Idrocicloni

IdrocicloniHanno una forma cono-cilindrica, con un ingresso di alimentazione tangenziale nella sezione cilindrica e un'uscita su ciascun asse. L'uscita nella sezione cilindrica è chiamata "cercatore di vortice" e si estende nel ciclone per ridurre il flusso di cortocircuito direttamente dall'ingresso. All'estremità conica si trova la seconda uscita, il "bicchiere". Per la separazione delle dimensioni, entrambe le uscite sono generalmente aperte verso l'atmosfera. Gli idrocicloni sono generalmente azionati verticalmente con il "bicchiere" all'estremità inferiore, quindi il prodotto grossolano è chiamato "underflow" e il prodotto fine, che esce dal "cercatore di vortice", "overflow". La Figura 1 mostra schematicamente il flusso principale e le caratteristiche progettuali di un tipicoidrociclone: i due vortici, l'ingresso tangenziale e le uscite assiali. Ad eccezione della zona immediatamente adiacente all'ingresso tangenziale, il moto del fluido all'interno del ciclone presenta simmetria radiale. Se una o entrambe le uscite sono aperte verso l'atmosfera, si crea una zona di bassa pressione che crea un nucleo di gas lungo l'asse verticale, all'interno del vortice interno.

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Figura 1. Caratteristiche principali dell'idrociclone.

Gli idrocicloni hanno ormai dominato la classificazione quando si trattano particelle di granulometria fine in circuiti di macinazione chiusi (<200 µm). Tuttavia, recenti sviluppi nella tecnologia dei vagli (Capitolo 8) hanno rinnovato l'interesse per l'utilizzo dei vagli nei circuiti di macinazione. I vagli separano in base alle dimensioni e non sono direttamente influenzati dalla distribuzione della densità nei minerali di alimentazione. Questo può rappresentare un vantaggio. I vagli, inoltre, non presentano una frazione di bypass e, come mostrato nell'Esempio 9.2, questa può essere piuttosto elevata (oltre il 30% in quel caso). La Figura 9.8 mostra un esempio della differenza nella curva di ripartizione per cicloni e vagli. I dati provengono dal concentratore El Brocal in Perù, con valutazioni prima e dopo la sostituzione degli idrocicloni con un Derrick Stack Sizer® (vedi Capitolo 8) nel circuito di macinazione (Dündar et al., 2014). In linea con le aspettative, rispetto al ciclone, il vaglio ha mostrato una separazione più netta (la pendenza della curva è maggiore) e un bypass ridotto. È stato segnalato un aumento della capacità del circuito di macinazione dovuto a tassi di rottura più elevati dopo l'implementazione del filtro. Ciò è stato attribuito all'eliminazione del bypass, che riduce la quantità di materiale fine reimmesso nei mulini di macinazione, il che tende ad attutire gli impatti tra particelle.

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Figura 9.8. Curve di ripartizione per cicloni e setacci nel circuito di macinazione del concentratore El Brocal.

(Adattato da Dündar et al. (2014))

La geometria e le condizioni operative all'interno del modello di flusso a spirale di un tipicoidrociclonesono descritti nella Figura 8.13. Le variabili operative sono la densità della pasta, la portata di alimentazione, le caratteristiche dei solidi, la pressione di ingresso dell'alimentazione e la caduta di pressione attraverso il ciclone. Le variabili del ciclone sono l'area dell'ingresso dell'alimentazione, il diametro e la lunghezza del vortice di ricerca e il diametro di scarico del rubinetto. Il valore del coefficiente di resistenza è influenzato anche dalla forma; più una particella si discosta dalla sfericità, minore è il suo fattore di forma e maggiore è la sua resistenza alla sedimentazione. La zona di stress critico può estendersi ad alcune particelle d'oro di dimensioni fino a 200 mm e un attento monitoraggio del processo di classificazione è quindi essenziale per ridurre il riciclaggio eccessivo e il conseguente accumulo di fanghi. Storicamente, quando si prestava poca attenzione al recupero di 150μPer quanto riguarda i granelli d'oro, il riporto di oro nelle frazioni di melma sembra essere stato in gran parte responsabile delle perdite di oro che sono state registrate pari al 40-60% in molte operazioni di estrazione di oro alluvionale.

