Hydrocyclones

HydrocyclonesLes hydrocyclones sont de forme cono-cylindrique, avec une entrée d'alimentation tangentielle dans la section cylindrique et une sortie sur chaque axe. La sortie située dans la section cylindrique, appelée vortex finder, s'étend à l'intérieur du cyclone afin de réduire le flux de court-circuit provenant directement de l'entrée. À l'extrémité conique se trouve la seconde sortie, le robinet. Pour la séparation granulométrique, les deux sorties sont généralement ouvertes à l'atmosphère. Les hydrocyclones fonctionnent généralement verticalement, le robinet étant situé à l'extrémité inférieure ; le produit grossier est ainsi appelé sous-flux et le produit fin, sortant du vortex finder, surflux. La figure 1 illustre schématiquement le principe de fonctionnement et les caractéristiques de conception d'un hydrocyclone typique.hydrocycloneLe cyclone est constitué de deux vortex, d'une entrée d'alimentation tangentielle et de sorties axiales. À l'exception de la zone immédiate de l'entrée tangentielle, le mouvement du fluide à l'intérieur du cyclone présente une symétrie radiale. Si l'une ou les deux sorties sont ouvertes à l'atmosphère, une zone de basse pression engendre un noyau de gaz le long de l'axe vertical, à l'intérieur du vortex interne.

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Figure 1. Principales caractéristiques de l'hydrocyclone.

Les hydrocyclones dominent la classification des particules fines (< 200 µm) dans les circuits de broyage fermés. Cependant, les récents progrès en matière de tamisage (chapitre 8) ont ravivé l'intérêt pour leur utilisation dans ces circuits. Les tamis séparent les particules en fonction de leur taille et ne sont pas directement influencés par la dispersion de densité des minéraux d'alimentation, ce qui peut constituer un avantage. De plus, ils ne présentent pas de fraction de contournement, contrairement à ce que montre l'exemple 9.2, qui peut être importante (plus de 30 % dans ce cas). La figure 9.8 illustre la différence de courbe de séparation entre cyclones et tamis. Ces données proviennent du concentrateur El Brocal au Pérou et ont été évaluées avant et après le remplacement des hydrocyclones par un Derrick Stack Sizer® (voir chapitre 8) dans le circuit de broyage (Dündar et al., 2014). Conformément aux attentes, le tamis a permis une séparation plus nette (pente de la courbe plus élevée) et un faible contournement, comparativement au cyclone. Une augmentation de la capacité du circuit de broyage a été constatée suite à la mise en place du tamis, en raison de taux de bris plus élevés. Ceci a été attribué à la suppression du canal de dérivation, réduisant ainsi la quantité de fines renvoyées aux broyeurs, ce qui tend à amortir les chocs entre particules.

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Figure 9.8. Courbes de partition pour les cyclones et les tamis dans le circuit de broyage du concentrateur El Brocal.

(Adapté de Dündar et al. (2014))

La géométrie et les conditions de fonctionnement au sein du modèle d'écoulement en spirale d'un système typiquehydrocycloneLes variables opérationnelles sont décrites dans la figure 8.13 : densité de la pulpe, débit d’alimentation, caractéristiques des solides, pression d’entrée d’alimentation et perte de charge dans le cyclone. Les variables du cyclone sont la section d’entrée d’alimentation, le diamètre et la longueur du vortex finder, et le diamètre de la sortie. La valeur du coefficient de traînée est également influencée par la forme : plus une particule s’écarte de la sphéricité, plus son facteur de forme est faible et plus sa résistance à la sédimentation est élevée. La zone de contrainte critique peut s’étendre à certaines particules d’or atteignant 200 mm ; un suivi attentif du processus de classification est donc essentiel pour limiter le recyclage excessif et l’accumulation de boues qui en résulte. Historiquement, la récupération de 150 µm était peu étudiée.μDans les grains d'or, le transfert d'or dans les fractions de boue semble avoir été largement responsable des pertes d'or qui ont été enregistrées comme atteignant 40 à 60 % dans de nombreuses opérations d'or alluvionnaire.

