Hidrociclones

Descrição

HidrociclonesOs hidrociclones têm formato cônico-cilíndrico, com uma entrada de alimentação tangencial na seção cilíndrica e uma saída em cada eixo. A saída na seção cilíndrica é chamada de localizador de vórtice e se estende para dentro do hidrociclone para reduzir o fluxo de curto-circuito diretamente da entrada. Na extremidade cônica está a segunda saída, o bocal. Para a separação por tamanho, ambas as saídas são geralmente abertas para a atmosfera. Os hidrociclones geralmente operam na vertical com o bocal na extremidade inferior; portanto, o produto grosso é chamado de fluxo inferior e o produto fino, que sai pelo localizador de vórtice, de fluxo superior. A Figura 1 mostra esquematicamente o fluxo principal e as características de projeto de um hidrociclone típico.hidrocicloneOs dois vórtices, a entrada de alimentação tangencial e as saídas axiais. Exceto na região imediata da entrada tangencial, o movimento do fluido dentro do ciclone tem simetria radial. Se uma ou ambas as saídas estiverem abertas para a atmosfera, uma zona de baixa pressão cria um núcleo de gás ao longo do eixo vertical, dentro do vórtice interno.

O princípio de funcionamento é simples: o fluido, carregando as partículas em suspensão, entra no ciclone tangencialmente, espirala para baixo e produz um campo centrífugo em fluxo de vórtice livre. As partículas maiores movem-se através do fluido para a parte externa do ciclone em um movimento espiral e saem pelo bocal com uma fração do líquido. Devido à área limitada do bocal, um vórtice interno, girando na mesma direção que o vórtice externo, mas fluindo para cima, é estabelecido e sai do ciclone pelo localizador de vórtice, carregando consigo a maior parte do líquido e as partículas mais finas. Se a capacidade do bocal for excedida, o núcleo de ar é fechado e a descarga do bocal muda de um jato em forma de guarda-chuva para um jato em forma de "corda", com perda de material grosso para o extravasor.

O diâmetro da seção cilíndrica é a principal variável que afeta o tamanho das partículas que podem ser separadas, embora os diâmetros de saída possam ser alterados independentemente para modificar a separação obtida. Enquanto os primeiros pesquisadores experimentaram com ciclones de apenas 5 mm de diâmetro, os hidrociclones comerciais atualmente variam de 10 mm a 2,5 m de diâmetro, com tamanhos de separação para partículas de densidade 2700 kg m⁻³ de 1,5 a 300 μm, diminuindo com o aumento da densidade das partículas. A queda de pressão operacional varia de 10 bar para diâmetros pequenos a 0,5 bar para unidades grandes. Para aumentar a capacidade, vários ciclones pequenos podem ser utilizados em conjunto.hidrociclonespode ser distribuído a partir de uma única linha de alimentação.

Embora o princípio de funcionamento seja simples, muitos aspectos de sua operação ainda são pouco compreendidos, e a seleção e a previsão de hidrociclones para operação industrial são em grande parte empíricas.

Classificação

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., em Wills' Mineral Processing Technology (Oitava Edição), 2016

9.4.3 Hidrociclones versus telas

Os hidrociclones passaram a dominar a classificação quando se trata de partículas finas em circuitos de moagem fechados (<200 µm). No entanto, os recentes avanços na tecnologia de peneiras (Capítulo 8) renovaram o interesse no uso de peneiras em circuitos de moagem. As peneiras separam com base no tamanho e não são diretamente influenciadas pela variação de densidade nos minerais de alimentação. Isso pode ser uma vantagem. As peneiras também não apresentam fração de bypass e, como mostrado no Exemplo 9.2, o bypass pode ser bastante grande (mais de 30% nesse caso). A Figura 9.8 mostra um exemplo da diferença na curva de partição entre ciclones e peneiras. Os dados são da planta de concentração El Brocal, no Peru, com avaliações antes e depois da substituição dos hidrociclones por um Derrick Stack Sizer® (ver Capítulo 8) no circuito de moagem (Dündar et al., 2014). De acordo com o esperado, em comparação com o ciclone, a peneira apresentou uma separação mais acentuada (inclinação da curva maior) e pouco bypass. Observou-se um aumento na capacidade do circuito de moagem devido às maiores taxas de quebra após a implementação da peneira. Isso foi atribuído à eliminação do desvio, reduzindo a quantidade de material fino que retorna aos moinhos de moagem, o que tende a amortecer os impactos entre as partículas.

