisé pour éliminer efficacement les solides à des températures et des pressions élevées. Il est économique car il ne comporte aucune pièce mobile et nécessite peu d’entretien.

L’efficacité de la séparation des solides dépend fortement de la taille des particules et de la température. Des efficacités brutes de séparation proches de 80 % sont réalisables pour la silice et à des températures supérieures à 300 °C, tandis que dans la même plage de températures, les efficacités brutes de séparation pour les particules de zircon plus denses sont supérieures à 99 % [29].

Le principal handicap du fonctionnement des hydrocyclones est la tendance de certains sels à adhérer aux parois du cyclone.

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Microfiltration croisée

Les filtres à flux croisés se comportent d'une manière similaire à celui normalement observé dans la filtration à flux croisés dans des conditions ambiantes : des taux de cisaillement accrus et une viscosité du fluide réduite entraînent une augmentation du nombre de filtrats. La microfiltration croisée a été appliquée à la séparation des sels précipités sous forme de solides, donnant des efficacités de séparation des particules dépassant généralement 99,9 %. Goemanset coll.[30] ont étudié la séparation du nitrate de sodium de l'eau supercritique. Dans les conditions de l’étude, le nitrate de sodium était présent sous forme de sel fondu et était capable de traverser le filtre. On a obtenu des efficacités de séparation qui variaient avec la température, puisque la solubilité diminue à mesure que la température augmente, comprise entre 40 % et 85 %, pour 400 °C et 470 °C, respectivement. Ces chercheurs ont expliqué le mécanisme de séparation comme la conséquence d'une perméabilité distincte du média filtrant vers la solution supercritique, par opposition au sel fondu, sur la base de leurs viscosités clairement distinctes. Par conséquent, il serait possible non seulement de filtrer les sels précipités simplement sous forme de solides, mais également de filtrer les sels à bas point de fusion qui sont à l'état fondu.

Les problèmes de fonctionnement étaient principalement dus à la corrosion des filtres par les sels.

Papier : Recyclage et matériaux recyclés

MR Doshi, JM Dyer, dans le module de référence en science et génie des matériaux, 2016

3.3 Nettoyage

Nettoyants ouhydrocycloneséliminer les contaminants de la pâte en fonction de la différence de densité entre le contaminant et l’eau. Ces dispositifs sont constitués d'un récipient sous pression conique ou cylindro-conique dans lequel la pâte est introduite tangentiellement à l'extrémité de grand diamètre (Figure 6). Lors du passage à travers le nettoyeur, la pulpe développe un écoulement vortex, semblable à celui d'un cyclone. Le flux tourne autour de l'axe central lorsqu'il s'éloigne de l'entrée et se dirige vers le sommet, ou l'ouverture de sous-verse, le long de l'intérieur de la paroi du nettoyeur. La vitesse de rotation du flux s'accélère à mesure que le diamètre du cône diminue. Près de l'extrémité supérieure, l'ouverture de petit diamètre empêche l'évacuation de la majeure partie du flux qui tourne dans un vortex interne au cœur du nettoyeur. Le flux au niveau du noyau interne s'écoule depuis l'ouverture au sommet jusqu'à ce qu'il se décharge à travers le chercheur de vortex, situé à l'extrémité de grand diamètre au centre du nettoyeur. Le matériau de densité plus élevée, ayant été concentré sur la paroi du nettoyeur en raison de la force centrifuge, est déchargé au sommet du cône (Bliss, 1994, 1997).

Les nettoyants sont classés en densité élevée, moyenne ou faible en fonction de la densité et de la taille des contaminants à éliminer. Un nettoyeur haute densité, d'un diamètre allant de 15 à 50 cm (6 à 20 pouces), est utilisé pour éliminer les restes de métal, les trombones et les agrafes et est généralement positionné immédiatement après le pulpeur. À mesure que le diamètre du nettoyeur diminue, son efficacité à éliminer les contaminants de petite taille augmente. Pour des raisons pratiques et économiques, le cyclone de 75 mm (3 po) de diamètre est généralement le plus petit nettoyeur utilisé dans l'industrie papetière.

