129328262 Aplicacion de Hidrociclones en Procesamiento de Minerales [Reparado]

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APLICACIÓN DE HIDROCICLONES EN PROCESAMIENTO DE MINERALES ICBA Por: Pedro Hugo López Príncipe

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APLICACIÓN DE HIDROCICLONES

EN PROCESAMIENTO DE

MINERALES

ICBA

Por: Pedro Hugo López Príncipe

ICBA

Contenido

1. Introducción

2. Clasificación e hidrociclones

4. Tipos de hidrociclones aplicados en el circuito de molienda

5. Aplicación de hidrociclones en el circuito de molienda

3. Características mecánicas y parámetros de hidrociclones

7. Nidos de hidrociclones

6. Selección y dimensionamiento de hidrociclones

ICBA

1.- Introducción

ICBA

La planta de molienda en la operación de procesamiento de minerales

normalmente consta de dos o tres circuitos, cuyo objetivo es liberar el mineral en

forma adecuada para poder proceder a su concentración, para esto es necesario

reducir su tamaño desde sus dimensiones iniciales de alrededor de 15 mm hasta

un producto de 48 – 100 mallas, de acuerdo a las necesidades. Esto se hace

generalmente en dos etapas: la primera, desde el tamaño de descarga de la planta

de chancado hasta un producto de aproximadamente 10 mallas y, la segunda,

desde 10 mallas hasta el producto liberado de 48-100 mallas.

Las operaciones de reducción de tamaño son caras por el alto consumo de

energía, alto costo de los medios de molienda y desgaste de los equipos. Por estas

razones se trata de limitarlas a lo estrictamente necesario, por lo que no se debe

moler el mineral más de lo determinado por las necesidades metalúrgicas, entre

ellas también la muy importante de evitar la producción de lamas finas. Por eso,

con las operaciones de molienda se intercalan operaciones de clasificación cuyo

fin es eliminar del circuito de molienda las partículas minerales que ya han

adquirido el tamaño adecuada.

ICBA

Para el circuito de molienda primaria se usan molinos cilíndricos, que tienen la

ventaja del buen rendimiento y gran capacidad. Estos molinos pueden usar

barras o bolas de acero como medio de molienda. Las barras se usan cuando es

de fundamental importancia producir una descarga pareja y sin lamas. Las bolas

se usan cuando el mineral no produce muchas lamas. Los circuitos secundarios

de molienda están constituidas siempre por molinos de bolas.

Si se usan molinos de barras no es necesario intercalar clasificadores en el

circuito porque el mineral ya sale de una granulometría pareja y no requiere

separaciones adicionales. En los circuitos primarios con molinos de bolas es

necesario usar clasificadores para eliminar el fino y devolver el sobrante a la

molienda adicional.

El rebalse del circuito primario de molienda generalmente va a los clasificadores

del circuito secundario para evitar la sobremolienda y separar el mineral ya

liberado.

Los molinos secundarios siempre trabajan en combinación con clasificadores

cuya función es entregar al circuito de flotación el mineral granulometricamente

preparado.

ICBA Los equipos tradicionales para el proceso de clasificación eran los clasificadores

mecánicos, que todavía se usan en muchas industrias. Sin embargo, en los

últimos años se han reemplazado por los hidrociclones, que, aparte de ser equipos

más baratos, ocupan un espacio muy pequeño. Además, los ciclones son los

mejores clasificadores, pues para la misma granulometría de clasificación

necesitan menos agua que los convencionales y tienen una enorme flexibilidad en

el trabajo.

ICBA Circuito abierto

La velocidad de la alimentación debe ser suficientemente baja como para

asegurar que cada partícula permanezca un tiempo justo en el molino

para ser quebrada hasta el tamaño del producto deseado.

ICBA Circuito cerrado

La operación en circuito cerrado no realiza gran esfuerzo para efectuar

reducción de partículas de todos tamaños en un solo paso, pero sí dificulta

extraer el material del circuito tan pronto cuando alcanza el tamaño necesario.

Molino de bolas

Hidrociclón

Producto

Nuevo alimento

El material que regresa al molino por el clasificador se conoce como la carga

circulante y su valor se expresa como un porcentaje del peso descargado respecto

al peso del alimento total del hidrociclón.

