CLASIFICACION EN CIRCUITO DE MOLIENDA E HIDROCICLONES

Pedro Hugo López Príncipee-mail: hugopedro@latinmail.com

Departamento de Ingeniería MetalúrgicaUniversidad Nacional Mayor de San Marcos

La clasificación es una operación primordial, principalmente cuando el producto tiene

especificaciones estrictas de tamaño. El objetivo de la operación de clasificación en el

circuito cerrado es hacer más eficiente el proceso de molienda y asegurar que el producto

de la operación este bajo un determinado tamaño recirculando hacia el molino las partículas

de mayor tamaño. Las ventajas que se obtienen con una etapa de clasificación frente a un

circuito abierto son: Una porción significativa del material que ya está suficientemente fino

es removido del molino, evitando de esta manera la sobremolienda; el circuito produce una

curva granulométrica más empinada, debido a la menor cantidad de finos, cuando el grado

de recirculación aumenta; y la eliminación parcial del material puede también reducir el

efecto de desaceleración de la molienda causado por la acumulación de finos en el molino.

En la industria minera se utilizan dos tipos de clasificadores principalmente: los

clasificadores mecánicos que se caracterizan porque el campo de fuerza que produce la

separación de las partículas, generalmente la gravedad, es perpendicular al campo de

velocidad de la pulpa; y los clasificadores centrífugos, que es cuando la fuerza de campo es

producida por la rotación del fluido y dentro de los cuales se encuentra el hidrociclón.

El propósito de este artículo es proporcionar un panorama general de hidrociclones en el

circuito de molienda.

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GENERALIDADES:

l hidrociclón fue patentado por E. Bretney el 26 de Mayo de 1891, en los Estados

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

recién en los años 1940. Desde entonces 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.

E

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

la química, petroquímica, textil metalúrgica y otros. Debido a su versatilidad, simplicidad,

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

especialmente para los tamaños más finos, los hidrociclones han reemplazado a los

clasificadores mecánicos en un amplio número de operaciones unitarias.

CONSIDERACIONES TEORICAS:

El hidrociclón es un dispositivo mecánico muy simple que no incluye partes móviles.

Consiste de un recipiente de forma cónica, abierto en su ápice o descarga que está unido 0a

una sección cilíndrica, la cual tiene una entrada de alimentación tangencial. La parte

superior de la sección cilíndrica esta cubierto con una placa a través de la cual pasa un tubo

de derrame axialmente montado. El tubo se extiende hacia el interior del cuerpo del

hidrociclón por medio de una sección corta, conocido como buscador de remolino,

el cual evita que la alimentación entre directamente hacia el derrame. El diámetro del

hidrociclón puede variar desde una pulgada hasta diámetros que pueden alcanzar en

ocasiones las 70 pulgadas. La razón largo : diámetro varía en un amplio margen,

dependiendo de la aplicación y la dimensión del hidrociclón, en un rango desde 1:1 hasta

10:1.

El hidrociclón requiere potencia externa para su funcionamiento, la cual es provista

normalmente por una bomba centrífuga en operación continua En ocasiones recibe la

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energía por el aporte de la energía potencial del fluido a través de sistemas especiales de

alimentación.

La alimentación es introducido bajo presión, producido por la energía del fluido, a través de

la entrada tangencial, lo cual imparte un movimiento rotacional a la pulpa. Debido a este

movimiento se genera una zona de muy baja presión a lo largo del eje vertical del equipo,

DIAGRAMA DE FLUJO DEL HIDROCICLON

por lo que se desarrolla un núcleo de aire en ese lugar, que generalmente se conecta a la

atmósfera a través del vortex de salida. De acuerdo a la teoría clásica de la acción del

hidrociclón, las partículas en el fluido se ven afectadas en el sentido radial, por dos fuerzas

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opositoras: una, hacia la periferia del equipo debido a la aceleración centrífuga y la otra,

hacia el interior debido al arrastre del fluido que se mueve a través del hidrociclón.

Consecuentemente, la mayor parte de las partículas finas abandonarán el equipo a través del

orificio vortex, localizada en la parte superior de la parte cilíndrica del equipo. El resto de

las partículas, mayoritariamente los gruesos, saldrán a través del orificio de descarga o apex

ubicada en el extremo inferior de la sección cónica.

