Hidrociclóns

Descrición

Hidrociclónsteñen forma cono-cilíndrica, cunha entrada de alimentación tanxencial na sección cilíndrica e unha saída en cada eixe. A saída na sección cilíndrica chámase buscador de vórtices e esténdese cara ao ciclón para reducir o fluxo de curtocircuíto directamente desde a entrada. No extremo cónico atópase a segunda saída, a billa. Para a separación de tamaño, ambas as saídas están xeralmente abertas á atmosfera. Os hidrociclóns xeralmente funcionan verticalmente coa billa no extremo inferior, polo que o produto groso chámase subfluxo e o produto fino, deixando o buscador de vórtices, o rebordamento. A figura 1 mostra esquematicamente as principais características de fluxo e deseño dun típicohidrociclón: os dous vórtices, a entrada de alimentación tanxencial e as saídas axiais. Agás a rexión inmediata á entrada tanxencial, o movemento do fluído dentro do ciclón ten simetría radial. Se unha ou ambas as saídas están abertas á atmosfera, unha zona de baixa presión provoca un núcleo de gas ao longo do eixe vertical, dentro do vórtice interior.

O principio de funcionamento é simple: o fluído, que transporta as partículas en suspensión, entra tanxencialmente no ciclón, xira en espiral cara abaixo e produce un campo centrífugo en fluxo vortical libre. As partículas máis grandes móvense a través do fluído cara ao exterior do ciclón nun movemento en espiral e saen pola billa cunha fracción do líquido. Debido á área limitante da billa, establécese un vórtice interior, que xira na mesma dirección que o vórtice exterior pero flúe cara arriba, e sae do ciclón a través do buscador de vórtices, levando consigo a maior parte do líquido e as partículas máis finas. Se se supera a capacidade da billa, o núcleo de aire péchase e a descarga da billa cambia dun pulverizador en forma de paraugas a unha "corda" e unha perda de material groso cara ao rebosador.

O diámetro da sección cilíndrica é a principal variable que afecta o tamaño da partícula que se pode separar, aínda que os diámetros de saída pódense cambiar de forma independente para alterar a separación conseguida. Mentres que os primeiros investigadores experimentaban con ciclóns de ata 5 mm de diámetro, os diámetros comerciais dos hidrociclóns oscilan actualmente entre os 10 mm e os 2,5 m, con tamaños de separación para partículas cunha densidade de 2700 kg m−3 de 1,5–300 μm, que diminúen ao aumentar a densidade das partículas. A caída de presión de funcionamento oscila entre os 10 bar para diámetros pequenos e os 0,5 bar para unidades grandes. Para aumentar a capacidade, pódense usar varios pequenos...hidrociclónspódense conectar a unha única liña de alimentación.

Aínda que o principio de funcionamento é simple, moitos aspectos do seu funcionamento aínda se coñecen pouco, e a selección e predición de hidrociclóns para o funcionamento industrial son en gran medida empíricas.

Clasificación

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., en Tecnoloxía de procesamento de minerais de Wills (oitava edición), 2016

9.4.3 Hidrociclóns fronte a cribas

Os hidrociclóns chegaron a dominar a clasificación cando se trata de tamaños de partículas finas en circuítos de moenda pechados (<200 µm). Non obstante, os desenvolvementos recentes na tecnoloxía de cribas (Capítulo 8) renovaron o interese no uso de cribas en circuítos de moenda. As cribas sepáranse en función do tamaño e non están directamente influenciadas pola dispersión de densidade nos minerais de alimentación. Isto pode ser unha vantaxe. As cribas tampouco teñen unha fracción de derivación e, como demostrou o Exemplo 9.2, a derivación pode ser bastante grande (máis do 30 % nese caso). A Figura 9.8 mostra un exemplo da diferenza na curva de partición para ciclóns e cribas. Os datos proceden do concentrador El Brocal no Perú con avaliacións antes e despois de que os hidrociclóns fosen substituídos por un Derrick Stack Sizer® (véxase o Capítulo 8) no circuíto de moenda (Dündar et al., 2014). De acordo co esperado, en comparación co ciclón, a criba tiña unha separación máis nítida (a pendente da curva é maior) e pouca derivación. Informouse dun aumento na capacidade do circuíto de moenda debido a maiores taxas de rotura despois de implementar a criba. Isto atribuíuse á eliminación da derivación, o que reduce a cantidade de material fino enviado de volta aos muíños, o que tende a amortecer os impactos partícula-partícula.