ICBA

2.- Clasificación

e hidrociclones

ICBA

La clasificación cubre una amplia variedad de operaciones efectuadas, en

máquinas que se diferencian en apariencia y en la manera en que funcionan.

Las operaciones de clasificación se efectúan en diferentes tipos de aparatos,

tales como los clasificadores helicoidales, rastrillos ó hidrociclones.

La clasificación esta definida como la separación de un conjunto de partículas

de tamaños heterogéneos en dos porciones, cada una conteniendo partículas de

granulometría u otra propiedad más específica que el conjunto original. La

clasificación se realiza por diferencias de tamaño y de gravedad específica y

forma que originan diferentes velocidades de sedimentación entre las partículas

en un fluido (agua o aire), cuando sobre ellas actúan campos de fuerzas como

el gravitatorio, centrífugo, magnético, eléctrico u otros.

ICBA

La importancia de la granulometría en la concentración de minerales

Para la flotación todo mineral tiene que haber sido reducido en su tamaño

hasta tal punto que cada partícula represente una sola especie mineralógica

(liberación); por otra parte su tamaño tiene que ser apropiado para que las

burbujas de aire los puedan llevar hasta la superficie de las celdas de flotación.

Dicho de otro modo, existe un tamaño máximo de las partículas que se pueden

flotar. Este tamaño máximo, depende de la naturaleza del mineral mismo y de

su peso específico.

ICBA Hidrociclón: generalidades

El hidrociclón fue patentado por Bretney el 26 de Mayo de 1891, en los Estados Unidos

de América. Pero en la industria minera fue introducido por primera vez por los

holandeses y sudafricanos en los años de 1940 y posteriormente en Norteamérica en la

década de 1950. La industria minera es el principal usuario de los hidrociclones,

siendo aplicado en clasificación de líquidos, espesamiento, lavado de sólidos y

operaciones de ordenamiento de partículas ya sea por densidad o forma.

Actualmente, este equipo es aplicado también en muchos otros tipos de industria tales

como la química, petroquímica, textil, azucarera, y otros. Los hidrociclones han

reemplazado a los clasificadores mecánicos debido a su versatilidad, simplicidad, su

reducido tamaño, relativo bajo costo de manutención y porque resulta más eficaz

especialmente para los tamaños finos.

ICBA

Teoría clásica de clasificación con hidrociclones

fuerza centrífuga fuerza de arrastre

radio

Las partículas en suspensión en la pulpa dentro del hidrociclón están

sometidos bajo dos fuerzas opositoras: la fuerza centrífuga que actúa hacia

las paredes, y la otra hacia el interior del hidrociclón. Las partículas con

mayor peso específico y/o tamaño tendrán mayor posibilidad de salir a

través de la descarga, y las partícula de menor peso específico y/o tamaño

tendrán mayor posibilidad de salir por el rebose.

ICBA Principales corrientes de flujo dentro de un hidrociclón

La pulpa conteniendo partículas que se desea clasificar, se alimenta al ciclón en

forma tangencial a la altura de la parte cilíndrica originando un torbellino a lo largo

de la superficie interior de las partes cilíndrica y cónica, que arrastrará partículas

gruesas a la descarga situada en la parte inferior del vértice cónico (ápex).

El líquido conteniendo partículas finas es forzado en un alto porcentaje a evacuar el

ciclón por el vortex, originando un torbellino secundario que asciende por el núcleo

central formado por el torbellino primario. En el interior del núcleo central se capta

el aire que ingresa por el orificio del apex ó disuelto en el agua de la pulpa

alimentada.

De lo anterior puede asumirse en forma simplificada que son dos las tendencias que

producen la clasificación en el hidrociclón; la primera, de arrastre hidrodinámico

que originará que las partículas finas ó con poca masa sean conducidas al vortex por

el agua de la pulpa alimentada y la segunda, de carácter centrífugo que impulsará

las partículas de mayor masa a las paredes del ciclón y luego de una trayectoria

helicoidal al apex.