El flujo del hidrociclón es obligado a seguir una trayectoria tipo espiral hacia abajo debido

a la forma del equipo y a la acción de la fuerza de gravedad; sin embargo, en la medida que

la sección transversal disminuye, se superpone una corriente interior que genera un flujo

neto ascendente a lo largo del eje central del equipo, lo que permite que el fluido encuentre

en su camino al tubo buscador de vórtice que actúa como rebalse,

permitiendo que las partículas finas que acompañan al fluido desalojan el equipo.

Adicionalmente, el vortex permite la estabilización de la columna de aire que se genera a lo

largo del eje.

El tamaño de separación o punto de corte producido por el hidrociclón esta establecido

como el tamaño de aquella partícula, en micrones, que tiene la misma posibilidad de ir

tanto al rebose como a la descarga, y también por el porcentaje de material bajo una cierta

malla de separación en el overflow del hidrociclón, como por ejemplo: 80% - malla 200,

significa aquel tamaño de separación, en micrones, en el cual el 80% de la masa total es de

tamaño menor que la de la abertura de aquella malla 200 (74 ).

El parámetro más importante es el diámetro 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. El próximo

parámetro es el área de la abertura de alimentación (inlet), que normalmente es un orificio

rectangular que posee una dimensión mayor en el sentido paralelo al eje del hidrociclón. El

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área de entrada de la alimentación de un hidrociclón típico corresponde aproximadamente

al 7% del área de la sección cilíndrica. El tamaño d50 se incrementa al aumentar el diámetro

de entrada de la alimentación. Otro parámetro relevante es el diámetro del tubo buscador

de vórtice (vortex finder), su función primaria es la de controlar el tamaño de separación y

el flujo de salida de la pulpa. Además, el tubo buscador de vórtice se extiende hasta más

abajo de la abertura de entrada para impedir el corto circuito del flujo de alimentación en el

flujo de rebalse. El diámetro del orificio de vortex corresponde a 35 % del diámetro del

hidrociclón. El tamaño d50 se incrementa al aumentar el diámetro del vortex. La sección

cilíndrica del hidrociclón, esta localizado entre la cámara de alimentación y la sección

cónica y su función es alargar el hidrociclón para permitir el incremento de tiempo de

retención.

El largo de la sección cilíndrica es igual al diámetro interno de la misma. El diámetro del

orificio de salida apex esta determinado para cada aplicación y debe ser suficientemente

grande para permitir que los sólidos que han sido clasificados para salir por la descarga

puedan hacerlo sin atochamiento y podría estar entre el 10% y 35% del diámetro del

hidrociclón.

La longitud del hidrociclón afecta la separación de las partículas. Cuanto más largo es el

hidrociclón, la separación será más fina. Esta longitud puede ser incrementada mediante

dos técnicas: la primera, aumentando la longitud de la sección cilíndrica; y la segunda

disminuyendo el ángulo de la sección cónica. La desventaja de la primera técnica es que si

el cilindro es demasiado largo, la velocidad angular de la pulpa se disminuye y el tamaño

de separación de la partícula llega a ser más gruesa. Por consiguiente, se recomienda la

utilización de no mas de una sección cilíndrica adicional, el cual es equivalente a una

longitud de dos veces el diámetro interno de tal sección, y solamente para hidrociclones

menor o igual a 15” de diámetro. El empleo de la segunda técnica incrementa el costo del

hidrociclón y reduce la densidad del underflow, y una reducción de tal densidad resulta en

un retorno de más finos al molino y algunos problemas con la viscosidad óptima de pulpa

dentro molino. El ángulo de la sección cónica del hidrociclón está normalmente entre 12° y

20°. Para hidrociclones mayores a 10” de diámetro el ángulo de la sección cónica podría ser

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de 20 y para hidrociclones menores o iguales 10” de 12. En un circuito de molienda

común, la separación puede ser controlado por una simple adición de agua. Esta adición

combinada con los 20 de ángulo cónico mejorará la eficiencia de clasificación y resultará

en una cantidad mínima de finos retornados al molino.

