HIDROCICLÓN “Año del diálogo y reconciliación nacional” FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL INGENIERI
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HIDROCICLÓN
“Año del diálogo y reconciliación nacional”
FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL INGENIERIA DE MINAS CURSO CONCENTRACIÓN DE MINERALES TEMA: HIDROCICLÓN ALUMNOS GUEVARA TORRES, María Stephanie PÉREZ BURGA, Franklin Martín FLORES SERRANO, Edwin DOCENTE BEJARANO GUEVARA, John
PIMENTEL –PERU 2018
pág. 1
HIDROCICLÓN
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN.................................................................................................................... 6
I.
1.1.
REALIDAD PROBLEMÁTICA..................................................................................... 6
1.2.
ANTECEDENTES ........................................................................................................... 7
1.2.1.
A NIVEL NACIONAL............................................................................................. 7
1.2.2.
A NIVEL INTERNACIONAL ................................................................................ 8
1.3.
JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................ 9
1.4.
LIMITACIONES ............................................................................................................. 9
II.
FUNDAMENTO TEÓRICO Y CONCEPTUAL ............................................................ 10
1.
HIDROCICLÓN ................................................................................................................ 10
2.
GENERALIDADES ........................................................................................................... 12
3.
APLICACION .................................................................................................................... 13
4.
FUNCIONAMIENTO ........................................................................................................ 13
5.
CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE LOS HIDROCICLONES .......................... 14
6.
PARÁMETROS BÁSICOS DE UN HIDROCICLÓN ESTÁNDAR ............................ 15 INLET DEL HIDROCICLÓN .............................................................................................. 15 CUERPO CILÍNDRICO ....................................................................................................... 15 SECCIÓN CÓNICA DEL CICLÓN .................................................................................... 15 VORTEX FINDER ................................................................................................................ 16 ÁPEX ....................................................................................................................................... 16
7.
TIPOS DE HIDROCICLONES ........................................................................................ 16 7.1.
HIDROCICLONES CONICOS ................................................................................ 16
CONO PRONUNCIADO, HIDROCICLONES ...................................................................... 17 CONO TENDIDO ...................................................................................................................... 17 7.2.
HIDROCICLONES CILÍNDRICOS ....................................................................... 19
CON DESCARGA PERIFERICA ............................................................................................ 19 CILINDRICOS CON DESCARGA CENTRAL, FONDO PLANO ...................................... 20 8.
PRINCIPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS HIDROCICLONES ... 21 8.1.
DIAGRAMA IDEAL DE FLUJO ............................................................................. 23
8.2.
ESQUEMA DE FLUJO REAL ................................................................................. 24
8.3.
PARÁMETROS DE REPARTO .............................................................................. 24
pág. 2
HIDROCICLÓN
8.4.
CONTENIDO DE FINOS EN EL GRUESO ........................................................... 26
8.5.
EL LUGAR GEOMÉTRICO DE VELOCIDAD VERTICAL CERO ................. 27
8.6.
LA COLUMNA DE AIRE ......................................................................................... 27
MATERIALES ................................................................................................................... 29
9. 10.
CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO DE HIDROCICLONES ................................ 30
III.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ......................................................................... 31
IV.
OBJETIVOS ....................................................................................................................... 31
4.1.
OBJETIVO GENERAL ................................................................................................ 31
4.2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................................... 31
FORMULACIÓN DE LA HIPÓTESIS ............................................................................... 32
V. VI.
OPERACIONALIDAD DE LA HIPÓTESIS .................................................................. 32
VII.
DISEÑO DE INVESTIGACIÓN, MÉTODOS Y TÉCNICAS ...................................... 33
DISEÑO DE INVESTIGACIÓN ......................................................................................... 33
MÉTODO DE LA INVESTIGACIÓN ................................................................................ 33
TÉCNICA DE INVESTIGACIÓN ...................................................................................... 33
VIII.
RESULTADOS ............................................................................................................... 34
1) ESTIMACIÓN DE PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO DEL HIDROCICLÓN ........................................................................................................................ 34 DIMENSIONAMIENTO DE HIDROCICLÓN .............................................................. 34
2) a)
Datos de Entrada ............................................................................................................ 34
b)
Estimación de parámetros necesarios........................................................................... 35 DISCUSIÓN........................................................................................................................ 38
IX. X.
CONCLUSIONES .................................................................................................................. 39
XI.
RECOMENDACIONES .................................................................................................... 40
XII.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 41
XIII.