Les nettoyeurs inversés et les nettoyeurs à flux continu sont conçus pour éliminer les contaminants de faible densité tels que la cire, le polystyrène et les matières collantes. Les nettoyeurs inversés sont ainsi nommés car le flux accepté est collecté au sommet du nettoyeur tandis que les rejets sortent au niveau du trop-plein. Dans le nettoyeur à flux continu, les accepteurs et les rejets sortent à la même extrémité du nettoyeur, les accepteurs étant proches de la paroi du nettoyeur séparés des rejets par un tube central près du noyau du nettoyeur, comme le montre la figure 7.

Les centrifugeuses continues utilisées dans les années 1920 et 1930 pour éliminer le sable de la pâte à papier ont été abandonnées après le développement des hydrocyclones. Le Gyroclean, développé au Centre Technique du Papier de Grenoble, France, est constitué d'un cylindre qui tourne à 1 200-1 500 tr/min (Bliss, 1997 ; Julien Saint Amand, 1998, 2002). La combinaison d'un temps de séjour relativement long et d'une force centrifuge élevée laisse aux contaminants de faible densité suffisamment de temps pour migrer vers le cœur du nettoyeur où ils sont rejetés par la décharge du vortex central.

MT Thew, dans Encyclopédie de la science de la séparation, 2000

Synopsis

Bien que le solide-liquidehydrocyclonea été établie pendant la majeure partie du 20e siècle, des performances satisfaisantes de séparation liquide-liquide ne sont arrivées que dans les années 1980. L’industrie pétrolière offshore avait besoin d’équipements compacts, robustes et fiables pour éliminer les contaminants finement divisés de l’eau. Ce besoin était satisfait par un type d’hydrocyclone sensiblement différent, qui ne comportait bien entendu aucune pièce mobile.

Après avoir expliqué ce besoin plus en détail et l'avoir comparé à la séparation cyclonique solide-liquide dans le traitement des minéraux, les avantages que l'hydrocyclone conférait par rapport aux types d'équipement installés précédemment pour répondre à ces exigences sont présentés.

Les critères d'évaluation des performances de séparation sont énumérés avant d'aborder les performances en termes de constitution de l'alimentation, de contrôle de l'opérateur et d'énergie requise, c'est-à-dire le produit de la chute de pression et du débit.

L'environnement de la production pétrolière impose certaines contraintes aux matériaux, notamment le problème de l'érosion des particules. Les matériaux typiques utilisés sont mentionnés. Les données sur les coûts relatifs des types d'usines de séparation du pétrole, tant en capital que récurrentes, sont présentées, bien que les sources soient rares. Enfin, quelques indicateurs de développement ultérieur sont décrits, alors que l'industrie pétrolière se tourne vers les équipements installés sur le fond marin ou même au fond du puits de forage.

Échantillonnage, contrôle et équilibrage de masse

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., dans Wills' Mineral Processing Technology (huitième édition), 2016

3.7.1 Utilisation de la taille des particules

De nombreuses unités, telles quehydrocycloneset les séparateurs gravitationnels produisent un certain degré de séparation granulométrique et les données granulométriques peuvent être utilisées pour l'équilibrage des masses (Exemple 3.15).

L'exemple 3.15 est un exemple de minimisation du déséquilibre des nœuds ; il fournit, par exemple, la valeur initiale de la minimisation des moindres carrés généralisés. Cette approche graphique peut être utilisée chaque fois qu'il y a des données de composants « excédentaires » ; dans l'exemple 3.9, il aurait pu être utilisé.

L'exemple 3.15 utilise le cyclone comme nœud. Un deuxième nœud est le puisard : c'est un exemple de 2 entrées (alimentation fraîche et décharge du broyeur à boulets) et une sortie (alimentation cyclone). Cela donne un autre bilan de masse (exemple 3.16).

Au chapitre 9, nous revenons à cet exemple de circuit de broyage en utilisant des données ajustées pour déterminer la courbe de partage cyclonique.

Heure de publication : 07 mai 2019