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8.13. Geometria normale e condizioni operative di un idrociclone.

La Figura 8.14 (Tabella di selezione Warman) mostra una selezione preliminare di cicloni per la separazione a diverse granulometrie D50, da 9–18 micron fino a 33–76 micron. Questa tabella, come altre tabelle simili sulle prestazioni dei cicloni, si basa su un'alimentazione di tipo specifico attentamente controllata. Presuppone un contenuto di solidi di 2.700 kg/m³ in acqua come prima guida alla selezione. I cicloni di diametro maggiore vengono utilizzati per produrre separazioni grossolane, ma richiedono elevati volumi di alimentazione per un corretto funzionamento. Le separazioni fini con elevati volumi di alimentazione richiedono gruppi di cicloni di piccolo diametro che operano in parallelo. I parametri di progettazione finali per una granulometria ravvicinata devono essere determinati sperimentalmente ed è importante selezionare un ciclone che si collochi approssimativamente a metà dell'intervallo, in modo da poter apportare eventuali piccole modifiche necessarie all'inizio delle operazioni.

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8.14. Tabella di selezione preliminare di Warman.

Si sostiene che il ciclone CBC (a letto circolante) classifichi i materiali di alimentazione auriferi alluvionali fino a 5 mm di diametro e ottenga un'alimentazione di livello costantemente elevata dal flusso di fondo. La separazione avviene a circaD50/150 micron basati su silice di densità 2,65. Si afferma che il sistema di underflow del ciclone CBC sia particolarmente adatto alla separazione con jig grazie alla sua curva di distribuzione granulometrica relativamente uniforme e alla rimozione pressoché completa delle particelle di scarto fini. Tuttavia, sebbene si affermi che questo sistema produca un concentrato primario di alta qualità di minerali pesanti equabili in un unico passaggio da un'alimentazione con un intervallo granulometrico relativamente ampio (ad esempio sabbie minerali), non sono disponibili dati prestazionali simili per materiale di alimentazione alluvionale contenente oro fine e lamellare. La Tabella 8.5 riporta i dati tecnici per AKW.idrocicloniper punti di taglio compresi tra 30 e 100 micron.

Un tipico idrociclone (Figura 8.12a) è costituito da un recipiente di forma conica, aperto all'apice, o a flusso inferiore, collegato a una sezione cilindrica dotata di un ingresso di alimentazione tangenziale. La parte superiore della sezione cilindrica è chiusa da una piastra attraverso la quale passa un tubo di troppo pieno montato assialmente. Il tubo si estende nel corpo del ciclone tramite una breve sezione rimovibile, nota come "cercatore di vortici", che impedisce il cortocircuito dell'alimentazione direttamente nel troppo pieno. L'alimentazione viene introdotta sotto pressione attraverso l'ingresso tangenziale, che imprime un movimento vorticoso alla polpa. Ciò genera un vortice nel ciclone, con una zona di bassa pressione lungo l'asse verticale, come mostrato in Figura 8.12b. Lungo l'asse si sviluppa un nucleo d'aria, normalmente collegato all'atmosfera attraverso l'apertura all'apice, ma in parte creato dall'aria disciolta che fuoriesce dalla soluzione nella zona di bassa pressione. La forza centrifuga accelera la velocità di sedimentazione delle particelle, separandole in base a dimensioni, forma e peso specifico. Le particelle a sedimentazione più rapida si spostano verso la parete del ciclone, dove la velocità è minima, e migrano verso l'apertura apicale (underflow). A causa dell'azione della forza di trascinamento, le particelle a sedimentazione più lenta si spostano verso la zona di bassa pressione lungo l'asse e vengono trasportate verso l'alto attraverso il vorticatore fino allo overflow.

 

Figura 8.12. Idrociclone (https://www.aeroprobe.com/applications/examples/australian-mining-industry-uses-aeroprobe-equipment-to-study-hydro-cyclone) e batteria di idrocicloni. Brochure panoramica dell'idrociclone Cavex, https://www.weirminerals.com/products_services/cavex.aspx.