ANEXOS ......................................................................................................................... 42
pág. 3
HIDROCICLÓN
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1: HIDROCICLÓN: DISEÑO CLÁSICO - CORRIENTES DE TORBELLINO…………….......……………………………………………………..pág. 10 Ilustración 2: HIDROCILÓN - PARTES BÁSICAS………………………...............pág. 11 Ilustración 3: HIDROCICLÓN – MATERIALES………………….………………..pág. 12 Ilustración 4: HIDROCICLÓN – APLICACIÓN……………………….…………...pág. 13 Ilustración 5: ESQUEMA DE CORRIENTES DE HIDROCICLÓN………………..pág. 14 Ilustración 6: CICLONES DE CONO PRONUNCIADO (100 mm DE DIÁMETRO) EN CIRCUITO DE CONTRALAVADO……………………….………………………..pág. 17 Ilustración 7: CICLON DE CONO TENDIDO (100 mm DIÁMETROS) EN LAVADO DE ARENAS…………………………………………………………………….……….pág. 18 Ilustración 8: CICLON CILÍNDRICO KREBS TIPO EE DE DOS ETAPAS............pág. 19 Ilustración 9: CICLON CILÍNDRICO AKW (200mm DE DIÁMETRO) TIPO FONDO PLANO CBC…………………………………............................……………………pág. 20 Ilustración 10: REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DEL FLUJO IDEAL..........pág. 23 Ilustración 11: REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DEL LUGAR GEOMÉTRICA DE VELOCIDAD VERTICAL CERO………………………..…………………...…….pág. 27 Ilustración 12: ESQUEMA DE LA FORMACIÓN DE LA COLUMNA DE AIRE AL INTERIOR DEL HIDROCICLÓN…………….………….…………………………pág. 28 Ilustración 13: MATERIALES PARA EL USO EN SECCIONES DE ÁPEX...........pág. 29 Ilustración 14: MATERIALES PARA EL USO EN PAREDES DE CICLÓN...........pág. 29 Ilustración 15: ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN HIDROCICLÓN.....pág. 30 Ilustración 16: ESQUEMA DE LA ITERACIÓN UTILIZADA..................................pág.36 Ilustración 17: HIDROCICLON – HYDROVORTEX................................................pág. 42 Ilustración 18: HIDROCICLÓN EN PLANTA CONCENTRADORA…………..…..pág.42
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HIDROCICLÓN
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: OPERACIONALIDAD DE LA HIPÓTESIS…..............…………….…….pág. 32 Tabla 2: RESULTADOS DE LA ITERACIÓN REALIZADA, PARA ESTIMAR EL CAUDAL MÁSICO QUE DEBE PROCESAR 1 BATERÍA DE HIDROCICLONES......................................................................................................pág. 37 Tabla 3: RESULTADOS DEL DIMENSIONAMIENTO DEL HIDROCICLÓN......pág. 37
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HIDROCICLÓN
I.
INTRODUCCIÓN
1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA A lo largo de los años la minería en el Perú ha representado el ingreso de divisas más importante del país, siendo ésta significativa para el desarrollo y crecimiento de nuestra sociedad. Pero en el desarrollo del laboreo minero encontramos equipos necesarios para el desarrollo del proceso productivo como del proceso de la planta concentradora de minerales. Uno de estos equipos utilizados, importante para este sector es el “HIDROCILÓN”. Los hidrociclones conocidos también por ciclones, forman una clase importante de equipos destinados principalmente a la separación de suspensiones sólido – líquido. La primera patente del hidrociclón data de 1891, sin embargo, su utilización industrial recién tuvo inicio después de la segunda guerra mundial en la industria de procesamiento de minerales. Desde entonces, vienen siendo usados industrialmente, de manera diversificada en las industrias química, metalúrgica, petroquímica, textil, y otros. Los hidrociclones fueron originalmente diseñados para promover la separación sólidolíquido, sin embargo, actualmente son también utilizados para separación de sólido – sólido, líquido – líquido y/o gas – líquido. La industria minera es el principal usuario de los hidrociclones, siendo aplicado en clasificación de líquidos, espesamiento, ordenamiento de partículas por densidad ó tamaño y lavado de sólidos.
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HIDROCICLÓN
1.2. ANTECEDENTES 1.2.1. A NIVEL NACIONAL Con respecto al proceso de concentración de minerales, a nivel nacional, encontramos, que en Perú PACHECHO MENDOZA, Juan (2016), en su tesis “DESARROLLO DE UN SISTEMA DE DIAGNÓSTICO DE FALLAS BASADO EN RELACIONES DE REDUNDANCIA ANALÍTICA PARA EL CIRCUITO DE MOLIENDA DE UN PROCESO MINERO” Fijó como objetivo principal: “El objetivo general de esta tesis es diseñar y desarrollar un sistema de diagnóstico de fallas (SDF), basado en relaciones de redundancia analítica para el circuito de molienda de un proceso minero (CMPM), utilizando la herramienta de análisis estructural. Este circuito consta de una faja transportadora, un molino de bolas con motor accionador, un cajón de pulpa, una bomba, un hidrociclón, válvulas, faja transportadora y sensores transmisores.” (Pg. 09) El investigador, concluyó: “Se diseñó y desarrolló la interfaz gráfica del SDF en el software FactoryTalk View el cual se mostrará en el panel de operador HMI y en el sistema SCADA con los que cuenta el CMPM. La interfaz gráfica que se proporcionará al operador y al supervisor será una gran herramienta para identificar rápidamente de manera visual los elementos en falla.” (Pg. 103)
En opinión del autor de la presente investigación en lo que respecta a hidrociclones, en las operaciones de clasificación de tamaños de partículas, el equipo básico es el hidrociclón (ciclón). En este proceso, las partículas finas salen por el rebose del ciclón y las partículas gruesas salen por la descarga del ciclón. El proceso de separación de partículas en función de su tamaño se conoce como cribado y en general se refiere a la separación de partículas de tamaños inferiores a 1mm o 2mm. El material fino sigue al proceso de flotación y el material grueso es realimentado al molino de bolas.