ICBA

Las partículas que tengan un tamaño para el cual las dos tendencias

sean equivalentes, podrán ser evacuadas por el rebose ó la descarga.

Este tamaño es el denominado d50.

ICBA Eficiencia de hidrociclones

La eficiencia de clasificación de partículas por tamaño se ilustra comúnmente

con curvas de clasificación tipo “TROMP”. %

de

alim

ento

a la d

escarg

a

a

Tamaño de partícula, d(µ)D50c0

0D50

50

Yi vs. d

curva real

100

curva corregida Yi' vs. d

El parámetro “a”, se

define como la fracción

fina de la alimentación al

hidrociclón cortocircuitada

= reporte de agua hacia el

underflow.

Yi es la eficiencia real para

partículas de tamaño d,

mientras Yi’ es la eficiencia

corregida.

ICBA

Realizando un balance de masa integral, se puede establecer la siguiente

relación matemática entre las curvas de eficiencia real y corregida:

aa1YY'

i

a = fracción en peso correspondiente al bypass

Donde:

Y = eficiencia real para partículas de tamaño d

Yi ' = eficiencia corregida para partículas de tamaño d

Yi' (1-a) = fracción en peso de partículas de tamaño d realmente clasificada

= reporte del agua hacia la descarga

ICBA

3.- Características mecánicas y

parámetros básicos de los

hidrociclones

ICBA Características mecánica de los hidrociclones

El hidrociclón es un equipo mecánico muy simple que no posee partes móviles, tiene

una forma cónica – cilíndrica cuyo diámetro puede variar desde media pulgada hasta

alrededor de 50 pulgadas. El peso de los hidrociclones puede variar desde medio

kilogramo hasta 1 tonelada, dependiendo de sus dimensiones y de los materiales con

los que fue fabricado. La razón entre largo y diámetro puede variar desde 1 hasta 10,

dependiendo de la aplicación de los hidrociclones.

En la parte superior de las sección cilíndrica del hidrociclón se halla un disco que es

atravesado por un orificio de salida denominado vortex finder, que es a su vez el

orificio más grande que tiene el hidrocicón y permite la salida de gran parte del

líquido conjuntamente con la mayor parte de finos que han alcanzado a ser

separados. El fondo de la parte cilíndrica es conectado con un cono, o en ocasiones

con otro cilindro. El diámetro más grande del cono es igual al diámetro de la parte

cilíndrica y el diámetro más pequeño igual al diámetro del orificio de descarga o

apex por donde se desalojan las partículas más gruesas.

ICBA Diagrama pictórico de un hidrociclón

ICBA Parámetros básicos de un hidrociclón estándar

Los hidrociclones son fabricados con cubiertas de metal ensamblados con

revestimientos interiores reemplazables de materiales resistentes a la abrasión tales

como: elastómeros, cerámicos o aleaciones.

Un hidrociclón estándar es aquel que posee las relaciones geométricas entre su

propio diámetro, área de entrada (inlet), abertura de rebalse (vortex), abertura de

descarga (apex) y el largo adecuado para proveer mayor tiempo de permanencia de

las partículas dentro del hidrociclón para la clasificación de las partículas.

La capacidad y las características de clasificación de las partículas para cada

hidrociclón pueden ser modificados en un rango amplio por medio de selección de

los parámetros, como por ejemplo a menor diámetro del hidrociclón y vortex se

reducirá su capacidad pero permitirá una clasificación más fina.

ICBA Inlet del hidrociclón

La abertura de entrada a la cámara de alimentación(inlet), es normalmente un

orificio rectangular que tiene una dimensión mayor en el sentido paralelo al eje del

hidrociclón. El valor de área del inlet corresponde aproximadamente el 7% del área

de la sección cilíndrica. El tamaño d50 se incrementa al aumentar el diámetro de

entrada de la alimentación.

ICBA

Cuerpo cilíndrico

El parámetro más importante es quizás el diámetro del cuerpo cilíndrico o del

hidrociclón, puesto que el tamaño de separación de las partículas depende

principalmente de su diámetro. La separación de partículas pequeñas

requiere de hidrociclones pequeños y la separación de partículas mayores

requiere de hidrociclones grandes. Aquello significa que en la selección del

tamaño del hidrociclón no interviene directamente el flujo a procesar y que

esto solo aparece para establecer el número de hidrociclones que sean

necesarios. Para un ciclón estándar la altura de la sección cilíndrica es igual

a su diámetro interior.