A mudança não é unilateral, no entanto: um exemplo recente é a transição da peneira para o ciclone, para aproveitar a redução adicional do tamanho dos minerais mais densos (Sasseville, 2015).

Processo e projeto metalúrgico

Eoin H. Macdonald, em Manual de Exploração e Avaliação de Ouro, 2007

Hidrociclones

Os hidrociclones são as unidades preferidas para a classificação ou remoção de lodo de grandes volumes de polpa de forma econômica e por ocuparem pouco espaço no piso ou altura livre. Operam com maior eficácia quando alimentados com vazão e densidade de polpa uniformes, sendo utilizados individualmente ou em conjunto para obter as capacidades totais desejadas nas divisões necessárias. A capacidade de classificação depende das forças centrífugas geradas pelas altas velocidades de fluxo tangencial através da unidade. O vórtice primário formado pela polpa de entrada atua em espiral descendente ao redor da parede interna do cone. Os sólidos são lançados para fora pela força centrífuga, de modo que, à medida que a polpa se move para baixo, sua densidade aumenta. As componentes verticais da velocidade atuam para baixo perto das paredes do cone e para cima perto do eixo. A fração de lodo menos densa, separada centrifugamente, é forçada para cima através do localizador de vórtice para sair pela abertura na extremidade superior do cone. Uma zona intermediária ou envelope entre os dois fluxos tem velocidade vertical zero e separa os sólidos mais grossos que se movem para baixo dos sólidos mais finos que se movem para cima. A maior parte do fluxo sobe dentro do vórtice interno menor, e as forças centrífugas mais elevadas lançam as partículas maiores e mais finas para fora, proporcionando assim uma separação mais eficiente nas granulometrias mais finas. Essas partículas retornam ao vórtice externo e voltam a alimentar o jig.

A geometria e as condições de operação dentro do padrão de fluxo espiral de um típicohidrociclonesão descritas na Fig. 8.13. As variáveis operacionais são a densidade da polpa, a vazão de alimentação, as características dos sólidos, a pressão de entrada da alimentação e a queda de pressão através do ciclone. As variáveis do ciclone são a área da entrada de alimentação, o diâmetro e o comprimento do localizador de vórtice e o diâmetro de descarga do bocal. O valor do coeficiente de arrasto também é afetado pela forma; quanto mais uma partícula se desvia da esfericidade, menor é o seu fator de forma e maior a sua resistência à sedimentação. A zona de tensão crítica pode se estender a algumas partículas de ouro com até 200 mm de tamanho e, portanto, o monitoramento cuidadoso do processo de classificação é essencial para reduzir a reciclagem excessiva e o consequente acúmulo de lamas. Historicamente, quando pouca atenção era dada à recuperação de 150μOs grãos de ouro, juntamente com o arraste de ouro nas frações de lama, parecem ter sido os principais responsáveis pelas perdas de ouro, que chegaram a atingir 40-60% em muitas operações de mineração de ouro de aluvião.

A Figura 8.14 (Tabela de Seleção de Warman) apresenta uma seleção preliminar de ciclones para separação em diversas granulometrias D50, de 9 a 18 micrômetros até 33 a 76 micrômetros. Esta tabela, assim como outras tabelas de desempenho de ciclones, baseia-se em uma alimentação cuidadosamente controlada de um tipo específico. Assume-se um teor de sólidos de 2.700 kg/m³ em água como guia inicial para a seleção. Os ciclones de maior diâmetro são usados para produzir separações grosseiras, mas requerem altos volumes de alimentação para o funcionamento adequado. Separações finas com altos volumes de alimentação exigem conjuntos de ciclones de pequeno diâmetro operando em paralelo. Os parâmetros finais de projeto para granulometria precisa devem ser determinados experimentalmente, e é importante selecionar um ciclone em torno do meio da faixa de tamanho, para que quaisquer ajustes menores que possam ser necessários sejam feitos no início das operações.

