hidrociclones

Descripción

hidrociclonesTienen forma conocilíndrica, con una entrada de alimentación tangencial a la sección cilíndrica y una salida en cada eje. La salida en la sección cilíndrica se denomina detector de vórtices y se extiende hacia el ciclón para reducir el flujo de cortocircuito directamente desde la entrada. En el extremo cónico se encuentra la segunda salida, la espiga. Para la separación por tamaño, ambas salidas generalmente están abiertas a la atmósfera. Los hidrociclones suelen operar verticalmente, con la espiga en el extremo inferior; por lo tanto, el producto grueso se denomina flujo inferior y el producto fino, que sale del detector de vórtices, flujo superior. La Figura 1 muestra esquemáticamente las principales características de flujo y diseño de un hidrociclon típico.hidrociclónLos dos vórtices: la entrada de alimentación tangencial y las salidas axiales. Salvo en la zona inmediata a la entrada tangencial, el movimiento del fluido dentro del ciclón presenta simetría radial. Si una o ambas salidas están abiertas a la atmósfera, una zona de baja presión genera un núcleo de gas a lo largo del eje vertical, dentro del vórtice interno.

El principio de funcionamiento es simple: el fluido, que transporta las partículas suspendidas, entra en el ciclón tangencialmente, desciende en espiral y produce un campo centrífugo en un flujo de vórtice libre. Las partículas más grandes se mueven a través del fluido hacia el exterior del ciclón en un movimiento espiral y salen por la espita con una fracción del líquido. Debido al área limitada de la espita, se establece un vórtice interno, que gira en la misma dirección que el vórtice externo, pero fluye hacia arriba, y sale del ciclón a través del detector de vórtices, arrastrando consigo la mayor parte del líquido y las partículas más finas. Si se excede la capacidad de la espita, el núcleo de aire se cierra y la descarga de la espita cambia de una pulverización en forma de paraguas a una "cuerda" con una pérdida de material grueso por el rebosadero.

El diámetro de la sección cilíndrica es la variable principal que afecta el tamaño de partícula que se puede separar, aunque los diámetros de salida se pueden modificar de forma independiente para modificar la separación lograda. Si bien los primeros investigadores experimentaron con ciclones de tan solo 5 mm de diámetro, los diámetros de los hidrociclones comerciales actualmente oscilan entre 10 mm y 2,5 m, con tamaños de separación para partículas de densidad de 2700 kg m−3 de 1,5 a 300 μm, que disminuyen al aumentar la densidad de partículas. La caída de presión de operación varía de 10 bar para diámetros pequeños a 0,5 bar para unidades grandes. Para aumentar la capacidad, se utilizan múltiples ciclones pequeños.hidrociclonesPuede ser múltiple desde una sola línea de alimentación.

Aunque el principio de funcionamiento es simple, muchos aspectos de su funcionamiento aún son poco comprendidos y la selección y predicción de hidrociclones para la operación industrial son en gran medida empíricas.

Clasificación

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., en Wills' Mineral Processing Technology (octava edición), 2016

9.4.3 Hidrociclones versus pantallas

Los hidrociclones han llegado a dominar la clasificación al procesar partículas finas en circuitos de molienda cerrados (<200 µm). Sin embargo, los recientes avances en la tecnología de cribas (Capítulo 8) han renovado el interés en el uso de cribas en circuitos de molienda. Las cribas separan según el tamaño y no se ven directamente afectadas por la distribución de densidad en los minerales de alimentación. Esto puede ser una ventaja. Las cribas tampoco tienen una fracción de derivación, y como se muestra en el Ejemplo 9.2, esta puede ser bastante grande (superior al 30 % en ese caso). La Figura 9.8 muestra un ejemplo de la diferencia en la curva de partición entre ciclones y cribas. Los datos provienen de la concentradora El Brocal en Perú, con evaluaciones antes y después de la sustitución de los hidrociclones por un Derrick Stack Sizer® (véase el Capítulo 8) en el circuito de molienda (Dündar et al., 2014). Como era de esperar, en comparación con el ciclón, la criba presentó una separación más nítida (la pendiente de la curva es mayor) y una derivación menor. Se reportó un aumento en la capacidad del circuito de molienda debido a una mayor tasa de rotura tras la implementación de la criba. Esto se atribuyó a la eliminación del bypass, lo que redujo la cantidad de material fino que se devuelve a los molinos, lo cual tiende a amortiguar los impactos entre partículas.

