APLICACIÓN DE HIDROCICLONES EN PROCESAMIENTO DE

MINERALES

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Por: Pedro Hugo López Príncipe

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ContenidoContenido

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

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1.1.- Introducción- Introducción

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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.

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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.

ICBAICBA 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.

ICBAICBACircuito abiertoCircuito 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.

ICBAICBACircuito cerradoCircuito 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

ProductoProducto

Nuevo alimentoNuevo 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.

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2.2.- Clasificación - Clasificación e hidrociclonese hidrociclones

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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.

ICBAICBALa importancia de la granulometría en la concentración de mineralesLa 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.

ICBAICBAHidrociclón: generalidades Hidrociclón: generalidades

El hidrociclón fue patentado en 1891 en los Estados Unidos de América. La industria minera es el principal usuario de los hidrociclones, siendo aplicado en clasificación de sólidos, espesamiento, lavado de sólidos, etc.

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.

ICBAICBATeoría clásica de clasificación con hidrociclonesTeoría clásica de clasificación con hidrociclones

fuerza centrífugafuerza 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.

ICBAICBAPrincipales corrientes de flujo dentro de un hidrociclónPrincipales 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.

ICBAICBA 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.

ICBAICBAEficiencia de hidrociclonesEficiencia de hidrociclones

La eficiencia de clasificación de partículas por tamaño se ilustra comúnmente con curvas de clasificación tipo “TROMP”.

% d

e al

imen

to a

la d

esca

rga

a

Tamaño de partícula, d(µ)D50c0

0D50

50

Yi vs. dcurva real

100

curva corregida Yi' vs. d

El parámetro “a”, se define como la fracción fina de la alimentación del hidrociclón cortocircuitada hacia el underflow.

Yi es la eficiencia real para partículas de tamaño d, mientras Yi’ es la eficiencia corregida.

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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

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3.3. - Características mecánicas y - Características mecánicas y parámetros básicos de los parámetros básicos de los

hidrocicloneshidrociclones

ICBAICBA Características mecánica de los hidrociclonesCaracterísticas 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.

ICBAICBADiagrama pictórico de un hidrociclónDiagrama pictórico de un hidrociclón

ICBAICBA Parámetros básicos de un hidrociclón estándar 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 hidrociclónInlet 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.

ICBAICBACuerpo cilíndricoCuerpo 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.

ICBAICBA Tamaño de separación de las partículas Vs. Ø del ciclónTamaño de separación de las partículas Vs. Ø del ciclón

ICBAICBASección cónica del ciclón Sección cónica del 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 de las partículas.Con el incremento de la longitud del ciclón, el tamaño de corte de clasificación se disminuye. 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.

ICBAICBA Vortex finder 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.

ICBAICBA Capacidad del ciclón vs. caída de presión

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

Temperatura: ambiente, Ø apex: ½ Ø vortexØ ciclón: 20”

ICBAICBA ApexApexEl 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.

ICBAICBA 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.

ICBAICBA Capacidad de apexCapacidad 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

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4.4. - Tipos de hidrociclones - Tipos de hidrociclones Aplicados en el circuito de Aplicados en el circuito de moliendamolienda

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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.

ICBAICBAHidrociclones con entrada volutaHidrociclones 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.

ICBAICBACiclones horizontalesCiclones 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.

ICBAICBA Ciclones de fondo planoCiclones 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.

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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.

ICBAICBACurva real de performance de ciclonesCurva real de performance de ciclones

ICBAICBA Ciclones con CyclowashCiclones 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.

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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.

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5.5. - Aplicación de hidrociclones- Aplicación de hidrociclonesen el circuito de moliendaen el circuito de molienda

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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

ProductoProducto

Nuevo alimentoNuevo alimento

Circuito cerrado directoCircuito cerrado directo

ICBAICBACircuito cerrado inversoCircuito 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 alimentoNuevo alimento

ProductoProducto

ICBAICBACircuito de molienda directa con remoliendaCircuito 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 alimentoNuevo alimento

Producto Producto

ICBAICBACircuito de molienda con dos etapas de clasificaciónCircuito 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 alimentoNuevo alimentoProductoProducto

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6.6. - Selección y- Selección ydimensionamiento de dimensionamiento de hidrociclones hidrociclones

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Dimensionamiento de hidrociclonesDimensionamiento 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 es la más utilizada en la actualidad por estar respaldada de una gran cantidad de pruebas experimentales.

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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 Formulación Clásica para el Dimensionamiento de HidrociclonesHidrociclones

66.0c32150c DFFF2.837d

ICBAICBACorrección de gravedad específica de sólidos en aguaCorrección de gravedad específica de sólidos en agua

fs

1 ρρ65.1F

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

ρs = densidad del sólido (gr/cm)

ρf = densidad del fluído (gr/cm)

ICBAICBA Corrección para concentración de alimentaciónCorrección para concentración de alimentaciónF2 = Factor de corrección para el porcentaje de sólidos en el volumen alimentado al hidrociclón.

Φ = % de sólidos en volumen

43.1

2 53.053.0F

ICBAICBA Corrección para caída de presiónCorrección para caída de presión

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

28.03 P27.3F

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

ICBAICBACapacidad de los hidrociclonesCapacidad de los hidrociclones

El volumen de la pulpa que puede tomar un hidrociclón esta relacionado con la presión en la alimentación.

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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).

87.1c

0.5 DP01476.0Q

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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.

QQ

N (total)c

ICBAICBA Ejemplo de dimensionamiento de hidrociclonesEjemplo de dimensionamiento de hidrociclones

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7.7. - Nidos de hidrociclones- Nidos de hidrociclones

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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.

ICBAICBANido radialNido 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.