O ciclone CBC (leito circulante) é capaz de classificar materiais aluviais auríferos com diâmetro de até 5 mm e obter uma alimentação consistentemente alta para jigagem a partir do fluxo inferior. A separação ocorre a aproximadamenteD50/150 mícrons com base em sílica de densidade 2,65. O fluxo inferior do ciclone CBC é considerado particularmente adequado para separação por jigagem devido à sua curva de distribuição granulométrica relativamente suave e à remoção quase completa de partículas finas de resíduos. No entanto, embora este sistema seja considerado capaz de produzir um concentrado primário de alta qualidade com minerais pesados equitativos em uma única passagem a partir de uma alimentação com uma faixa granulométrica relativamente ampla (por exemplo, areias minerais), não há dados de desempenho disponíveis para material de alimentação aluvial contendo ouro fino e em flocos. A Tabela 8.5 apresenta os dados técnicos para AKW.hidrociclonespara pontos de corte entre 30 e 100 micrômetros.

Tabela 8.5. Dados técnicos para hidrociclones AKW

Tipo (KRS)	Diâmetro (mm)	queda de pressão	Capacidade		Ponto de corte (microns)
Tipo (KRS)	Diâmetro (mm)	queda de pressão	Lama (m³/h)	Sólidos (t/h máx.).	Ponto de corte (microns)
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

Avanços nas tecnologias de cominuição e classificação de minério de ferro

A. Jankovic, em Minério de Ferro, 2015

8.3.3.1 Separadores de hidrociclone

O hidrociclone, também conhecido como ciclone, é um dispositivo de classificação que utiliza a força centrífuga para acelerar a taxa de sedimentação de partículas em suspensão e separá-las de acordo com o tamanho, a forma e a densidade. É amplamente utilizado na indústria mineral, principalmente como classificador no processamento de minerais, demonstrando extrema eficiência na separação de partículas de tamanho fino. É extensivamente utilizado em operações de moagem em circuito fechado, mas também encontra muitas outras aplicações, como deslamagem, remoção de areia e espessamento.

Um hidrociclone típico (Figura 8.12a) consiste em um recipiente cônico, aberto no ápice, ou fluxo inferior, unido a uma seção cilíndrica, que possui uma entrada de alimentação tangencial. O topo da seção cilíndrica é fechado por uma placa através da qual passa um tubo de transbordamento montado axialmente. O tubo se estende para dentro do corpo do ciclone por uma seção curta e removível, conhecida como localizador de vórtice, que impede o curto-circuito da alimentação diretamente para o transbordamento. A alimentação é introduzida sob pressão através da entrada tangencial, o que imprime um movimento de rotação à polpa. Isso gera um vórtice no ciclone, com uma zona de baixa pressão ao longo do eixo vertical, como mostrado na Figura 8.12b. Um núcleo de ar se desenvolve ao longo do eixo, normalmente conectado à atmosfera através da abertura do ápice, mas em parte criado pelo ar dissolvido que sai da solução na zona de baixa pressão. A força centrífuga acelera a taxa de sedimentação das partículas, separando-as de acordo com o tamanho, a forma e a densidade. As partículas que sedimentam mais rapidamente movem-se para a parede do ciclone, onde a velocidade é menor, e migram para a abertura do ápice (fluxo inferior). Devido à ação da força de arrasto, as partículas que sedimentam mais lentamente movem-se em direção à zona de baixa pressão ao longo do eixo e são transportadas para cima através do tubo de vórtice até o fluxo superior.

Os hidrociclones são quase universalmente utilizados em circuitos de moagem devido à sua alta capacidade e relativa eficiência. Eles também podem classificar uma ampla gama de tamanhos de partículas (tipicamente de 5 a 500 μm), sendo as unidades de menor diâmetro utilizadas para uma classificação mais fina. No entanto, a aplicação de ciclones em circuitos de moagem de magnetita pode causar operação ineficiente devido à diferença de densidade entre a magnetita e os minerais residuais (sílica). A magnetita tem uma densidade específica de cerca de 5,15, enquanto a sílica tem uma densidade específica de cerca de 2,7.hidrociclonesMinerais densos se separam em tamanhos de corte mais finos do que minerais mais leves. Portanto, a magnetita liberada está sendo concentrada no fluxo inferior do ciclone, com consequente sobre-moagem da magnetita. Napier-Munn et al. (2005) observaram que a relação entre o tamanho de corte corrigido (d50c) e a densidade de partículas segue uma expressão da seguinte forma, dependendo das condições de fluxo e de outros fatores:

d50c∝ρs−ρl−n

ondeρs é a densidade do sólido,ρl é a densidade do líquido, enestá entre 0,5 e 1,0. Isso significa que o efeito da densidade mineral no desempenho do ciclone pode ser bastante significativo. Por exemplo, se od50c da magnetita é 25 μm, então od50c de partículas de sílica terão 40–65 μm. A Figura 8.13 mostra as curvas de eficiência de classificação do ciclone para magnetita (Fe3O4) e sílica (SiO2) obtidas a partir do levantamento de um circuito de moagem de magnetita em moinho de bolas industrial. A separação por tamanho para a sílica é muito mais grosseira, com umdO tamanho de partícula do Fe3O4 é de 29 μm, enquanto o do SiO2 é de 68 μm. Devido a esse fenômeno, os moinhos de moagem de magnetita em circuitos fechados com hidrociclones são menos eficientes e têm menor capacidade em comparação com outros circuitos de moagem de base metálica.

