ハイドロサイクロン

ハイドロサイクロンサイクロンの形状は円錐円筒形で、円筒部への接線方向の供給入口と各軸に出口があります。円筒部の出口は渦流ファインダと呼ばれ、サイクロン内部まで伸びており、入口からの短絡流を抑制します。円錐端には2つ目の出口、つまりスピゴットがあります。サイズ分離のため、両方の出口は通常大気に開放されています。ハイドロサイクロンは、通常、スピゴットを下端にして垂直に運転されるため、粗い生成物はアンダーフロー、渦流ファインダから出た細かい生成物はオーバーフローと呼ばれます。図1は、典型的なサイクロンの主要流れと設計上の特徴を模式的に示しています。ハイドロサイクロン2つの渦、すなわち接線方向の入口と軸方向の出口。接線方向の入口付近を除き、サイクロン内の流体の動きは放射対称性を示す。出口の一方または両方が大気に開放されている場合、低圧領域によって内側の渦の内側に垂直軸に沿ったガスコアが形成される。

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図 1. ハイドロサイクロンの主な特徴。

閉じた粉砕回路で微粒子 (< 200 µm) を扱う場合、ハイドロサイクロンが分級の主流となってきました。しかし、スクリーン技術の最近の進歩 (第 8 章) により、粉砕回路でスクリーンを使用することに再び関心が集まっています。スクリーンはサイズに基づいて分離するため、供給鉱物の密度のばらつきに直接影響を受けません。これは利点となります。また、スクリーンにはバイパス率がなく、例 9.2 で示したように、バイパスはかなり大きくなる可能性があります (その場合は 30% 以上)。図 9.8 は、サイクロンとスクリーンの分配曲線の違いの例を示しています。このデータはペルーの El Brocal 濃縮機からのもので、粉砕回路でハイドロサイクロンを Derrick Stack Sizer® (第 8 章を参照) に置き換える前後の評価が行われています (Dündar ら、2014 年)。予想どおり、サイクロンと比較してスクリーンは分離がより鋭く (曲線の傾きがより大きく)、バイパスはほとんどありませんでした。スクリーン導入後、破砕率が上昇したため、粉砕回路の容量増加が報告されました。これは、バイパスが不要になったことで粉砕機に戻される微細物質の量が減り、粒子同士の衝突を緩和する効果が期待できるためです。

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図 9.8. El Brocal 濃縮機の粉砕回路におけるサイクロンおよびスクリーンの分配曲線。

(Dündar et al. (2014) から改変)

典型的なスパイラルフローパターン内の形状と動作条件ハイドロサイクロン図8.13に、その概要を示します。操作変数は、パルプ密度、供給流量、固形物特性、供給入口圧力、サイクロンを通過する際の圧力損失です。サイクロンの変数は、供給入口面積、渦流ファインダの直径と長さ、スピゴット排出口の直径です。抗力係数の値は形状によっても影響を受けます。粒子が球形から大きく離れるほど、形状係数は小さくなり、沈降抵抗は大きくなります。臨界応力域は、200 mmほどの大きさの金粒子にまで及ぶ場合があり、分級プロセスを注意深く監視することが、過剰なリサイクルとそれに伴うスライムの蓄積を減らすために不可欠です。歴史的に、150μ金の粒子の場合、スライム分画中の金の持ち越しが、多くの金砂金採掘作業で記録された40～60%にも上る金の損失の主な原因であると思われます。

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8.13. ハイドロサイクロンの通常の形状と運転条件。

図 8.14 (ウォーマン選択チャート) は、9～18 ミクロンから 33～76 ミクロンまでのさまざまな D50 サイズで分離するためのサイクロンの選択の予備例です。このチャートは、他のサイクロン性能チャートと同様に、特定の種類の注意深く制御された供給に基づいています。選択の最初のガイドとして、水中の固形物含有量を 2,700 kg/m3 と想定しています。直径の大きいサイクロンは粗い分離を生成するために使用されますが、適切に機能するには大量の供給量が必要です。大量の供給量で微細な分離を行うには、小径サイクロンをクラスター状に並列に操作する必要があります。精密なサイズ設定の最終的な設計パラメータは実験的に決定する必要があり、操作開始時に必要となる可能性のある微調整が行えるように、範囲の中央付近のサイクロンを選択することが重要です。

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8.14. ウォーマン予備選考チャート。

CBC（循環床）サイクロンは、直径5mmまでの砂金原料を分級し、アンダーフローから高いジグフィードを安定して得ることができるとされています。分離は約D密度2.65のシリカを基準として、50/150ミクロンのCBCサイクロンアンダーフローは、比較的滑らかな粒度分布曲線と微細な廃棄物粒子のほぼ完全な除去により、ジグ分離に特に適しているとされています。しかし、このシステムは、比較的粒度範囲の広い原料（例えば、鉱物砂）から、1回の通過で高品位の等価重鉱物一次精鉱を生産すると謳われていますが、微細金および薄片状金を含む沖積原料については、そのような性能データは得られていません。表8.5はAKWの技術データを示しています。ハイドロサイクロンカットオフポイントは 30 ～ 100 ミクロンです。

