하이드로사이클론

하이드로사이클론하이드로사이클론은 원뿔형 원통 모양으로, 원통형 부분으로 접선 방향으로 유입되는 공급구와 각 축에 출구가 있습니다. 원통형 부분의 출구는 와류 유도기(vortex finder)라고 하며, 유입구에서 직접 유입되는 단락 흐름을 줄이기 위해 사이클론 내부로 연장됩니다. 원뿔형 끝부분에는 두 번째 출구인 스피곳(spigot)이 있습니다. 입자 크기 분리를 위해 두 출구 모두 일반적으로 대기에 개방되어 있습니다. 하이드로사이클론은 일반적으로 스피곳이 아래쪽에 위치하도록 수직으로 작동되므로, 조립 제품은 언더플로우(underflow)라고 하고, 와류 유도기를 빠져나가는 미립 제품은 오버플로우(overflow)라고 합니다. 그림 1은 일반적인 하이드로사이클론의 주요 흐름 및 설계 특징을 개략적으로 보여줍니다.하이드로사이클론사이클론은 두 개의 와류, 접선 방향의 유입구 및 축 방향의 배출구로 구성됩니다. 접선 방향 유입구 바로 주변 영역을 제외하면 사이클론 내부의 유체 운동은 방사형 대칭을 이룹니다. 배출구 중 하나 또는 둘 다 대기에 열려 있는 경우, 저압 영역이 형성되어 내부 와류 안쪽의 수직축을 따라 가스 핵이 생성됩니다.

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그림 1. 하이드로사이클론의 주요 특징.

폐쇄형 분쇄 회로에서 미세 입자(<200 µm)를 처리할 때 하이드로사이클론이 분류 분야에서 지배적인 위치를 차지해 왔습니다. 그러나 최근 스크린 기술의 발전(8장 참조)으로 분쇄 회로에 스크린을 사용하는 것에 대한 관심이 다시 높아지고 있습니다. 스크린은 입자 크기에 따라 분리하며 공급 광물의 밀도 분포에 직접적인 영향을 받지 않습니다. 이는 장점이 될 수 있습니다. 또한 스크린은 바이패스 분획이 없으며, 실시예 9.2에서 보듯이 바이패스 분획은 상당히 클 수 있습니다(해당 경우 30% 이상). 그림 9.8은 사이클론과 스크린의 분리 곡선 차이를 보여주는 예입니다. 이 데이터는 페루의 엘 브로칼 농축장에서 얻은 것으로, 분쇄 회로에서 하이드로사이클론을 데릭 스택 사이저®(8장 참조)로 교체하기 전후의 평가 결과를 나타냅니다(Dündar et al., 2014). 예상대로 사이클론에 비해 스크린은 분리 성능이 더 우수하고(곡선의 기울기가 더 높음) 바이패스 분획이 적었습니다. 스크린 설치 후 파쇄율이 높아져 분쇄 회로 용량이 증가한 것으로 보고되었습니다. 이는 바이패스가 제거되어 분쇄기로 되돌아가는 미세 물질의 양이 줄어들어 입자 간 충돌을 완화하는 효과가 감소했기 때문입니다.

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그림 9.8. 엘 브로칼 농축기의 분쇄 회로에 있는 사이클론과 스크린의 분배 곡선.

(Dündar et al.(2014)에서 수정)

일반적인 나선형 유동 패턴 내의 기하학적 구조 및 작동 조건하이드로사이클론그림 8.13에 설명되어 있습니다. 작동 변수는 펄프 밀도, 공급 유량, 고형물 특성, 공급 입구 압력 및 사이클론을 통과하는 압력 강하입니다. 사이클론 변수는 공급 입구 면적, 와류 발생기 직경 및 길이, 스피곳 배출 직경입니다. 항력 계수 값은 입자의 모양에도 영향을 받습니다. 입자가 구형에서 벗어날수록 형상 계수는 작아지고 침전 저항은 커집니다. 임계 응력 영역은 크기가 최대 200mm에 달하는 금 입자까지 확장될 수 있으므로 과도한 재활용과 그로 인한 슬라임 축적을 줄이기 위해서는 분류 공정을 주의 깊게 모니터링하는 것이 필수적입니다. 과거에는 150mm 크기의 금 입자 회수에 거의 관심을 기울이지 않았습니다.μ금 입자의 경우, 슬러지 분획에 금이 잔류하는 것이 많은 사금 채굴 작업에서 최대 40~60%에 달하는 금 손실의 주요 원인으로 보입니다.