Tecnologia de Processos de Alta Pressão: Fundamentos e Aplicações

MJ Cocero PhD, na Biblioteca de Química Industrial, 2001

dispositivos de separação de sólidos

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Hidrociclone

Este é um dos tipos mais simples de separadores de sólidos. É um dispositivo de separação de alta eficiência, capaz de remover sólidos com eficácia em altas temperaturas e pressões. É econômico por não possuir partes móveis e exigir pouca manutenção.

A eficiência de separação para sólidos é fortemente dependente do tamanho das partículas e da temperatura. Eficiências de separação brutas próximas de 80% são alcançáveis para sílica e temperaturas acima de 300°C, enquanto na mesma faixa de temperatura, as eficiências de separação brutas para partículas de zircão mais densas são maiores que 99% [29].

A principal desvantagem da operação de hidrociclones é a tendência de alguns sais aderirem às paredes do ciclone.

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microfiltração cruzada

Os filtros de fluxo cruzado comportam-se de maneira semelhante à observada normalmente na filtração de fluxo cruzado em condições ambientais: o aumento das taxas de cisalhamento e a redução da viscosidade do fluido resultam em um aumento do número de partículas filtradas. A microfiltração cruzada tem sido aplicada à separação de sais precipitados como sólidos, apresentando eficiências de separação de partículas tipicamente superiores a 99,9%. (Goemans)e outros.[30] estudaram a separação de nitrato de sódio de água supercrítica. Nas condições do estudo, o nitrato de sódio estava presente como sal fundido e era capaz de atravessar o filtro. Foram obtidas eficiências de separação que variaram com a temperatura, uma vez que a solubilidade diminui com o aumento da temperatura, variando entre 40% e 85%, para 400 °C e 470 °C, respectivamente. Esses pesquisadores explicaram o mecanismo de separação como consequência de uma permeabilidade distinta do meio filtrante em relação à solução supercrítica, em oposição ao sal fundido, com base em suas viscosidades claramente distintas. Portanto, seria possível filtrar não apenas sais precipitados simplesmente como sólidos, mas também aqueles sais de baixo ponto de fusão que estão em estado fundido.

Os problemas operacionais foram causados principalmente pela corrosão do filtro pelos sais.

Papel: Reciclagem e Materiais Reciclados

MR Doshi, JM Dyer, em Reference Module in Materials Science and Materials Engineering, 2016

3.3 Limpeza

Faxineiros ouhidrociclonesA remoção de contaminantes da polpa baseia-se na diferença de densidade entre o contaminante e a água. Esses dispositivos consistem em um vaso de pressão cônico ou cilíndrico-cônico, no qual a polpa é alimentada tangencialmente pela extremidade de maior diâmetro (Figura 6). Durante a passagem pelo limpador, a polpa desenvolve um padrão de fluxo vorticoso, semelhante ao de um ciclone. O fluxo gira em torno do eixo central à medida que se afasta da entrada e se dirige para o ápice, ou abertura de fluxo inferior, ao longo da parede interna do limpador. A velocidade do fluxo rotacional acelera à medida que o diâmetro do cone diminui. Próximo à extremidade do ápice, a abertura de menor diâmetro impede a descarga da maior parte do fluxo, que, em vez disso, gira em um vórtice interno no núcleo do limpador. O fluxo no núcleo interno se afasta da abertura do ápice até ser descarregado pelo localizador de vórtice, localizado na extremidade de maior diâmetro, no centro do limpador. O material de maior densidade, tendo sido concentrado na parede do limpador devido à força centrífuga, é descarregado no ápice do cone (Bliss, 1994, 1997).