Sin embargo, el cambio no es unidireccional: un ejemplo reciente es el cambio de una pantalla a un ciclón para aprovechar la reducción de tamaño adicional de los minerales de pago más densos (Sasseville, 2015).

Proceso y diseño metalúrgico

Eoin H. Macdonald, en Manual de exploración y evaluación de oro, 2007

hidrociclones

Los hidrociclones son las unidades preferidas para clasificar por tamaño o deslamar grandes volúmenes de pulpa de forma económica y porque ocupan muy poco espacio o altura libre. Funcionan con mayor eficacia cuando se alimentan a un caudal y densidad de pulpa uniformes, y se utilizan individualmente o en grupos para obtener las capacidades totales deseadas en las fracciones requeridas. La capacidad de clasificación por tamaño depende de las fuerzas centrífugas generadas por las altas velocidades de flujo tangencial que atraviesan la unidad. El vórtice primario formado por la pulpa entrante actúa en espiral descendente alrededor de la pared interna del cono. Los sólidos son expulsados hacia afuera por la fuerza centrífuga, de modo que a medida que la pulpa desciende, su densidad aumenta. Los componentes verticales de la velocidad actúan hacia abajo cerca de las paredes del cono y hacia arriba cerca del eje. La fracción de lodo, menos densa y separada centrífugamente, es impulsada hacia arriba a través del detector de vórtices para salir por la abertura en el extremo superior del cono. Una zona intermedia o envoltura entre los dos flujos tiene velocidad vertical cero y separa los sólidos más gruesos que descienden de los sólidos más finos que ascienden. La mayor parte del flujo asciende dentro del vórtice interno más pequeño y las mayores fuerzas centrífugas expulsan las partículas más grandes y finas hacia afuera, lo que proporciona una separación más eficiente en los tamaños más finos. Estas partículas regresan al vórtice externo y se dirigen nuevamente al alimentador del jig.

La geometría y las condiciones de operación dentro del patrón de flujo en espiral de un sistema típicohidrociclónSe describen en la Fig. 8.13. Las variables operativas son la densidad de la pulpa, el caudal de alimentación, las características de los sólidos, la presión de entrada de la alimentación y la caída de presión a través del ciclón. Las variables del ciclón son el área de entrada de la alimentación, el diámetro y la longitud del detector de vórtices, y el diámetro de descarga de la espiga. El valor del coeficiente de arrastre también se ve afectado por la forma; cuanto más varía una partícula de su esfericidad, menor es su factor de forma y mayor su resistencia a la sedimentación. La zona crítica de tensión puede extenderse a algunas partículas de oro de hasta 200 mm de tamaño, por lo que una monitorización cuidadosa del proceso de clasificación es esencial para reducir el reciclaje excesivo y la consiguiente acumulación de lodos. Históricamente, cuando se prestaba poca atención a la recuperación de 150μEn los granos de oro, el arrastre de oro en las fracciones de limo parece haber sido en gran medida responsable de las pérdidas de oro que se registraron hasta en un 40-60% en muchas operaciones de placer de oro.

La Figura 8.14 (Tabla de Selección de Warman) presenta una selección preliminar de ciclones para la separación en diversos tamaños D50, desde 9–18 micras hasta 33–76 micras. Esta tabla, al igual que otras tablas similares de rendimiento de ciclones, se basa en una alimentación cuidadosamente controlada de un tipo específico. Se asume un contenido de sólidos de 2700 kg/m³ en agua como guía inicial para la selección. Los ciclones de mayor diámetro se utilizan para producir separaciones gruesas, pero requieren grandes volúmenes de alimentación para su correcto funcionamiento. Las separaciones finas con grandes volúmenes de alimentación requieren grupos de ciclones de diámetro pequeño que operen en paralelo. Los parámetros de diseño finales para una separación de tamaño preciso deben determinarse experimentalmente, y es importante seleccionar un ciclón en un rango intermedio para que cualquier pequeño ajuste necesario pueda realizarse al inicio de las operaciones.