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8.13. Géométrie normale et conditions de fonctionnement d'un hydrocyclone.

La figure 8.14 (tableau de sélection Warman) présente une sélection préliminaire de cyclones pour la séparation de particules de différents diamètres D50, de 9 à 18 microns jusqu'à 33 à 76 microns. Ce tableau, comme d'autres tableaux de performance de cyclones, repose sur une alimentation contrôlée d'un type spécifique. Il prend comme première indication une teneur en solides de 2 700 kg/m³ dans l'eau. Les cyclones de plus grand diamètre sont utilisés pour les séparations grossières, mais nécessitent des volumes d'alimentation importants pour un fonctionnement optimal. Les séparations fines à volumes d'alimentation élevés requièrent des groupes de cyclones de petit diamètre fonctionnant en parallèle. Les paramètres de conception définitifs pour une séparation fine doivent être déterminés expérimentalement. Il est important de choisir un cyclone situé au milieu de la plage de sélection afin de pouvoir effectuer les ajustements mineurs nécessaires en début d'opérations.

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8.14. Tableau de sélection préliminaire de Warman.

Le cyclone CBC (lit circulant) est censé classer les matériaux aurifères alluvionnaires jusqu'à 5 mm de diamètre et obtenir une alimentation de jig à haut rendement et constante à partir du flux inférieur. La séparation a lieu à environD50/150 microns, calculés à partir de silice de densité 2,65. Le flux de fond du cyclone CBC est réputé particulièrement adapté à la séparation par jigging grâce à sa courbe de distribution granulométrique relativement régulière et à l'élimination quasi complète des fines particules de déchets. Cependant, bien que ce système soit censé produire en un seul passage un concentré primaire à haute teneur en minéraux lourds équants à partir d'une charge d'alimentation à large gamme granulométrique (par exemple, des sables minéraux), aucune donnée de performance n'est disponible pour les matériaux alluvionnaires contenant de l'or fin et lamellaire. Le tableau 8.5 présente les données techniques de l'AKW.hydrocyclonespour des points de coupure compris entre 30 et 100 microns.

Un hydrocyclone typique (figure 8.12a) se compose d'une cuve conique, ouverte à son sommet (ou entrée inférieure), reliée à une section cylindrique munie d'une entrée d'alimentation tangentielle. La partie supérieure de la section cylindrique est fermée par une plaque traversée par un tuyau de trop-plein axial. Ce tuyau est prolongé à l'intérieur du cyclone par un court tronçon amovible appelé « ventilateur », qui empêche l'alimentation de s'écouler directement dans le trop-plein. L'alimentation est introduite sous pression par l'entrée tangentielle, ce qui imprime un mouvement de rotation à la pulpe. Ceci génère un vortex dans le cyclone, avec une zone de basse pression le long de l'axe vertical, comme illustré sur la figure 8.12b. Un noyau d'air se forme le long de cet axe, normalement relié à l'atmosphère par l'ouverture supérieure, mais également créé par l'air dissous qui se libère de la solution dans la zone de basse pression. La force centrifuge accélère la sédimentation des particules, permettant ainsi leur séparation selon leur taille, leur forme et leur densité. Les particules à sédimentation rapide se déplacent vers la paroi du cyclone, où la vitesse est minimale, et migrent vers l'ouverture supérieure (écoulement inférieur). Sous l'effet de la force de traînée, les particules à sédimentation plus lente se déplacent vers la zone de basse pression le long de l'axe et sont entraînées vers le haut, à travers le vortex finder, jusqu'à l'écoulement supérieur.

 

Figure 8.12. Hydrocyclone (https://www.aeroprobe.com/applications/examples/australian-mining-industry-uses-aeroprobe-equipment-to-study-hydro-cyclone) et batterie d'hydrocyclones. Brochure de présentation de l'hydrocyclone Cavex, https://www.weirminerals.com/products_services/cavex.aspx.