Non obstante, o cambio non é unidireccional: un exemplo recente é o cambio de criba a ciclón, para aproveitar a redución adicional de tamaño dos minerais de pago máis densos (Sasseville, 2015).

Proceso e deseño metalúrxico

Eoin H. Macdonald, en Manual de exploración e avaliación de ouro, 2007

Hidrociclóns

Os hidrociclóns son unidades preferidas para dimensionar ou deslamar grandes volumes de lodos de forma económica e porque ocupan moi pouco espazo no chan ou na altura libre. Funcionan con maior eficacia cando se alimentan a un caudal e unha densidade de polpa uniformes e úsanse individualmente ou en grupos para obter as capacidades totais desexadas nas divisións requiridas. As capacidades de dimensionamento baséanse nas forzas centrífugas xeradas polas altas velocidades de fluxo tanxencial a través da unidade. O vórtice primario formado polo lodo entrante actúa en espiral cara abaixo arredor da parede interior do cono. Os sólidos son lanzados cara a fóra pola forza centrífuga, de xeito que a medida que a polpa se move cara abaixo, a súa densidade aumenta. Os compoñentes verticais da velocidade actúan cara abaixo preto das paredes do cono e cara arriba preto do eixe. A fracción de lodo separada centrifugamente, menos densa, é forzada cara arriba a través do buscador de vórtices para saír pola abertura no extremo superior do cono. Unha zona ou envoltura intermedia entre os dous fluxos ten velocidade vertical cero e separa os sólidos máis grosos que se moven cara abaixo dos sólidos máis finos que se moven cara arriba. A maior parte do fluxo pasa cara arriba dentro do vórtice interior máis pequeno e as forzas centrífugas máis altas lanzan as partículas máis grandes e finas cara a fóra, proporcionando así unha separación máis eficiente nos tamaños máis finos. Estas partículas regresan ao vórtice exterior e informan unha vez máis á alimentación do dispositivo.

A xeometría e as condicións de funcionamento dentro do patrón de fluxo en espiral dun típicohidrociclóndescríbense na figura 8.13. As variables operacionais son a densidade da polpa, o caudal de alimentación, as características dos sólidos, a presión de entrada de alimentación e a caída de presión a través do ciclón. As variables do ciclón son a área da entrada de alimentación, o diámetro e a lonxitude do buscador de vórtices e o diámetro da descarga da billa. O valor do coeficiente de arrastre tamén se ve afectado pola forma; canto máis varía unha partícula da esfericidade, menor é o seu factor de forma e maior a súa resistencia á asentación. A zona de tensión crítica pode estenderse a algunhas partículas de ouro de ata 200 mm de tamaño e, polo tanto, é esencial unha monitorización coidadosa do proceso de clasificación para reducir a reciclaxe excesiva e a acumulación resultante de limos. Historicamente, cando se prestou pouca atención á recuperación de 150μm grans de ouro, o arrastre de ouro nas fraccións de limo parece ter sido en gran parte responsable das perdas de ouro que se rexistraron en ata o 40–60 % en moitas operacións de placer de ouro.

A figura 8.14 (Gráfico de selección de Warman) é unha selección preliminar de ciclóns para a separación en varios tamaños D50 de 9 a 18 micras ata 33 a 76 micras. Este gráfico, como outros gráficos similares de rendemento de ciclóns, baséase nunha alimentación coidadosamente controlada dun tipo específico. Asume un contido de sólidos de 2700 kg/m3 en auga como primeira guía para a selección. Os ciclóns de maior diámetro úsanse para producir separacións grosas, pero requiren grandes volumes de alimentación para un funcionamento axeitado. As separacións finas con grandes volumes de alimentación requiren grupos de ciclóns de pequeno diámetro que funcionen en paralelo. Os parámetros de deseño finais para un tamaño próximo deben determinarse experimentalmente e é importante seleccionar un ciclón arredor da metade do rango para que calquera pequeno axuste que poida ser necesario se poida facer ao comezo das operacións.