El empleo del ángulo pequeño es adecuado cuando el circuito no permite el uso de agua

para una dilución adicional en el alimento del hidrociclón y la separación fina es requerida

o si la separación fina es requerida y la densidad del alimento es ya bastante diluida. Una

aplicación típica del empleo de ángulo pequeño se puede observar en algunos circuitos de

procesamiento de oro donde no existen espesadores, por lo que se requiere una densidad del

overflow bastante alto.

La abertura de alimentación (inlet) es normalmente tangencial, pero también es común el

uso de la entrada involuta, el cual minimiza la turbulencia de la pulpa y reduce el desgaste

de los forros.

Lynch y Rao, propusieron un modelo estadístico de clasificación con hidrociclones que

incluye variables de operación y de diseño del hidrociclón. El modelo comprende dos

ecuaciones básicas. Una de ellas relacionada, la fracción de agua de alimentación al

hidrociclón clasificada con la descarga gruesa del clasificador y las variables de operación

y diseño más importantes. La otra ecuación relaciona el parámetro d50c, llamado corte

corregido de clasificación.

La eficiencia de clasificación de partículas por tamaño se ilustra comúnmente con curvas de

clasificación tipo “TROMP” como se observa en la figura, donde Yi = fracción por peso de

material de tamaño i de la alimentación al hidrociclón enviada a la descarga gruesa o

arenas.

El parámetro “a”, se define como la fracción fina de la alimentación al hidrociclón

cortocircuitada de los finos de las arenas, el índice de clasificación, Yi’ se define como:

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Lynch, propuso un modelo empírico de Yi’ en función de la eficiencia de clasificación, ,

y x (=d/d50) como sigue:

Donde d es el tamaño de la partícula y es parámetro de eficiencia de clasificación.

La figura también muestra la curva de clasificación corregida, así como d50 y d50c.

CURVA DE TROMP PARA HIDROCICLON

Los hidrociclones tienen dos principales aplicaciones en la industria minera: deslamado,

donde el objetivo principal es remover las partículas finas a través del rebose del

hidrociclón para lograr una mayor eficiencia en los siguientes procesos como la flotación,

separación magnética en húmedo, etc. Circuito cerrado, donde los objetivos de la

clasificación son hacer más eficiente la molienda y asegurar que el producto de la operación

esté bajo un determinado tamaño, recirculando al molino las partículas mayores. Algunas

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aplicaciones de este circuito se muestran en la siguiente figura:

MOLINOS E HIDROCICLONES EN EL CIRCUITO CERRADO DE MOLIENDA

Caso “1”, tal vez es el más común, el alimento fresco va directamente al molino, la

descarga de éste es alimentado al ciclón para la clasificación. El overflow del hidrociclón

es el producto, y el underflow retorna al molino para una molienda adicional junto con el

alimento fresco.

Caso “2”, consiste una clasificación en dos etapas, donde el molino primario esta en

circuito cerrado con el hidrociclón primario, el overflow de éste es alimentado al

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hidrociclón secundario. El overflow de este hidrociclón secundario es considerado como

producto y el underflow como alimento del molino secundario para una molienda adicional.

El producto de este molino es el alimento del hidrociclón conjuntamente con el overflow

del hidrociclón primario.

Caso “3”, el alimento fresco y la descarga del molino son mezclados y clasificados dentro

del mismo hidrociclón, el overflow del hidrociclón es el producto, y el underflow es

retornado al molino. Este caso es ideal cuando se debe moler sólo una fracción por existir

una cantidad considerable de finos en el material alimentado al circuito.

Caso “4”, para optimizar el performance de los hidrociclones, se debe realizar las

operaciones de deslamado y clasificación independientemente en hidrociclones separados

de tamaños diferentes. Ambos overflows son productos y ambos underflows son alimentos

del molino.

Los hidrociclones pueden ser montados horizontalmente, que producen separaciones más

gruesas que los hidrociclones verticales de igual diámetro. La altura vertical reducida de

los hidrociclones horizontales permite la producción de underflow de alta densidad. La

selección del apex no es crítica, de esta manera permite la utilización de apex de gran

diámetro que impida atoros. Los hidrociclones horizontales deben trabajar con pulpa más

diluidas que los ciclones verticales para producir el mismo tamaño de corte, y adicionando

más agua también se mejorará la eficiencia de clasificación.