Les hydrocyclones sont presque systématiquement utilisés dans les circuits de broyage en raison de leur capacité élevée et de leur rendement relatif. Ils permettent également un classement granulométrique sur une très large gamme de tailles (généralement de 5 à 500 μm), les unités de plus petit diamètre étant utilisées pour un classement plus fin. Cependant, l'utilisation de cyclones dans les circuits de broyage de magnétite peut entraîner un fonctionnement inefficace en raison de la différence de densité entre la magnétite et les minéraux résiduels (silice). La magnétite a une densité d'environ 5,15, tandis que celle de la silice est d'environ 2,7.hydrocyclonesLes minéraux denses se séparent à une granulométrie plus fine que les minéraux plus légers. Par conséquent, la magnétite libérée se concentre dans le flux inférieur du cyclone, ce qui entraîne un broyage excessif de la magnétite. Napier-Munn et al. (2005) ont noté que la relation entre la granulométrie corrigée (d50c) et la densité des particules suit une expression de la forme suivante en fonction des conditions d'écoulement et d'autres facteurs :

oùρs représente la densité des solides,ρl est la densité du liquide, etnse situe entre 0,5 et 1,0. Cela signifie que l'effet de la densité minérale sur les performances du cyclone peut être assez important. Par exemple, si lad50c de la magnétite est de 25 μm, alors led50 % des particules de silice auront une granulométrie de 40 à 65 μm. La figure 8.13 présente les courbes d'efficacité de classification par cyclone pour la magnétite (Fe3O4) et la silice (SiO2), obtenues lors de l'étude d'un circuit de broyage industriel de magnétite par broyeur à billes. La séparation granulométrique de la silice est beaucoup plus grossière.dLa valeur de 50c pour Fe3O4 est de 29 μm, tandis que celle de SiO2 est de 68 μm. De ce fait, les broyeurs à magnétite en circuit fermé avec hydrocyclones sont moins efficaces et ont une capacité inférieure à celle des autres circuits de broyage de minerais de base.

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Figure 8.13. Efficacité du cyclone pour la magnétite Fe3O4 et la silice SiO2 - enquête industrielle.

Nettoyeurs ouhydrocyclonesCes dispositifs permettent d'éliminer les contaminants de la pâte à papier en exploitant la différence de densité entre le contaminant et l'eau. Ils sont constitués d'une cuve sous pression conique ou cylindro-conique dans laquelle la pâte est introduite tangentiellement par l'extrémité de grand diamètre (Figure 6). Lors de son passage dans le nettoyeur, la pâte développe un écoulement tourbillonnaire, semblable à celui d'un cyclone. L'écoulement tourne autour de l'axe central en s'éloignant de l'entrée et en se dirigeant vers l'apex, ou orifice de sous-écoulement, situé le long de la paroi interne du nettoyeur. La vitesse de rotation de l'écoulement augmente à mesure que le diamètre du cône diminue. Près de l'apex, l'orifice de petit diamètre empêche l'évacuation de la majeure partie de l'écoulement, qui tourbillonne alors au cœur du nettoyeur. L'écoulement au niveau du noyau interne s'éloigne de l'orifice de l'apex jusqu'à son évacuation par le détecteur de vortex, situé à l'extrémité de grand diamètre, au centre du nettoyeur. Le matériau à densité plus élevée, ayant été concentré sur la paroi du nettoyeur en raison de la force centrifuge, est évacué au sommet du cône (Bliss, 1994, 1997).

 

Figure 6. Parties d'un hydrocyclone, principaux schémas d'écoulement et tendances de séparation.

Les nettoyeurs à flux inversé et les nettoyeurs à flux continu sont conçus pour éliminer les contaminants de faible densité tels que la cire, le polystyrène et les particules collantes. Les nettoyeurs à flux inversé sont ainsi nommés car le flux de matières acceptées est collecté à l'apex du nettoyeur tandis que le flux de matières rejetées est évacué par le trop-plein. Dans le nettoyeur à flux continu, les matières acceptées et rejetées sortent à la même extrémité du nettoyeur ; les matières acceptées se trouvent près de la paroi du nettoyeur, séparées des matières rejetées par un tube central situé près du cœur du nettoyeur, comme illustré sur la figure 7.

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Figure 7. Schéma d'un nettoyeur à flux continu.