Dise que o ciclón CBC (leito circulante) clasifica materiais de alimentación de ouro aluvial de ata 5 mm de diámetro e obtén unha alimentación de jig consistente e alta do fluxo inferior. A separación ten lugar aproximadamente aD50/150 micras baseadas en sílice de densidade 2,65. Afírmase que o subfluxo do ciclón CBC é particularmente susceptible á separación con plantilla debido á súa curva de distribución de tamaño relativamente suave e á eliminación case completa das partículas finas de residuos. Non obstante, aínda que se afirma que este sistema produce un concentrado primario de alta calidade de minerais pesados equant nunha soa pasada a partir dunha alimentación de rango de tamaño relativamente longo (por exemplo, areas minerais), non hai dispoñibles tales cifras de rendemento para material de alimentación aluvial que contén ouro fino e en escamas. A táboa 8.5 ofrece os datos técnicos para AKW.hidrociclónspara puntos de corte entre 30 e 100 micras.

Táboa 8.5. Datos técnicos dos hidrociclóns AKW

Tipo (KRS)	Diámetro (mm)	caída de presión	Capacidade		Punto de corte (micras)
Tipo (KRS)	Diámetro (mm)	caída de presión	Suspensión (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

Desenvolvementos nas tecnoloxías de trituración e clasificación do mineral de ferro

A. Jankovic, en Mineral de ferro, 2015

8.3.3.1 Separadores de hidrociclóns

O hidrociclón, tamén coñecido como ciclón, é un dispositivo de clasificación que utiliza a forza centrífuga para acelerar a velocidade de sedimentación das partículas de lodo e separar as partículas segundo o tamaño, a forma e a gravidade específica. Úsase amplamente na industria mineral, sendo o seu principal uso no procesamento de minerais como clasificador, que demostrou ser extremadamente eficiente en tamaños de separación finos. Úsase amplamente en operacións de moenda de circuíto pechado, pero atopou moitos outros usos, como a deslama, a eliminación de area e o espesamento.

Un hidrociclón típico (Figura 8.12a) consiste nun recipiente de forma cónica, aberto no seu vértice, ou fluxo inferior, unido a unha sección cilíndrica, que ten unha entrada de alimentación tanxencial. A parte superior da sección cilíndrica está pechada cunha placa a través da cal pasa un tubo de rebosadero montado axialmente. O tubo esténdese ao corpo do ciclón mediante unha sección curta e extraíble coñecida como buscador de vórtices, que impide un curtocircuíto da alimentación directamente no rebosadero. A alimentación introdúcese a presión a través da entrada tanxencial, o que imparte un movemento de remolino á polpa. Isto xera un vórtice no ciclón, cunha zona de baixa presión ao longo do eixe vertical, como se mostra na Figura 8.12b. Un núcleo de aire desenvólvese ao longo do eixe, normalmente conectado á atmosfera a través da abertura do vértice, pero en parte creado polo aire disolto que sae da solución na zona de baixa presión. A forza centrífuga acelera a velocidade de asentamento das partículas, separando así as partículas segundo o tamaño, a forma e a gravidade específica. As partículas que se asentan máis rápido móvense cara á parede do ciclón, onde a velocidade é máis baixa, e migran cara á abertura do vértice (subfluxo). Debido á acción da forza de arrastre, as partículas que se asentan máis lentamente móvense cara á zona de baixa presión ao longo do eixe e son transportadas cara arriba a través do buscador de vórtices ata o rebordador.

Os hidrociclóns úsanse case universalmente en circuítos de moenda debido á súa alta capacidade e eficiencia relativa. Tamén poden clasificar nunha ampla gama de tamaños de partícula (normalmente de 5 a 500 μm), e utilízanse unidades de diámetro máis pequeno para unha clasificación máis precisa. Non obstante, a aplicación de ciclóns en circuítos de moenda de magnetita pode provocar un funcionamento ineficiente debido á diferenza de densidade entre a magnetita e os minerais residuais (sílice). A magnetita ten unha densidade específica de aproximadamente 5,15, mentres que a sílice ten unha densidade específica de aproximadamente 2,7. Enhidrociclóns, os minerais densos sepáranse cun tamaño de corte máis fino que os minerais máis lixeiros. Polo tanto, a magnetita liberada concéntrase no subfluxo do ciclón, co consecuente sobremolición da magnetita. Napier-Munn et al. (2005) observaron que a relación entre o tamaño de corte corrixido (d50c) e a densidade das partículas segue unha expresión da seguinte forma dependendo das condicións de fluxo e outros factores:

d50c∝ρs−ρl−n

ondeρs é a densidade dos sólidos,ρl é a densidade do líquido enestá entre 0,5 e 1,0. Isto significa que o efecto da densidade mineral no rendemento do ciclón pode ser bastante significativo. Por exemplo, se od50c da magnetita son 25 μm, entón od50c de partículas de sílice serán de 40–65 μm. A figura 8.13 mostra as curvas de eficiencia de clasificación de ciclóns para magnetita (Fe3O4) e sílice (SiO2) obtidas do estudo dun circuíto de moenda de magnetita dun muíño de bolas industrial. A separación de tamaño para a sílice é moito máis grosa, cund50c para Fe3O4 de 29 μm, mentres que para SiO2 é de 68 μm. Debido a este fenómeno, os muíños de magnetita en circuítos pechados con hidrociclóns son menos eficientes e teñen menor capacidade en comparación con outros circuítos de moenda de minerais metálicos básicos.

Tecnoloxía de procesos de alta presión: fundamentos e aplicacións

Doutoramento MJ Cocero, en Química Industrial, Biblioteca, 2001

Dispositivos de separación de sólidos

•

Hidrociclón

Este é un dos tipos máis sinxelos de separadores de sólidos. É un dispositivo de separación de alta eficiencia e pódese usar para eliminar eficazmente sólidos a altas temperaturas e presións. É económico porque non ten pezas móbiles e require pouco mantemento.

A eficiencia de separación para sólidos é unha función importante do tamaño das partículas e da temperatura. Pódense conseguir eficiencias de separación brutas próximas ao 80 % para sílice e temperaturas superiores a 300 °C, mentres que no mesmo rango de temperatura, as eficiencias de separación brutas para partículas de circón máis densas son superiores ao 99 % [29].

A principal desvantaxe do funcionamento do hidrociclón é a tendencia dalgúns sales a adherirse ás paredes do ciclón.

•

Microfiltración cruzada

Os filtros de fluxo cruzado compórtanse dun xeito similar ao que se observa normalmente na filtración de fluxo cruzado en condicións ambientais: o aumento das taxas de cizallamento e a redución da viscosidade do fluído resultan nun aumento do número de filtrados. A microfiltración cruzada aplicouse á separación de sales precipitadas como sólidos, o que proporciona eficiencias de separación de partículas que normalmente superan o 99,9 %. Goemanse outros.[30] estudou a separación de nitrato de sodio a partir de auga supercrítica. Nas condicións do estudo, o nitrato de sodio estaba presente como sal fundido e era capaz de cruzar o filtro. Obtivéronse eficiencias de separación que variaban coa temperatura, xa que a solubilidade diminúe a medida que a temperatura aumenta, oscilando entre o 40 % e o 85 %, para 400 °C e 470 °C, respectivamente. Estes investigadores explicaron o mecanismo de separación como consecuencia dunha distinta permeabilidade do medio filtrante cara á solución supercrítica, en oposición ao sal fundido, baseándose nas súas viscosidades claramente distintas. Polo tanto, sería posible non só filtrar os sales precipitados simplemente como sólidos, senón tamén filtrar aqueles sales de baixo punto de fusión que están en estado fundido.

Os problemas de funcionamento debíanse principalmente á corrosión dos filtros polas sales.

Papel: Reciclaxe e materiais reciclados

MR Doshi, JM Dyer, no Módulo de Referencia en Ciencia e Enxeñaría de Materiais, 2016

3.3 Limpeza

Limpadores ouhidrociclónseliminan os contaminantes da polpa en función da diferenza de densidade entre o contaminante e a auga. Estes dispositivos consisten nun recipiente a presión cónico ou cilíndrico-cónico no que se alimenta a polpa tanxencialmente no extremo de diámetro grande (Figura 6). Durante o paso polo limpador, a polpa desenvolve un patrón de fluxo vortical, similar ao dun ciclón. O fluxo xira arredor do eixe central a medida que se afasta da entrada e se dirixe ao vértice, ou abertura de fluxo inferior, ao longo do interior da parede do limpador. A velocidade do fluxo de rotación acelera a medida que diminúe o diámetro do cono. Preto do extremo do vértice, a abertura de diámetro pequeno impide a descarga da maior parte do fluxo, que no seu lugar xira nun vórtice interior no núcleo do limpador. O fluxo no núcleo interior flúe lonxe da abertura do vértice ata que descarga a través do buscador de vórtices, situado no extremo de diámetro grande no centro do limpador. O material de maior densidade, despois de concentrarse na parede do limpador debido á forza centrífuga, descárgase no vértice do cono (Bliss, 1994, 1997).