Se afirma que el ciclón CBC (lecho circulante) clasifica materiales de alimentación de oro aluvial de hasta 5 mm de diámetro y obtiene una alimentación de jig consistentemente alta desde el flujo inferior. La separación se realiza aproximadamente a...D50/150 micras basado en sílice de densidad 2,65. Se afirma que el flujo inferior del ciclón CBC es particularmente adecuado para la separación con jig debido a su curva de distribución de tamaño relativamente uniforme y la eliminación casi completa de partículas finas de desecho. Sin embargo, aunque se afirma que este sistema produce un concentrado primario de alta ley de minerales pesados equivalentes en una sola pasada a partir de una alimentación con un rango de tamaño relativamente amplio (por ejemplo, arenas minerales), no se dispone de cifras de rendimiento similares para material de alimentación aluvial que contenga oro fino y en escamas. La Tabla 8.5 presenta los datos técnicos de AKW.hidrociclonespara puntos de corte entre 30 y 100 micras.

Tabla 8.5. Datos técnicos de los hidrociclones AKW

Tipo (KRS)	Diámetro (mm)	Caída de presión	Capacidad		Punto de corte (micras)
Tipo (KRS)	Diámetro (mm)	Caída de presión	Lodo (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

Avances en las tecnologías de trituración y clasificación de minerales de hierro

A. Jankovic, en Mineral de hierro, 2015

8.3.3.1 Separadores hidrociclónicos

El hidrociclón, también conocido como ciclón, es un dispositivo de clasificación que utiliza la fuerza centrífuga para acelerar la velocidad de sedimentación de las partículas de lodo y separarlas según su tamaño, forma y gravedad específica. Se utiliza ampliamente en la industria minera, y su principal función en el procesamiento de minerales es como clasificador, demostrando una gran eficiencia en la separación de finos tamaños. Se utiliza ampliamente en operaciones de molienda de circuito cerrado, pero también tiene muchas otras aplicaciones, como el deslamado, el desarenado y el espesamiento.

Un hidrociclón típico (Figura 8.12a) consiste en un recipiente cónico, abierto en su vértice o rebose, unido a una sección cilíndrica con una entrada de alimentación tangencial. La parte superior de la sección cilíndrica se cierra con una placa a través de la cual pasa un tubo de rebose montado axialmente. Este tubo se extiende hacia el cuerpo del ciclón mediante una sección corta y extraíble, conocida como detector de vórtices, que evita el cortocircuito de la alimentación directamente en el rebose. La alimentación se introduce a presión a través de la entrada tangencial, lo que imparte un movimiento de remolino a la pulpa. Esto genera un vórtice en el ciclón, con una zona de baja presión a lo largo del eje vertical, como se muestra en la Figura 8.12b. A lo largo del eje se desarrolla un núcleo de aire, normalmente conectado a la atmósfera a través de la abertura del vértice, pero en parte creado por el aire disuelto que sale de la solución en la zona de baja presión. La fuerza centrífuga acelera la velocidad de sedimentación de las partículas, separándolas según su tamaño, forma y gravedad específica. Las partículas que sedimentan más rápido se desplazan hacia la pared del ciclón, donde la velocidad es mínima, y migran a la abertura del ápice (desbordamiento inferior). Debido a la acción de la fuerza de arrastre, las partículas que sedimentan más lentamente se desplazan hacia la zona de baja presión a lo largo del eje y son transportadas hacia arriba a través del detector de vórtices hasta el desbordamiento.

Los hidrociclones se utilizan casi universalmente en circuitos de molienda debido a su alta capacidad y eficiencia relativa. Además, pueden clasificar en un amplio rango de tamaños de partículas (típicamente de 5 a 500 μm), utilizándose unidades de menor diámetro para una clasificación más fina. Sin embargo, la aplicación de ciclones en circuitos de molienda de magnetita puede causar un funcionamiento ineficiente debido a la diferencia de densidad entre la magnetita y los minerales residuales (sílice). La magnetita tiene una densidad específica de aproximadamente 5,15, mientras que la sílice tiene una densidad específica de aproximadamente 2,7.hidrociclonesLos minerales densos se separan con un tamaño de corte más fino que los minerales más ligeros. Por lo tanto, la magnetita liberada se concentra en el flujo inferior del ciclón, con la consiguiente sobremolienda de la magnetita. Napier-Munn et al. (2005) observaron que la relación entre el tamaño de corte corregido (d50c) y la densidad de partículas sigue una expresión de la siguiente forma dependiendo de las condiciones de flujo y otros factores:

d50c∝ρs−ρl−n

dóndeρs es la densidad de sólidos,ρl es la densidad del líquido, ynestá entre 0,5 y 1,0. Esto significa que el efecto de la densidad mineral en el rendimiento del ciclón puede ser bastante significativo. Por ejemplo, sid50c de la magnetita son 25 μm, entonces eld50c de partículas de sílice tendrán un tamaño de 40–65 μm. La Figura 8.13 muestra las curvas de eficiencia de clasificación de ciclones para magnetita (Fe₃O₄) y sílice (SiO₂) obtenidas del estudio de un circuito de molienda de magnetita de un molino de bolas industrial. La separación por tamaño de la sílice es mucho más gruesa, con und50c para Fe₃O₄ de 29 μm, mientras que para SiO₂ es de 68 μm. Debido a este fenómeno, los molinos de magnetita en circuitos cerrados con hidrociclones son menos eficientes y tienen menor capacidad en comparación con otros circuitos de molienda de minerales de metales base.

Tecnología de procesos de alta presión: fundamentos y aplicaciones

MJ Cocero PhD, en Química Industrial Biblioteca, 2001

Dispositivos de separación de sólidos

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Hidrociclón

Este es uno de los separadores de sólidos más sencillos. Es un dispositivo de separación de alta eficiencia que permite eliminar sólidos eficazmente a altas temperaturas y presiones. Es económico, ya que no tiene piezas móviles y requiere poco mantenimiento.

La eficiencia de separación de sólidos depende en gran medida del tamaño de partícula y la temperatura. Se pueden alcanzar eficiencias de separación brutas cercanas al 80 % para sílice y temperaturas superiores a 300 °C, mientras que, en el mismo rango de temperatura, las eficiencias de separación brutas para partículas de circón más densas son superiores al 99 % [29].

La principal desventaja del funcionamiento del hidrociclón es la tendencia de algunas sales a adherirse a las paredes del ciclón.

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Microfiltración cruzada

Los filtros de flujo cruzado se comportan de forma similar a la que se observa normalmente en la filtración de flujo cruzado en condiciones ambientales: el aumento de las velocidades de corte y la reducción de la viscosidad del fluido resultan en un mayor número de filtrado. La microfiltración cruzada se ha aplicado a la separación de sales precipitadas en forma de sólidos, con eficiencias de separación de partículas que suelen superar el 99,9 %. Goemansy otros.[30] estudiaron la separación de nitrato de sodio del agua supercrítica. En las condiciones del estudio, el nitrato de sodio se encontraba presente como sal fundida y era capaz de atravesar el filtro. Se obtuvieron eficiencias de separación que variaban con la temperatura, ya que la solubilidad disminuye con el aumento de esta, oscilando entre el 40 % y el 85 %, para 400 °C y 470 °C, respectivamente. Estos investigadores explicaron el mecanismo de separación como consecuencia de una permeabilidad distinta del medio filtrante hacia la solución supercrítica, a diferencia de la sal fundida, basada en sus viscosidades claramente diferenciadas. Por lo tanto, sería posible no solo filtrar sales precipitadas simplemente como sólidos, sino también filtrar sales de bajo punto de fusión que se encuentran en estado fundido.

Los problemas de funcionamiento se debieron principalmente a la corrosión del filtro por las sales.

Papel: Reciclaje y Materiales Reciclados

MR Doshi, JM Dyer, en el Módulo de Referencia en Ciencia e Ingeniería de Materiales, 2016

3.3 Limpieza

Limpiadores ohidrociclonesEliminan contaminantes de la pulpa basándose en la diferencia de densidad entre el contaminante y el agua. Estos dispositivos consisten en un recipiente a presión cónico o cilíndrico-cónico en el que la pulpa se alimenta tangencialmente en el extremo de mayor diámetro (Figura 6). Durante su paso por el limpiador, la pulpa desarrolla un patrón de flujo de vórtice, similar al de un ciclón. El flujo gira alrededor del eje central a medida que se aleja de la entrada y se dirige hacia el ápice, o abertura de descarga inferior, a lo largo del interior de la pared del limpiador. La velocidad de rotación del flujo se acelera a medida que disminuye el diámetro del cono. Cerca del ápice, la abertura de menor diámetro impide la descarga de la mayor parte del flujo, que en su lugar gira en un vórtice interno en el núcleo del limpiador. El flujo en el núcleo interno fluye desde la abertura del ápice hasta que se descarga a través del detector de vórtices, ubicado en el extremo de mayor diámetro en el centro del limpiador. El material de mayor densidad, habiéndose concentrado en la pared del limpiador debido a la fuerza centrífuga, se descarga en el vértice del cono (Bliss, 1994, 1997).