Os limpadores são classificados como de alta, média ou baixa densidade, dependendo da densidade e do tamanho dos contaminantes a serem removidos. Um limpador de alta densidade, com diâmetro variando de 15 a 50 cm (6 a 20 polegadas), é usado para remover metais estranhos, clipes de papel e grampos, e geralmente é posicionado imediatamente após o despolpador. À medida que o diâmetro do limpador diminui, sua eficiência na remoção de contaminantes de pequeno porte aumenta. Por razões práticas e econômicas, o ciclone de 75 mm (3 polegadas) de diâmetro é geralmente o menor limpador usado na indústria de papel.

Os limpadores de fluxo reverso e os limpadores de fluxo contínuo são projetados para remover contaminantes de baixa densidade, como cera, poliestireno e materiais adesivos. Os limpadores de fluxo reverso recebem esse nome porque o fluxo de materiais aceitos é coletado no ápice do limpador, enquanto o fluxo de materiais rejeitados sai pelo transbordamento. No limpador de fluxo contínuo, os materiais aceitos e rejeitados saem pela mesma extremidade do limpador, com os materiais aceitos próximos à parede do limpador, separados dos rejeitados por um tubo central próximo ao núcleo do limpador, conforme mostrado na Figura 7.

As centrífugas contínuas utilizadas nas décadas de 1920 e 1930 para remover areia da polpa foram descontinuadas após o desenvolvimento dos hidrociclones. O Gyroclean, desenvolvido no Centre Technique du Papier, em Grenoble, França, consiste em um cilindro que gira a 1200–1500 rpm (Bliss, 1997; Julien Saint Amand, 1998, 2002). A combinação de um tempo de residência relativamente longo e uma alta força centrífuga permite que contaminantes de baixa densidade tenham tempo suficiente para migrar para o núcleo do limpador, onde são rejeitados pela descarga do vórtice central.

MT Thew, em Enciclopédia da Ciência da Separação, 2000

Sinopse

Embora o sólido-líquidohidrocicloneEmbora a tecnologia de separação líquido-líquido tenha sido estabelecida durante a maior parte do século XX, um desempenho satisfatório nesse quesito só foi alcançado na década de 1980. A indústria petrolífera offshore necessitava de equipamentos compactos, robustos e confiáveis para remover óleo contaminante finamente dividido da água. Essa necessidade foi atendida por um tipo significativamente diferente de hidrociclone, que, naturalmente, não possuía partes móveis.

Após explicar essa necessidade mais detalhadamente e compará-la com a separação ciclônica sólido-líquido no processamento mineral, são apresentadas as vantagens que o hidrociclone conferiu em relação aos tipos de equipamentos instalados anteriormente para atender a essa necessidade.

Os critérios de avaliação do desempenho da separação são listados antes de se discutir o desempenho em termos de composição da alimentação, controle do operador e energia necessária, ou seja, o produto da queda de pressão e da vazão.

O ambiente de produção de petróleo impõe algumas restrições aos materiais, incluindo o problema da erosão por partículas. Os materiais típicos utilizados são mencionados. Dados relativos aos custos para diferentes tipos de plantas de separação de petróleo, tanto de capital quanto recorrentes, são apresentados, embora as fontes sejam escassas. Por fim, são descritas algumas indicações para desenvolvimentos futuros, visto que a indústria petrolífera busca equipamentos instalados no leito marinho ou mesmo no fundo do poço.

Amostragem, Controle e Balanço de Massa

Barry A. Wills, James A. Finch FRSC, FCIM, P.Eng., em Wills' Mineral Processing Technology (Oitava Edição), 2016

3.7.1 Utilização do tamanho das partículas

Muitas unidades, comohidrociclonese separadores por gravidade, produzem um certo grau de separação por tamanho e os dados de tamanho das partículas podem ser usados para balanço de massa (Exemplo 3.15).

O Exemplo 3.15 é um exemplo de minimização do desequilíbrio de nós; ele fornece, por exemplo, o valor inicial para a minimização por mínimos quadrados generalizados. Essa abordagem gráfica pode ser usada sempre que houver dados de componentes "em excesso"; no Exemplo 3.9, ela poderia ter sido usada.

O Exemplo 3.15 utiliza o ciclone como nó. Um segundo nó é o reservatório: este é um exemplo com 2 entradas (alimentação fresca e descarga do moinho de bolas) e uma saída (alimentação do ciclone). Isso resulta em outro balanço de massa (Exemplo 3.16).

No Capítulo 9, retornamos a este exemplo de circuito de moagem usando dados ajustados para determinar a curva de partição do ciclone.

Horário da postagem: 07/05/2019