典型的なハイドロサイクロン (図 8.12a) は、頂点またはアンダーフローが開いている円錐形の容器と、接線方向の供給入口を持つ円筒部が結合した構造です。円筒部の上部はプレートで閉じられており、そのプレートを軸方向に取り付けられたオーバーフロー管が通過します。この管は、ボルテックスファインダと呼ばれる取り外し可能な短い部分によってサイクロン本体内に延長されており、供給物がオーバーフローに直接短絡するのを防ぎます。供給物は接線方向の入口から加圧されて導入され、パルプに旋回運動を与えます。これにより、図 8.12b に示すように、サイクロン内に渦が生成され、垂直軸に沿って低圧領域が形成されます。軸に沿って空気コアが形成され、通常は頂点の開口部から大気とつながっていますが、低圧領域で溶液から出てきた溶存空気によって部分的に生成されます。遠心力は粒子の沈降速度を加速させ、粒子をサイズ、形状、比重に応じて分離します。沈降速度の速い粒子はサイクロンの壁面（速度が最も低い場所）に移動し、頂点開口部（アンダーフロー）へと移動します。抗力の作用により、沈降速度の遅い粒子は軸に沿った低圧領域へと移動し、渦流ファインダを通って上方に運ばれ、オーバーフローへと送られます。

 

図8.12. ハイドロサイクロン（https://www.aeroprobe.com/applications/examples/australian-mining-industry-uses-aeroprobe-equipment-to-study-hydro-cyclone）とハイドロサイクロンバッテリー。Cavexハイドロサイクロン概要パンフレット、https://www.weirminerals.com/products_services/cavex.aspx。

ハイドロサイクロンは、その高い処理能力と相対的な効率性から、粉砕回路においてほぼ普遍的に使用されています。また、非常に広い粒子径範囲（通常5～500μm）を分級することができ、より微細な分級にはより小さな直径のユニットが使用されます。しかし、マグネタイト粉砕回路にサイクロンを使用すると、マグネタイトと廃棄鉱物（シリカ）の密度差により、効率が低下する可能性があります。マグネタイトの比重は約5.15であるのに対し、シリカの比重は約2.7です。ハイドロサイクロン密度の高い鉱物は、軽い鉱物よりも細かいカットサイズで分離する。そのため、遊離した磁鉄鉱はサイクロンの下層流に集中し、結果として磁鉄鉱が過剰に粉砕される。Napier-Munnら（2005）は、補正カットサイズ（d50c) 粒子密度は流れの状態やその他の要因に応じて次の形式に従います。

どこρsは固体密度、ρlは液体の密度であり、nは0.5～1.0の範囲にあります。これは、鉱物密度がサイクロン性能に及ぼす影響がかなり大きくなる可能性があることを意味します。例えば、d磁鉄鉱の50cは25μmなので、d50cのシリカ粒子は40～65μmになります。図8.13は、工業用ボールミルのマグネタイト粉砕回路の調査から得られた、マグネタイト（Fe3O4）とシリカ（SiO2）のサイクロン分級効率曲線を示しています。シリカのサイズ分離ははるかに粗く、dFe3O4の場合は29μm、SiO2の場合は68μmです。この現象により、ハイドロサイクロンを用いた閉回路のマグネタイト粉砕ミルは、他のベースメタル鉱石粉砕回路と比較して効率が低く、処理能力も低くなります。

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図8.13. 磁鉄鉱Fe3O4とシリカSiO2のサイクロン効率 - 産業調査。

クリーナーまたはハイドロサイクロンパルプから汚染物質を、汚染物質と水の密度差に基づいて除去します。これらの装置は、円錐形または円筒円錐形の圧力容器で構成され、パルプは大径端から接線方向に供給されます (図 6)。クリーナーを通過する間、パルプはサイクロンに似た渦流パターンを生成します。流れは、入口からクリーナー壁の内側に沿って頂点またはアンダーフロー開口部に向かって中心軸の周りを回転します。回転流速は、円錐の直径が減少するにつれて加速します。頂点端の近くでは、小径の開口部によってほとんどの流れが排出されず、代わりにクリーナーの中心部で内部渦として回転します。内部コアの流れは、頂点開口部から離れて、クリーナー中央の大径端にある渦ファインダから排出されます。遠心力によりクリーナーの壁面に集中していた高密度物質は、円錐の頂点から排出されます (Bliss、1994、1997)。

 

図 6. ハイドロサイクロンの各部、主な流れのパターンおよび分離傾向。

リバースクリーナーとスルーフロークリーナーは、ワックス、ポリスチレン、粘着物などの低密度汚染物質を除去するように設計されています。リバースクリーナーは、受入物質がクリーナーの頂点で集められ、リジェクト物質がオーバーフローから排出されることからそのように呼ばれています。スルーフロークリーナーでは、受入物質とリジェクト物質はクリーナーの同じ端から排出され、クリーナー壁面近くの受入物質はクリーナー中心部近くの中央チューブによってリジェクト物質と分離されます（図7を参照）。

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図 7. スルーフロークリーナーの概略図。