Los hidrociclones horizontales producen un underflow con menor cantidad de finos,

resultando una carga circulante de mejor calidad, influyendo de esta manera en mayor

capacidad del molino, bomba e hidrociclones. Estos hidrociclones producen un underflow

lento en comparación con los hidrociclones verticales que reduce el desgaste de forro

cónico inferior y apex.

NIDO DE HIDROCICLONES:

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a instalación de múltiples ciclones 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. Un

diseño inapropiado de distribuidor podría causar a que uno o más de los ciclones reciban

una fracción relativamente gruesa del alimento con un incremento de fracción de sólidos.

El incremento de la fracción de sólidos en el alimento puede resultar en una descarga del

underflow excesivo para el orificio del ápex, y un producto overflow inaceptablemente

gruesa a través del buscador vortex, es decir una extrema sobrecarga en el alimento de

ciclones puede obturar el ápex, y luego el material ser descargado directamente hacia el

overflow. En el circuito de molienda es común el empleo de dos tipos de nidos:

L

Nido radial, El sistema de distribuidor radial esta diseñado para distribuir uniformemente la

pulpa del alimento y reunir los productos de overflow y underflow del hidrociclón. El

sistema esta conformado por el distribuidor radial y los tanques de colección de pulpa de

underflow y overflow así como la estructura metálica de soporte. Los hidrociclones están

montados en forma radial alrededor del distribuidor para la repartición uniforme de la

pulpa. La pulpa es distribuída a cada uno de los hidrociclones a través de brazos de

alimentación, que son toberas redondeadas en el extremo de salida cuyo objetivo es

minimizar la turbulencia de la pulpa. Un manómetro con diagrama de protección es

instalado en la parte superior del distribuidor, que también puede ser instalado en las bridas

de alimentación de cada uno de los hidrociclones.

La tapa que tiene una forma de cúpula es unido al distribuidor con un acoplamiento

vitaúlico para permitir el acceso para la inspección y mantenimiento. La cámara de

alimentación así como la tapa están construidas con planchas de acero cuyo espesor

mínimo es de 1/4" y revestidas con elastómeros vulcanizados también de 1/4" de espesor.

El diseño del distribuidor permite la remoción conveniente de cualquier hidrociclón, sin la

perturbación de los demás. Todas los puntos de conexión de tuberías tienen acoplamiento

vitaúlico ranurado estándar o bridas de conexiones. Una válvula individual es provisto para

cada hidrociclón. Siendo éste principalmente tipo pinch.

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Los tanques de overflow y underflow son construidos de planchas de acero adecuadamente

reforzados, también son revestidos con elastómeros de 1/4" como mínimo y vulcanizados.

Los tanques son concéntricos con la tubería central de alimentación y abastecen una

eficiente colección y transferencia de productos a las tuberías de descarga. También los

tanques son diseñados para minimizar los salpicones.

El sistema se incorpora los aceros estructurales requeridos para soportar el distribuidor, los

hidrociclones y los tanques de colección del underflow y overflow.

Nido Lineal, el sistema esta compuesto por un distribuidor de la alimentación, tanques de

colección de underflow y overflow y la estructura metálica de soporte. Los hidrociclones

son alimentados a lo largo del tubo distribuidor, que es ramificado

mediante el uso de Ts. Un manómetro con diagrama de protección es instalado en el tubo

distribuidor, que también puede ser instalado en las bridas de alimentación de cada uno de

los hidrociclones, al igual que en el distribuidor radial. Este tipo de distribuidor, alimentará

en forma preferencial los sólidos gruesos en los últimos ciclones de línea, es pro ello que

éste solamente es aplicable donde la separación no es crucial y/o la concentración del

alimento es muy baja, puesto que las partículas de mayor masa por poseer mayor energía

tienden a pasar los primeros ciclones y reportar en el ciclón final. Este tipo de distribuidor

es mucho más barato que la del distribuidor tipo radial.

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