Los limpiadores se clasifican en de alta, media o baja densidad según la densidad y el tamaño de los contaminantes que se eliminan. Un limpiador de alta densidad, con un diámetro de entre 15 y 50 cm (6-20 pulgadas), se utiliza para eliminar restos metálicos, clips y grapas, y suele colocarse inmediatamente después del despulpador. A medida que disminuye el diámetro del limpiador, aumenta su eficiencia para eliminar contaminantes pequeños. Por razones prácticas y económicas, el ciclón de 75 mm (3 pulgadas) de diámetro suele ser el limpiador más pequeño utilizado en la industria papelera.

Los limpiadores inversos y de flujo continuo están diseñados para eliminar contaminantes de baja densidad, como cera, poliestireno y sustancias pegajosas. Se denominan así porque el flujo de aceptados se recoge en el ápice del limpiador, mientras que los rechazados salen por el rebosadero. En el limpiador de flujo continuo, los aceptados y los rechazados salen por el mismo extremo del limpiador, con los aceptados cerca de la pared del limpiador separados de los rechazados por un tubo central cerca del núcleo del limpiador, como se muestra en la Figura 7.

Las centrífugas continuas utilizadas en las décadas de 1920 y 1930 para eliminar la arena de la pulpa se discontinuaron tras el desarrollo de los hidrociclones. El Gyroclean, desarrollado en el Centre Technique du Papier de Grenoble, Francia, consiste en un cilindro que gira a 1200-1500 rpm (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). La combinación de un tiempo de residencia relativamente largo y una alta fuerza centrífuga permite que los contaminantes de baja densidad tengan tiempo suficiente para migrar al núcleo del limpiador, donde son rechazados a través de la descarga del vórtice central.

MT Thew, en Enciclopedia de la ciencia de la separación, 2000

Sinopsis

Aunque el sólido-líquidohidrociclónSi bien se estableció durante gran parte del siglo XX, la separación líquido-líquido satisfactoria no se logró hasta la década de 1980. La industria petrolera offshore necesitaba equipos compactos, robustos y confiables para eliminar el petróleo contaminante finamente dividido del agua. Esta necesidad se satisfizo con un tipo de hidrociclón significativamente diferente, que, por supuesto, no tenía partes móviles.

Luego de explicar esta necesidad más detalladamente y compararla con la separación ciclónica sólido-líquido en el procesamiento de minerales, se presentan las ventajas que el hidrociclón confiere sobre los tipos de equipos instalados anteriormente para cumplir con la tarea.

Se enumeran los criterios de evaluación del rendimiento de separación antes de analizar el rendimiento en términos de constitución de la alimentación, el control del operador y la energía requerida, es decir, el producto de la caída de presión y el caudal.

El entorno de producción petrolera impone ciertas limitaciones a los materiales, incluyendo el problema de la erosión por partículas. Se mencionan los materiales típicos utilizados. Se describen datos relativos al costo de los tipos de plantas de separación de petróleo, tanto de capital como recurrentes, aunque las fuentes son escasas. Finalmente, se describen algunas sugerencias para un mayor desarrollo, ya que la industria petrolera busca equipos instalados en el lecho marino o incluso en el fondo del pozo.

Muestreo, control y balance de masa

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., en Wills' Mineral Processing Technology (octava edición), 2016

3.7.1 Uso del tamaño de partícula

Muchas unidades, comohidrociclonesy los separadores de gravedad producen un grado de separación de tamaño y los datos del tamaño de partícula se pueden utilizar para equilibrar la masa (Ejemplo 3.15).

El ejemplo 3.15 es un ejemplo de minimización del desequilibrio de nodos; proporciona, por ejemplo, el valor inicial para la minimización por mínimos cuadrados generalizados. Este enfoque gráfico puede utilizarse siempre que haya un exceso de datos de componentes; en el ejemplo 3.9 podría haberse utilizado.

El ejemplo 3.15 utiliza el ciclón como nodo. Un segundo nodo es el sumidero: este es un ejemplo de dos entradas (alimentación fresca y descarga del molino de bolas) y una salida (alimentación del ciclón). Esto da como resultado otro balance de masa (ejemplo 3.16).

En el Capítulo 9 volvemos a este ejemplo de circuito de molienda utilizando datos ajustados para determinar la curva de partición del ciclón.

Hora de publicación: 07-May-2019