Idrocicloni

Idrociclonisono di forma cono-cilindrica, con un'entrata 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 c'è la seconda uscita, il rubinetto. Per la separazione dimensionale, entrambe le uscite sono generalmente aperte all'atmosfera. Gli idrocicloni vengono generalmente azionati verticalmente con il rubinetto all'estremità inferiore, quindi il prodotto grossolano è chiamato underflow e il prodotto fine, lasciando il cercatore di vortice, overflow. La Figura 1 mostra schematicamente le principali caratteristiche di flusso e progettazione di un tipicoidrociclone: i due vortici, l'ingresso tangenziale di alimentazione e le uscite assiali. Fatta eccezione per la regione immediata dell'ingresso tangenziale, il movimento del fluido all'interno del ciclone ha simmetria radiale. Se una o entrambe le uscite sono aperte verso l'atmosfera, una zona di bassa pressione provoca 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 sono arrivati ​​a dominare la classificazione quando si tratta di particelle di dimensioni fini in circuiti di macinazione chiusi (<200 µm). Tuttavia, i recenti sviluppi nella tecnologia dei vagli (Capitolo 8) hanno rinnovato l’interesse per l’utilizzo dei vagli nei circuiti di macinazione. I vagli si separano in base alle dimensioni e non sono direttamente influenzati dalla densità diffusa nei minerali mangimi. Questo può essere un vantaggio. Inoltre, gli schermi non hanno una frazione di bypass e, come mostrato nell'Esempio 9.2, il bypass può essere piuttosto ampio (oltre il 30% in quel caso). La Figura 9.8 mostra un esempio della differenza nella curva di partizione per cicloni e schermi. 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). Coerentemente con le aspettative, rispetto al ciclone lo schermo aveva una separazione più netta (la pendenza della curva è maggiore) e un piccolo bypass. È stato segnalato un aumento della capacità del circuito di macinazione a causa dei tassi di rottura più elevati dopo l'implementazione dello schermo. Ciò è stato attribuito all'eliminazione del bypass, riducendo la quantità di materiale fine rimandato ai mulini di macinazione, che tende ad attutire gli impatti particella-particella.

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Figura 9.8. Curve di partizione per cicloni e vagli 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 Fig. 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 di ingresso dell'alimentazione, il diametro e la lunghezza del rilevatore di vortice e il diametro di scarico del rubinetto. Il valore del coefficiente di resistenza è influenzato anche dalla forma; quanto più una particella si discosta dalla sfericità tanto minore è il suo fattore di forma e tanto maggiore la sua resistenza alla sedimentazione. La zona critica di stress può estendersi ad alcune particelle d'oro di dimensioni pari a 200 mm e un attento monitoraggio del processo di classificazione è quindi essenziale per ridurre l'eccessivo riciclaggio e il conseguente accumulo di fanghi. Storicamente, quando si prestava poca attenzione al recupero di 150μIn grani d'oro, il riporto dell'oro nelle frazioni melmose sembra essere stato in gran parte responsabile delle perdite di oro che sono state registrate fino al 40-60% in molte operazioni di collocamento dell'oro.

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8.13. Geometria normale e condizioni operative di un idrociclone.

La Figura 8.14 (Tabella di selezione Warman) è una selezione preliminare di cicloni per la separazione a varie dimensioni D50 da 9–18 micron fino a 33–76 micron. Questo grafico, come altri grafici simili sulle prestazioni dei cicloni, si basa su un'alimentazione di un tipo specifico attentamente controllata. Come prima guida alla scelta si assume un contenuto di solidi in acqua di 2.700 kg/m3. I cicloni di diametro maggiore vengono utilizzati per produrre separazioni grossolane ma richiedono volumi di alimentazione elevati per un corretto funzionamento. Le separazioni fini con volumi di alimentazione elevati richiedono gruppi di cicloni di piccolo diametro che operano in parallelo. I parametri di progettazione finali per il dimensionamento ridotto devono essere determinati sperimentalmente ed è importante selezionare un ciclone intorno alla metà dell'intervallo in modo che eventuali piccole modifiche eventualmente necessarie possano essere apportate all'inizio delle operazioni.