La función del cuerpo cilíndrico es alargar el hidrociclón para incrementar el

tiempo de permanencia de las partículas en su interior.

ICBA Tamaño de separación de las partículas Vs. Ø del ciclón

ICBA

Sección cónica ciclón

El ángulo envuelto de la sección cónica del ciclón, es normalmente entre 10º y 20º

y su función, al igual que la sección cilíndrica, es proveer el tiempo de retención.

Con el incremento de la longitud del ciclón, el tamaño de corte de clasificación se

disminuirá. Existen dos formas de incrementar la longitud del ciclón:

extendiendo la longitud de la sección cilíndrica y/o reduciendo el ángulo del cono.

Para ciclones menores a 15 pulgadas de diámetro se recomienda un cuerpo

cilíndrico adicional. Al reducir el ángulo de la sección cónica se conseguirá un

underflow de baja densidad, el cual producirá mayor cantidad de finos

cortocircuitados.

ICBA Vortex finder

Su principal función es controlar el tamaño de separación y el flujo de salida de la

pulpa, su altura se extiende hasta por debajo de la entrada de alimentación (inlet)

para impedir el corto circuito del flujo de alimentación hacia el flujo de rebalse.

Para un ciclón estándar el diámetro interior del vortex finder corresponde alrededor

de 35 % del diámetro del hidrociclón. El tamaño d50 de la partícula se incrementa al

aumentar el diámetro del vortex.

ICBA Capacidad del ciclón vs. caída de presión

La capacidad del ciclón se incrementa al aumentar el diámetro del vortex.

Temperatura: ambiente, Ø apex: ½ Ø vortex

Ø ciclón: 20”

ICBA Apex

El diámetro del orificio de descarga de gruesos (apex) esta determinado para cada

aplicación y debe ser lo suficientemente grande para permitir que las partículas

gruesas separadas por ciclón se descarguen sin atochamiento así como para el

ingreso de aire que será establecida a lo largo del eje del ciclón y descargada a

través del overflow. Normalmente este diámetro varía entre 10% y 35% del

diámetro del ciclón. Su relación con el tamaño d50 de la partícula es de proporción

inversa, es decir, a mayor diámetro de apex menor d50.

Este diámetro también determina el porcentaje de sólidos de la descarga, el cual

deberá ser lo más alto posible, puesto que cuanto menor sea la cantidad de agua en

la descarga, menor cantidad de partículas pasarán a este flujo por cortocircuito.

ICBA Sin embargo no deberá ser tan alto como para que se produzca el efecto

conocido como ensogado que generalmente se manifiesta por un chorro

de descarga del mismo diámetro que el apex, lo que altera el torbellino

secundario disminuyendo la eficiencia de separación. Por otra parte,

las partículas diluidas producen en la descarga el efecto conocido como

paraguas que se presenta como una descarga de cono muy amplio.

El ángulo del cono formado por el flujo de la descarga debe ser

alrededor de 20 a 30º.

ICBA Capacidad de apex

La siguiente curva nos permite determinar el diámetro aproximado del

apex para un tonelaje de underflow dado.

Gravedad específica de sólidos: 2.5 – 3.2

% de sólidos: 60 - 80

ICBA

4.- Tipos de hidrociclones

Aplicados en el circuito de

molienda

ICBA

En las operaciones de procesamiento de minerales, los

tipos de ciclones más comunes actualmente empleado

son:

Ciclones verticales,

Ciclones horizontales,

Ciclones de fondo plano, y

Ciclones con Ciclowash.

ICBA Hidrociclones con entrada voluta

Los hidrociclones con entrada voluta ofrecen ventajas frente a los

hidrociclones convencionales (entrada tangencial), tales como: Menor

turbulencia, mayor capacidad volumétrica por ciclón, mejor eficiencia de

clasificación y también mejor comportamiento al desgaste del revestimiento.