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8.13. 하이드로사이클론의 일반적인 기하학적 구조 및 작동 조건.

그림 8.14(워먼 선정 차트)는 9~18 마이크론에서 33~76 마이크론까지 다양한 D50 크기로 분리하기 위한 사이클론의 예비 선정도를 보여줍니다. 이 차트는 다른 사이클론 성능 차트와 마찬가지로 특정 유형의 공급물을 신중하게 제어하여 작성되었습니다. 선정의 초기 기준으로 물 속 고형물 함량을 2,700 kg/m³로 가정했습니다. 직경이 큰 사이클론은 조분리에 사용되지만, 제대로 작동하려면 많은 양의 공급물이 필요합니다. 많은 양의 공급물에서 미세 분리를 위해서는 직경이 작은 사이클론들을 병렬로 연결하여 사용하는 방식이 필요합니다. 최종 설계 매개변수는 실험적으로 결정해야 하며, 가동 초기에 필요한 미세 조정을 할 수 있도록 범위의 중간값 부근에 있는 사이클론을 선택하는 것이 중요합니다.

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8.14. 워먼 예비 선정 차트.

CBC(순환층) 사이클론은 최대 직경 5mm의 충적금 원료를 분류하고 하부 유출물에서 일관되게 높은 지그 공급량을 얻을 수 있다고 알려져 있습니다. 분리는 대략적인 온도에서 이루어집니다.D밀도 2.65의 실리카를 기준으로 50/150 마이크론입니다. CBC 사이클론 하부 유출물은 상대적으로 매끄러운 입자 크기 분포 곡선과 미세 폐기물 입자의 거의 완벽한 제거로 인해 지그 분리에 특히 적합하다고 알려져 있습니다. 그러나 이 시스템은 비교적 넓은 입자 크기 범위의 공급 원료(예: 광물 모래)에서 한 번의 공정으로 고품질의 등방성 중광물 1차 농축물을 생산할 수 있다고 주장되지만, 미세하고 박편 형태의 금을 함유한 충적토 공급 원료에 대한 성능 수치는 아직 공개되지 않았습니다. 표 8.5는 AKW의 기술 데이터를 제공합니다.하이드로사이클론차단점은 30~100 마이크론 사이입니다.

일반적인 하이드로사이클론(그림 8.12a)은 원뿔형 용기로 구성되며, 원뿔의 꼭짓점(언더플로우)은 원통형 부분과 연결되어 있습니다. 원통형 부분에는 접선 방향으로 공급물이 유입됩니다. 원통형 부분의 윗부분은 판으로 막혀 있으며, 이 판을 통해 축 방향으로 설치된 오버플로우 파이프가 통과합니다. 이 파이프는 짧고 탈착 가능한 부분인 와류 탐지기(vortex finder)를 통해 사이클론 본체 내부로 연장되어 공급물이 오버플로우로 직접 단락되는 것을 방지합니다. 공급물은 접선 방향의 유입구를 통해 압력을 가해 주입되며, 이로 인해 펄프에 회전 운동이 발생합니다. 이러한 회전 운동은 사이클론 내부에 와류를 생성하고, 그림 8.12b에서와 같이 수직축을 따라 저압 영역을 형성합니다. 축을 따라 공기층이 형성되는데, 이 공기층은 일반적으로 꼭짓점 개구부를 통해 대기와 연결되지만, 저압 영역에서 용액에 용해된 공기가 빠져나오면서 부분적으로 생성되기도 합니다. 원심력은 입자의 침강 속도를 가속시켜 크기, 모양 및 비중에 따라 입자를 분리합니다. 침강 속도가 빠른 입자는 속도가 가장 낮은 사이클론 벽면으로 이동하여 정점 개구부(하부 유출구)로 이동합니다. 항력의 작용으로 침강 속도가 느린 입자는 축을 따라 저압 영역으로 이동하여 와류 유도기를 통해 위쪽으로 이동하여 상부 유출구로 배출됩니다.

 

그림 8.12. 하이드로사이클론(https://www.aeroprobe.com/applications/examples/australian-mining-industry-uses-aeroprobe-equipment-to-study-hydro-cyclone) 및 하이드로사이클론 배터리. Cavex 하이드로사이클론 개요 브로셔, https://www.weirminerals.com/products_services/cavex.aspx.