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8.14. Tabella di selezione preliminare di Warman.

Si afferma che il ciclone CBC (letto circolante) classifichi i materiali di alimentazione dell'oro alluvionale fino a 5 mm di diametro e ottenga un'alimentazione jig costantemente elevata dal sottoflusso. La separazione avviene approssimativamenteD50/150 micron su base silice di densità 2,65. Si sostiene che il flusso inferiore del ciclone CBC sia particolarmente adatto alla separazione tramite maschere a causa della sua curva di distribuzione delle dimensioni relativamente uniforme e della rimozione quasi completa delle particelle fini di scarto. Tuttavia, sebbene si affermi che questo sistema produca un concentrato primario di alta qualità di minerali equivalenti pesanti in un unico passaggio da un mangime di dimensioni relativamente lunghe (ad esempio sabbie minerali), non sono disponibili dati di prestazione di questo tipo per materiale di mangime alluvionale contenente oro fine e in scaglie. . La tabella 8.5 fornisce i dati tecnici per AKWidrocicloniper punti di cut-off compresi tra 30 e 100 micron.

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

 

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

Gli idrocicloni sono quasi universalmente utilizzati nei circuiti di macinazione per la loro elevata capacità e relativa efficienza. Possono anche classificare su una gamma molto ampia di dimensioni delle particelle (tipicamente 5–500 μm), unità di diametro più piccolo vengono utilizzate per una classificazione più precisa. Tuttavia, l'applicazione del ciclone nei circuiti di macinazione della magnetite può causare un funzionamento inefficiente a causa della differenza di densità tra la magnetite e i 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. Inidrocicloni, i minerali densi si separano con dimensioni di taglio più fini rispetto ai minerali più leggeri. Pertanto, la magnetite liberata viene concentrata nel sottoflusso del ciclone, con conseguente macinazione eccessiva della magnetite. Napier-Munn et al. (2005) hanno notato che la relazione tra la dimensione di taglio 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 ild50c di particelle di silice saranno 40–65 μm. La Figura 8.13 mostra le curve di efficienza di classificazione dei cicloni per magnetite (Fe3O4) e silice (SiO2) ottenute dal rilievo di un circuito di macinazione della magnetite di un mulino a sfere industriale. La separazione dimensionale per la silice è molto più grossolana, con ad50c per Fe3O4 di 29 μm, mentre quella per SiO2 è di 68 μm. A causa di questo fenomeno, i mulini di macinazione della magnetite a circuito chiuso con idrocicloni sono meno efficienti e hanno una capacità inferiore rispetto ad altri circuiti di macinazione del metallo base.

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

Detergenti oidrociclonirimuovere 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 grande diametro (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 verso l'apice, o apertura di sottoflusso, lungo l'interno della parete del pulitore. La velocità del flusso rotazionale accelera al diminuire del diametro del cono. In prossimità dell'estremità apicale l'apertura di piccolo diametro impedisce lo scarico della maggior parte del flusso che invece ruota in un vortice interno al cuore del pulitore. Il flusso nel nucleo interno scorre via dall'apertura apicale fino a scaricarsi attraverso il cercatore di vortice, situato all'estremità di grande diametro al centro del pulitore. Il materiale a densità maggiore, concentrato sulla parete del pulitore per effetto della forza centrifuga, viene scaricato all'apice del cono (Bliss, 1994, 1997).

 

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

I pulitori inversi e i pulitori a flusso continuo sono progettati per rimuovere contaminanti a bassa densità come cera, polistirolo e sostanze appiccicose. I pulitori inversi sono così chiamati perché il flusso di accettati viene raccolto all'apice del pulitore mentre gli scarti escono dall'overflow. Nel pulitore a flusso continuo, l'accettazione e gli scarti escono alla stessa estremità del pulitore, con le accettazioni vicino alla parete del pulitore separate dagli scarti da un tubo centrale vicino al nucleo del pulitore, come mostrato nella Figura 7.

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Figura 7. Schemi di un depuratore a flusso continuo.