ICBA Ciclones horizontales

Los ciclones horizontales desalojan menor cantidad de finos (corto circuito) por el

underflow de alta densidad, producen menor carga circulante y permiten mayor

tiempo de duración de revestimiento. Sin embargo, estos ciclones logran una

separación de partículas más gruesas con respecto a los de verticales y para

compensarlo, la pulpa de alimentación de los ciclones horizontales deberá ser de

menor densidad; aquello significará un corte fino pero con la disminución de

densidad de pulpa en el overflow.

ICBA Ciclones de fondo plano

El ciclón de fondo plano tiene una forma cilíndrica con fondo

completamente plano. El principio de funcionamiento de este

hidrociclón es parecido a los ciclones convencionales, con la única

diferencia que en estos ciclones se forma una cama de partículas

gruesas en la base, el cual rota alrededor del eje del ciclón. Los ciclones

de fondo plano tiene similitud operacional con los ciclones horizontales

en los siguientes aspectos:

La densidad del underflow es alta y con menor cantidad de finos

debido al corto circuito.

Ambos efectúan separación gruesa. Por consiguiente, para tamaño

de corte fino y mejor performance se requiere una dilución adicional.

La selección del Ø de apex no es crítica, es decir se puede

seleccionar en un amplio rango para evitar atoramiento o

ensogamiento.

ICBA

feed

overflow

underflow

Por la forma de operación de lecho circulante, el ciclón de fondo plano

permite un tiempo de duración del revestimiento corto; mientras que el

revestimiento del ciclón horizontal tiene un tiempo de duración larga (triple

con respecto a los ciclones verticales), debido a la corriente de pulpa no

brusca dentro del ciclón.

ICBA Curva real de performance de ciclones

ICBA Ciclones con Cyclowash

Cyclowash es un dispositivo auxiliar de los ciclones que mejora el performance

de deslamado de ciclones. El cyclowash permite la inyección de agua a través de

pequeñas toberas, para que las partículas finas arrastradas por la pulpa del

underflow sea desplazados y descargados con el overflow del ciclón.

El cyclowash está instalado entre las dos secciones cónicas. La clasificación

normal se lleva a cabo en la parte superior del ciclón para dar una primera etapa

de deslamado y el cyclowash está situado para que la inyección del agua diluya el

underflow parcialmente espesado. En seguida, se lleva a cabo una segunda

clasificación cuando los finos son elevados para juntarse al overflow normal del

ciclón; las partículas gruesas son espesadas y se descargan a través del orificio

del apex como un underflow plenamente deslamado.

ICBA

Cyclowash es utilizado con gran éxito en deslamado de los relaves de flotación,

para que el underflow sea utilizado ya sea como relleno hidraulico o muros de

contención de las relaveras.

ICBA

5.- Aplicación de hidrociclones en el circuito de molienda

ICBA

En este circuito, la pulpa proveniente de la molienda primaria va directamente

al molino, la descarga del cual es alimentado al ciclón para su respectiva

clasificación. El overflow es el producto, y el underflow retorna al molino para

que sea remolida conjuntamente con el nuevo alimento.

Molino de bolas

Hidrociclón

Producto

Nuevo alimento

Circuito cerrado directo

ICBA Circuito cerrado inverso

En este circuito, la pulpa de alimentación al circuito y la descarga del molino se

mezclan y son clasificados en el mismo ciclón. El overflow es el producto, y el

underflow retorna hacia el molino para su posterior remolienda.

Molino de bolas

Nuevo alimento

Producto

ICBA Circuito de molienda directa con remolienda

En este circuito el alimento ingresa al molino primario, la descarga se va al

hidrociclón primario; el underflow retorna al molino y el overflow se mezclan

con la descarga del molino para que sean clasificados en el hidrociclón

secundario. El overflow es el producto mientras que el underflow retorna al

molino para su remolienda.

Nuevo alimento

Producto

ICBA Circuito de molienda con dos etapas de clasificación

En algunos casos para optimizar el performance de los ciclones es necesario

utilizar dos ciclones. El alimento del circuito como alimento del ciclón

primario; el overflow de ambos ciclones es el producto, mientras que el

underflow de ambos es el alimento del molino. La descarga del molino es el

alimento al ciclón secundario.