Os limpadores clasifícanse como de alta, media ou baixa densidade dependendo da densidade e o tamaño dos contaminantes que se eliminan. Un limpador de alta densidade, cun diámetro que oscila entre os 15 e os 50 cm (6 e 20 polgadas), úsase para eliminar restos de metal, clips e grapas, e adoita colocarse inmediatamente despois do triturador. A medida que o diámetro do limpador diminúe, a súa eficiencia na eliminación de contaminantes de pequeno tamaño aumenta. Por razóns prácticas e económicas, o ciclón de 75 mm (3 polgadas) de diámetro é xeralmente o limpador máis pequeno que se usa na industria papeleira.

Os limpadores inversos e os limpadores de fluxo directo están deseñados para eliminar contaminantes de baixa densidade como cera, poliestireno e substancias pegañentas. Os limpadores inversos chámanse así porque o fluxo de aceptados recóllese no ápice do limpador mentres que os rexeitados saen polo rebosador. No limpador de fluxo directo, os aceptados e os rexeitados saen no mesmo extremo do limpador, cos aceptados preto da parede do limpador separados dos rexeitados por un tubo central preto do núcleo do limpador, como se mostra na Figura 7.

As centrífugas continuas empregadas nas décadas de 1920 e 1930 para eliminar area da pasta de papel deixaron de fabricarse despois do desenvolvemento dos hidrociclóns. O Gyroclean, desenvolvido no Centre Technique du Papier de Grenoble (Francia), consiste nun cilindro que xira a 1200–1500 rpm (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). A combinación dun tempo de residencia relativamente longo e unha forza centrífuga elevada permite que os contaminantes de baixa densidade teñan tempo suficiente para migrar ao núcleo do dispositivo de limpeza, onde son rexeitados a través da descarga vorticial central.

MT Thew, en Enciclopedia da Ciencia da Separación, 2000

Sinopse

Aínda que o sólido-líquidohidrociclónAínda que se estableceu durante a maior parte do século XX, o rendemento satisfactorio da separación líquido-líquido non chegou ata a década de 1980. A industria petrolífera mariña necesitaba equipos compactos, robustos e fiables para eliminar o petróleo contaminante finamente dividido da auga. Esta necesidade satisfizouse cun tipo de hidrociclón significativamente diferente, que por suposto non tiña pezas móbiles.

Despois de explicar esta necesidade máis detalladamente e comparala coa separación ciclónica sólido-líquido no procesamento de minerais, expóñense as vantaxes que o hidrociclón conferiu sobre os tipos de equipos instalados anteriormente para cumprir coa súa función.

Os criterios de avaliación do rendemento da separación enuméranse antes de analizar o rendemento en termos de constitución da alimentación, control do operador e enerxía necesaria, é dicir, o produto da caída de presión e o caudal.

O entorno para a produción de petróleo establece algunhas restricións para os materiais, entre as que se inclúe o problema da erosión das partículas. Menciónanse os materiais típicos empregados. Descríbense os datos de custos relativos para os tipos de plantas de separación de petróleo, tanto de capital como recorrentes, aínda que as fontes son escasas. Finalmente, descríbense algúns indicadores para un maior desenvolvemento, xa que a industria petroleira busca equipos instalados no leito mariño ou mesmo no fondo do pozo.

Mostraxe, control e balance de masas

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., en Tecnoloxía de procesamento de minerais de Wills (oitava edición), 2016

3.7.1 Uso do tamaño das partículas

Moitas unidades, como por exemplohidrociclónse os separadores por gravidade producen un grao de separación por tamaño e os datos de tamaño de partícula pódense usar para o balance de masa (Exemplo 3.15).

O exemplo 3.15 é un exemplo de minimización do desequilibrio de nodos; proporciona, por exemplo, o valor inicial para a minimización de mínimos cadrados xeneralizada. Esta abordaxe gráfica pódese empregar sempre que haxa datos de compoñentes "excesivos"; no exemplo 3.9 podería terse empregado.

O exemplo 3.15 emprega o ciclón como nodo. Un segundo nodo é o sumidoiro: este é un exemplo de 2 entradas (alimentación fresca e descarga do muíño de bolas) e unha saída (alimentación do ciclón). Isto proporciona outro balance de masa (exemplo 3.16).

No capítulo 9 volvemos a este exemplo de circuíto de moenda empregando datos axustados para determinar a curva de partición do ciclón.

Data de publicación: 07 de maio de 2019