Hydrocyclones

HydrocyclonesLes hydrocyclones sont de forme conocylindrique, avec une entrée tangentielle dans la section cylindrique et une sortie sur chaque axe. La sortie de la section cylindrique est appelée vortex finder et se prolonge dans le cyclone afin de réduire le courant 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 à l'atmosphère. Les hydrocyclones fonctionnent généralement verticalement, le robinet étant situé à l'extrémité inférieure ; le produit grossier est donc appelé sousverse et le produit fin, sortant du vortex finder, surverse. La figure 1 illustre schématiquement les principales caractéristiques d'écoulement et de conception d'un hydrocyclone type.hydrocyclone: les deux tourbillons, l'entrée tangentielle et les sorties axiales. À l'exception de la zone 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 à l'atmosphère, une zone de basse pression crée un noyau de gaz le long de l'axe vertical, à l'intérieur du tourbillon interne.

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Figure 1. Principales caractéristiques de l’hydrocyclone.

Les hydrocyclones dominent désormais la classification des particules fines dans les circuits de broyage fermés (< 200 µm). Cependant, les récents développements de la technologie des tamis (chapitre 8) ont ravivé l'intérêt pour leur utilisation dans les circuits de broyage. Les tamis séparent les particules en fonction de leur taille et ne sont pas directement influencés par la dispersion de la densité des minéraux d'alimentation. Cela peut constituer un avantage. De plus, les tamis n'ont pas de fraction de dérivation et, comme l'a montré l'exemple 9.2, cette dérivation peut être importante (plus de 30 % dans ce cas). La figure 9.8 illustre la différence de courbe de partage entre les cyclones et les tamis. Les données proviennent du concentrateur d'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, le tamis présentait une séparation plus nette (pente de la courbe plus élevée) et une faible dérivation que le cyclone. Une augmentation de la capacité du circuit de broyage a été constatée en raison de taux de casse plus élevés après l'installation du tamis. Ce phénomène a été attribué à la suppression de la dérivation, réduisant ainsi la quantité de matières fines renvoyées aux broyeurs, ce qui tend à amortir les impacts entre particules.

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Figure 9.8. Courbes de partage pour les cyclones et les tamis du circuit de broyage du concentrateur El Brocal.

(Adapté de Dündar et al. (2014))

La géométrie et les conditions de fonctionnement dans le modèle d'écoulement en spirale d'unhydrocyclonesont décrits dans la figure 8.13. Les variables opérationnelles sont la densité de la pulpe, le débit d'alimentation, les caractéristiques des solides, la pression d'entrée d'alimentation et la perte de charge à travers le cyclone. Les variables du cyclone sont la surface d'entrée d'alimentation, le diamètre et la longueur du vortex finder, et le diamètre de sortie du robinet. La valeur du coefficient de traînée est également affectée par la forme ; plus une particule s'écarte de sa sphéricité, plus son facteur de forme est faible et plus sa résistance à la sédimentation est élevée. La zone de contrainte critique peut s'étendre à certaines particules d'or atteignant 200 mm ; une surveillance attentive du processus de classification est donc essentielle pour réduire le recyclage excessif et l'accumulation de boues qui en résulte. Historiquement, lorsque peu d'attention était accordée à la récupération de 150 %μDans les grains d'or, le report d'or dans les fractions de boue semble avoir été en grande partie responsable des pertes d'or enregistrées jusqu'à 40 à 60 % dans de nombreuses exploitations aurifères alluviales.

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8.13. Géométrie normale et conditions de fonctionnement d'un hydrocyclone.

La figure 8.14 (Tableau de sélection Warman) présente une sélection préliminaire de cyclones pour la séparation à différentes granulométries D50, de 9 à 18 microns à 33 à 76 microns. Ce tableau, comme d'autres tableaux de performances de cyclones, est basé sur une alimentation soigneusement contrôlée d'un type spécifique. Il suppose une teneur en solides de 2 700 kg/m³ dans l'eau comme premier critère de sélection. Les cyclones de plus grand diamètre sont utilisés pour produire des séparations grossières, mais nécessitent des volumes d'alimentation importants pour fonctionner correctement. Les séparations fines à 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 se situant autour du milieu de la plage afin de pouvoir effectuer les ajustements mineurs nécessaires dès le début des opérations.

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8.14. Tableau de sélection préliminaire de Warman.

Le cyclone CBC (lit circulant) est censé classer les matériaux d'alimentation en or alluvionnaire jusqu'à 5 mm de diamètre et obtenir une alimentation en jig élevée et constante à partir de la sousverse. La séparation a lieu à environD50/150 microns à base de silice de densité 2,65. La sousverse du cyclone CBC est réputée particulièrement adaptée à la séparation par jig grâce à sa courbe de distribution granulométrique relativement régulière et à l'élimination quasi complète des particules fines résiduelles. 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 charge de granulométrie relativement large (par exemple, des sables minéraux), aucune performance similaire n'est disponible pour les charges alluviales contenant de l'or fin et feuilleté. Le tableau 8.5 présente les données techniques de l'AKW.hydrocyclonespour des points de coupure entre 30 et 100 microns.