하이드로사이클론은 높은 용량과 상대적인 효율성 때문에 분쇄 회로에서 거의 보편적으로 사용됩니다. 또한 매우 넓은 범위의 입자 크기(일반적으로 5~500μm)를 분류할 수 있으며, 더 미세한 분류를 위해서는 직경이 더 작은 장치를 사용합니다. 그러나 자철광 분쇄 회로에 사이클론을 적용할 경우 자철광과 폐광석(이실리카)의 밀도 차이로 인해 비효율적인 작동이 발생할 수 있습니다. 자철광의 비중은 약 5.15인 반면, 실리카의 비중은 약 2.7입니다.하이드로사이클론밀도가 높은 광물은 밀도가 낮은 광물보다 더 미세한 절단 크기에서 분리됩니다. 따라서 분리된 자철석은 사이클론 하부 유출물에 농축되어 자철석이 과도하게 분쇄됩니다. Napier-Munn et al. (2005)은 보정된 절단 크기(d50c) 입자 밀도는 유동 조건 및 기타 요인에 따라 다음과 같은 형태의 표현식을 따릅니다.

어디ρs는 고체의 밀도입니다.ρl은 액체의 밀도이고,n0.5에서 1.0 사이입니다. 이는 광물 밀도가 사이클론 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있음을 의미합니다. 예를 들어, 만약d자철석의 50c는 25μm이므로,d실리카 입자의 50c는 40~65μm입니다. 그림 8.13은 산업용 볼밀 자철광 분쇄 회로 조사에서 얻은 자철광(Fe3O4)과 실리카(SiO2)에 대한 사이클론 분류 효율 곡선을 보여줍니다. 실리카의 크기 분리는 훨씬 더 조대하며,dFe3O4의 경우 29μm일 때 50c이고, SiO2의 경우 68μm일 때 50c입니다. 이러한 현상 때문에 하이드로사이클론이 포함된 폐쇄 회로의 자철광 분쇄기는 다른 비철금속 광석 분쇄 회로에 비해 효율이 낮고 용량도 적습니다.

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그림 8.13. 자철광(Fe3O4) 및 이산화규소(SiO2)의 사이클론 효율 - 산업 조사.

청소부 또는하이드로사이클론오염물질과 물의 밀도 차이를 이용하여 펄프에서 오염물질을 제거하는 장치입니다. 이 장치는 원뿔형 또는 원통형-원뿔형 압력 용기로 구성되며, 펄프는 큰 직경의 끝부분에서 접선 방향으로 투입됩니다(그림 6). 펄프가 세척기를 통과하는 동안 사이클론과 유사한 와류 흐름 패턴을 형성합니다. 흐름은 입구에서 멀어져 세척기 내부 벽면을 따라 정점 또는 하부 유출구로 향하면서 중심축을 중심으로 회전합니다. 원뿔의 직경이 작아질수록 회전 유속이 가속됩니다. 정점 부근의 작은 직경의 개구부는 대부분의 흐름이 배출되는 것을 막고, 대신 세척기 중심부에서 내부 와류를 형성하여 회전하게 합니다. 내부 중심부의 흐름은 정점 개구부에서 멀어지면서 세척기 중앙의 큰 직경 끝에 위치한 와류 유도기를 통해 배출됩니다. 원심력으로 인해 청소기 벽면에 집중된 고밀도 물질은 원뿔의 꼭대기에서 배출됩니다(Bliss, 1994, 1997).

 

그림 6. 하이드로사이클론의 구성 요소, 주요 유동 패턴 및 분리 경향.

역류식 세척기와 관통형 세척기는 왁스, 폴리스티렌, 점착성 물질과 같은 저밀도 오염 물질을 제거하도록 설계되었습니다. 역류식 세척기는 수용액이 세척기 꼭대기에 모이고 불량액은 오버플로우를 통해 배출되기 때문에 이러한 이름이 붙었습니다. 관통형 세척기에서는 수용액과 불량액이 세척기의 같은 끝에서 배출되며, 그림 7에서와 같이 세척기 벽 근처에 있는 수용액과 세척기 중심부 근처의 중앙 튜브를 통해 분리됩니다.

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그림 7. 관통형 세척기의 개략도.