Gli idrocicloni sono utilizzati quasi universalmente nei circuiti di macinazione grazie alla loro elevata capacità e relativa efficienza. Possono inoltre classificare particelle in un intervallo molto ampio di dimensioni (tipicamente 5-500 μm), utilizzando unità di diametro inferiore per una classificazione più accurata. Tuttavia, l'applicazione dei cicloni nei circuiti di macinazione della magnetite può causare un funzionamento inefficiente a causa della differenza di densità tra magnetite e minerali di scarto (silice). La magnetite ha una densità specifica di circa 5,15, mentre la silice ha una densità specifica di circa 2,7.idrocicloniI minerali densi si separano con una granulometria più fine rispetto ai minerali più leggeri. Pertanto, la magnetite liberata si concentra nel flusso sottostante del ciclone, con conseguente sovramacinazione della magnetite. Napier-Munn et al. (2005) hanno osservato che la relazione tra la granulometria corretta (d50c) e la densità delle particelle segue un'espressione della seguente forma a seconda delle condizioni di flusso e di altri fattori:

Doveρs è la densità dei solidi,ρl è la densità del liquido enè compreso tra 0,5 e 1,0. Ciò significa che l'effetto della densità minerale sulle prestazioni del ciclone può essere piuttosto significativo. Ad esempio, se ild50c della magnetite è 25 μm, quindi ild50 µg di particelle di silice avranno dimensioni pari a 40-65 µm. La Figura 8.13 mostra le curve di efficienza di classificazione del ciclone per magnetite (Fe3O4) e silice (SiO2) ottenute dall'analisi di un circuito di macinazione della magnetite con mulino a sfere industriale. La separazione dimensionale per la silice è molto più grossolana, con und50°C per Fe3O4 di 29 μm, mentre quello per SiO2 è di 68 μm. A causa di questo fenomeno, i mulini per la macinazione della magnetite in circuiti chiusi con idrocicloni sono meno efficienti e hanno una capacità inferiore rispetto ad altri circuiti di macinazione di minerali metallici di base.

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Figura 8.13. Efficienza del ciclone per magnetite Fe3O4 e silice SiO2: indagine industriale.

Addetti alle pulizie oidrocicloniRimuovono i contaminanti dalla polpa in base alla differenza di densità tra il contaminante e l'acqua. Questi dispositivi sono costituiti da un recipiente a pressione conico o cilindrico-conico in cui la polpa viene alimentata tangenzialmente all'estremità di diametro maggiore (Figura 6). Durante il passaggio attraverso il pulitore, la polpa sviluppa un flusso a vortice, simile a quello di un ciclone. Il flusso ruota attorno all'asse centrale mentre si allontana dall'ingresso e si dirige verso l'apice, o apertura di sottoflusso, lungo la parete interna del pulitore. La velocità di rotazione del flusso accelera al diminuire del diametro del cono. Vicino all'estremità dell'apice, l'apertura di piccolo diametro impedisce lo scarico della maggior parte del flusso, che invece ruota in un vortice interno al centro del pulitore. Il flusso al centro del pulitore si allontana dall'apertura dell'apice fino a scaricarsi attraverso il rilevatore di vortice, situato all'estremità di diametro maggiore al centro del pulitore. Il materiale a densità più elevata, concentrato sulla parete del filtro per effetto della forza centrifuga, viene scaricato all'apice del cono (Bliss, 1994, 1997).

 

Figura 6. Parti di un idrociclone, principali modelli di flusso e tendenze di separazione.

I pulitori a inversione e a flusso continuo sono progettati per rimuovere contaminanti a bassa densità come cera, polistirolo e materiali appiccicosi. I pulitori a inversione sono così chiamati perché il flusso di accettanti viene raccolto all'apice del pulitore, mentre gli scarti fuoriescono dal troppo pieno. Nel pulitore a flusso continuo, accettanti e scarti escono dalla stessa estremità del pulitore, con gli accettanti vicino alla parete del pulitore separati dagli scarti da un tubo centrale vicino al cuore del pulitore, come mostrato in Figura 7.

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Figura 7. Schema di un depuratore a flusso continuo.