Un hydrocyclone typique (figure 8.12a) se compose d'une cuve conique, ouverte à son sommet, ou sous-verse, reliée à une section cylindrique dotée d'une entrée d'alimentation tangentielle. Le sommet de cette section cylindrique est fermé par une plaque traversée par un tuyau de trop-plein axial. Ce tuyau est prolongé dans le corps du cyclone par une courte section amovible, appelée détecteur de vortex, qui empêche le court-circuit de l'alimentation directement dans le trop-plein. L'alimentation est introduite sous pression par l'entrée tangentielle, ce qui confère à la pulpe un mouvement tourbillonnaire. Cela génère un vortex dans le cyclone, avec une zone de basse pression le long de l'axe vertical, comme illustré à la figure 8.12b. Un noyau d'air se développe le long de l'axe, normalement relié à l'atmosphère par l'ouverture du sommet, mais créé en partie par l'air dissous sortant de la solution dans la zone de basse pression. La force centrifuge accélère la décantation des particules, les séparant ainsi selon leur taille, leur forme et leur densité. Les particules à décantation plus rapide se déplacent vers la paroi du cyclone, où la vitesse est la plus faible, et migrent vers l'ouverture apicale (sous-verse). Sous l'effet de la force de traînée, les particules à décantation plus lente se déplacent vers la zone de basse pression le long de l'axe et sont entraînées vers le haut à travers le vortex finder jusqu'au surverse.

 

Figure 8.12. Hydrocyclone (https://www.aeroprobe.com/applications/examples/australian-mining-industry-uses-aeroprobe-equipment-to-study-hydro-cyclone) et batterie d'hydrocyclone. Brochure de présentation de l'hydrocyclone Cavex, https://www.weirminerals.com/products_services/cavex.aspx.

Les hydrocyclones sont presque universellement utilisés dans les circuits de broyage en raison de leur grande capacité et de leur efficacité relative. Ils permettent également une classification sur une très large plage de granulométries (généralement de 5 à 500 µm), des unités de plus petit diamètre étant utilisées pour une classification plus fine. Cependant, l'utilisation de cyclones dans les circuits de broyage de magnétite peut entraîner un fonctionnement inefficace en raison de la différence de densité entre la magnétite et les minéraux résiduaires (silice). La magnétite a une densité spécifique d'environ 5,15, tandis que la silice a une densité spécifique d'environ 2,7.hydrocyclonesLes minéraux denses se séparent à une taille de coupe plus fine que les minéraux plus légers. Par conséquent, la magnétite libérée se concentre dans la sous-verse du cyclone, ce qui entraîne un broyage excessif de la magnétite. Napier-Munn et al. (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 :

oùρs est la masse volumique des solides,ρl est la densité du liquide, etnest comprise entre 0,5 et 1,0. Cela signifie que l'effet de la densité minérale sur les performances du cyclone peut être significatif. Par exemple, sid50c de la magnétite est de 25 μm, alors led50c de particules de silice mesurent entre 40 et 65 μm. La figure 8.13 présente les courbes d'efficacité de classification du cyclone pour la magnétite (Fe3O4) et la silice (SiO2), obtenues à partir de l'analyse d'un circuit de broyage de magnétite d'un broyeur à boulets industriel. La séparation granulométrique de la silice est beaucoup plus grossière, avec uned50c pour Fe3O4 de 29 μm, tandis que celle pour SiO2 est de 68 μm. En raison de ce phénomène, les broyeurs à magnétite en circuit fermé avec hydrocyclones sont moins efficaces et ont une capacité inférieure à celle des autres circuits de broyage de minerais de métaux de base.

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Figure 8.13. Efficacité du cyclone pour la magnétite Fe3O4 et la silice SiO2 — étude industrielle.

Nettoyants ouhydrocyclonesÉliminent les contaminants de la pâte en fonction de la différence de densité entre le contaminant et l'eau. Ces dispositifs se composent d'un récipient sous pression conique ou cylindro-conique dans lequel la pâte est introduite tangentiellement par l'extrémité de grand diamètre (figure 6). Lors de son passage dans le nettoyeur, la pâte développe un écoulement tourbillonnaire, similaire à celui d'un cyclone. L'écoulement tourne autour de l'axe central en s'éloignant de l'entrée et en se dirigeant vers le sommet, ou ouverture de sous-verse, le long de la paroi intérieure du nettoyeur. La vitesse de rotation de l'écoulement s'accélère à mesure que le diamètre du cône diminue. Près du sommet, l'ouverture de petit diamètre empêche l'évacuation de la majeure partie de l'écoulement, qui tourne alors dans un vortex interne au cœur du nettoyeur. L'écoulement au cœur s'écoule depuis l'ouverture du sommet jusqu'à son évacuation par le détecteur de vortex, situé à l'extrémité de grand diamètre, au centre du nettoyeur. Le matériau de densité supérieure, concentré sur la paroi du nettoyeur en raison de la force centrifuge, est évacué au sommet du cône (Bliss, 1994, 1997).

 

Figure 6. Parties d’un hydrocyclone, principaux schémas d’écoulement et tendances de séparation.

Les nettoyeurs à flux inversé et à flux continu sont conçus pour éliminer les contaminants de faible densité tels que la cire, le polystyrène et les matières collantes. Les nettoyeurs à flux inversé sont ainsi appelés car le flux des matières acceptées est collecté au sommet du nettoyeur, tandis que les matières rejetées sortent par le trop-plein. Dans le nettoyeur à flux continu, les matières acceptées et les matières rejetées sortent à la même extrémité du nettoyeur, les matières acceptées étant séparées des matières rejetées par un tube central situé près du cœur du nettoyeur, comme illustré à la figure 7.

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Figure 7. Schémas d’un nettoyeur à flux continu.