Nuevo alimento

Producto

ICBA

6.- Selección y dimensionamiento de hidrociclones

ICBA

Dimensionamiento de hidrociclones

La formulación tradicional utilizada durante varios años establece que el

desempeño del equipo de sus dimensiones y de las proporciones entre ellas, de

las propiedades físicas del sistema fluído – partícula (densidad del sólido y del

fluido, viscocidad del fluído, distribución granulométrica de las partículas) y

de las condiciones operacionales (presión y concentración de sólidos en la

alimentación). Dentro de este contexto, el dimensionamiento del hidrociclón

es generalmente hecha a través del tamaño de corte de las partículas, de las

densidades de sólido y del flujo y de la caída de presión.

La siguiente metodología fue propuesta por R. Arterbum en 1 976, y es la más

utilizada en la actualidad por estar respaldada por una gran cantidad de

pruebas experimentales.

ICBA

d50c = Es el tamaño de corte a la que debe trabajar el

hidrociclón en la operación industrial.

Dc = Diámetro interno de la sección cilíndrica del hidrociclón (cm).

Donde:

1.- Ecuación de tamaño de corte de aplicación

Formulación Clásica para el Dimensionamiento de

hidrociclones

66.0

c32150c DFFF2.837d

ICBA Corrección de gravedad específica de sólidos en agua

fs

1ρρ

65.1F

F1 = Factor de corrección para la densidad del sólido alimentado al

hidrociclón.

ρs = densidad del sólido

(gr/cm)

ρf = densidad del fluído

(gr/cm)

ICBA Corrección para concentración de alimentación

F2 = Factor de corrección para el porcentaje de sólidos en el volumen

alimentado al hidrociclón.

Φ = % de sólidos en volumen

43.1

253.0

53.0F

ICBA Corrección para caída de presión

F3 = Factor de corrección para la presión de alimentación al hidrociclón.

28.0

3 P27.3F

∆P = Caída de presión en la

alimentación (kPa)

ICBA Capacidad de los hidrociclones

El volumen de la pulpa que puede tomar un hidrociclón esta relacionado con

la presión en la alimentación.

ICBA

Q = Es el caudal de alimentación para un hidrociclón

(m3h).

Donde:

2.- Ecuación de capacidad volumétrica

∆P = Caída de presión en la alimentación (kPa).

Dc = Diámetro interno de la sección cilíndrica del

hidrociclón (cm).

87.1

c

0.5 DP01476.0Q

ICBA

Q = Caudal de alimentación para un hidrociclón.

Donde:

3.- Numero de hidrociclones

Nc = Número de hidrociclones requeridos.

Luego de establecer el flujo de alimentación a cada hidrociclón, el

número de hidrociclones a emplear será:

Q(total) = Caudal de alimentación para un hidrociclón.

Q

QN

(total)

c

ICBA Ejemplo de dimensionamiento de hidrociclones

ICBA

7.- Nidos de hidrociclones

ICBA

La instalación de múltiples hidrociclones debe ser diseñada de tal manera que

todos los ciclones reciban una porción igual de pulpa en cuanto a

concentración y distribución en tamaño desde un sistema de alimentación, y

operar bajo la misma caída de presión.

Nido radial, y

Tradicionalmente en el circuito de molienda se ha utilizado dos tipos de

nidos:

Nido lineal.

Siendo el último rara vez utilizado debido a que genera problemas durante la

operación, como el no suministro de pulpa homogénea a todos los

hidrociclones en el nido.

En ambos casos, un manómetro con diafragma de protección es instalado en

el tubo distribuidor, que también puede ser colocado en las bridas de

alimentación de cada uno de los hidrociclones.

ICBA Nido radial

En este nido los ciclones son montados radialmente alrededor del distribuidor

central vertical de tal manera que todos ellos obtengan pulpa de alimentación

de similar característica. Este nido es la más aplicada en los circuitos de

molienda, por la distribución homogenea que provee a todos los ciclones,

durante la operación en comparación con los demás nidos.