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HIDROCICLÓN
1.2.2. A NIVEL INTERNACIONAL
Con respecto al proceso de concentración de minerales, a nivel internacional, encontramos, que en Cuba FALCÓN HERNANDEZ, Ariel, GÓNGORA FONSECA, José (2014), en su tesis “Evaluación de trabajo de un hidrociclón para la clasificación de la pulpa de cienos carbonatados” Destacó como objetivo primordial: Demostrar que los hidrociclones pueden ser utilizados para el control de la separación de la pulpa de cienos carbonatados, garantizando una eficiencia para la separación de las arenas. (Pg. 5) La cual concluyó: Los resultados experimentales obtenidos, a partir de la instalación constituida por una bomba centrífuga y un hidrociclón de diámetro aproximado de 0.15 m, demostraron que estos equipos pueden ser utilizados para el control de la separación de la pulpa de cienos carbonatados, garantizando una eficiencia para la separación de las arenas (clase - 0,84 + 0,15 mm) con efectividad superior al 97 %. En el experimento 7 desarrollado a 18 % de sólidos, 25 % de arenas y 46 PSIA (317.8 kPa) de presión se alcanzaron los mejores resultados de eficiencia de separación de la pulpa de cieno carbonatado. (Pg. 162) Respecto a lo dicho por autor, este escenario indica la necesidad de perfeccionar el sistema de preparación de la pulpa en la Planta de Beneficio de Cienos Carbonatados, para lo cual puede ser esencial la selección del equipamiento tecnológico que brinde resultados adecuados. Los trabajos investigativos (sobre cienos carbonatados realizados hasta el presente confirman que la mayor atención se ha centrado en las características del material existente en la Bahía de Moa para su utilización como neutralizante y no se ha estudiado con igual intensidad lo referido a la clasificación de las partículas adecuadas para el proceso.
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HIDROCICLÓN
1.3. JUSTIFICACIÓN
El presente trabajo se ha elaborado con la finalidad de dar a conocer la importancia de un hidrociclón ya sea sus aplicaciones como funcionamiento durante el proceso desarrollado en la planta concentradora de minerales, específicamente entre el proceso desarrollado en la molienda a la flotación. Su uso resulte económico pero al mismo tiempo eficaz, ya que sus condiciones técnicas tienen que ir de la mano con el planeamiento minero elaborado. Asimismo, los resultados que se obtengan durante el desarrollo de esta investigación permita tener un concepto más preciso y al mismo tiempo extenso sobre hidrociclones, para que de esta manera el trabajador (ya sea el practicante o egresado) brinde una calidad de trabajo más segura lo cual repercuta en una mayor producción en la planta concentradora. Para ello empezaré especificando la aplicación, funcionamiento y principios básicos de funcionamiento de un hidrociclón. Posteriormente determinaré los parámetros básicos y características mecánicas de un hidrociclón. De acuerdo a esto fijare los materiales y las características de diseño de un hidriciclón. Proponer finalmente el dimensionamiento de hidrociclones que pueda realizarse.
1.4. LIMITACIONES Cuando estiércol líquido se procesa con movimiento de alta velocidad, cilindro, saliva, tubo de alimentación y otras partes van a desgastar rápidamente. Mientras tanto, éstos llevan a traer las pérdidas de energía. La presión de alimentación, alimento concentrado y el tamaño de partícula del alimento influirán mucho el índice de la clasificación.
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HIDROCICLÓN
II.
FUNDAMENTO TEÓRICO Y CONCEPTUAL
1. HIDROCICLÓN Los hidrociclones son equipos destinados principalmente a la separación de suspensiones sólido – líquido, y son usados industrialmente en casi todos los sectores. A pesar que la primera patente sobre hidrociclones se registró al principio del siglo pasado, no fue hasta en la década del 50 que se tuvo un verdadero significado tecnológico. En la actualidad, los hidrociclones se han convertido para los procesos de beneficio y en otras muchas más ramas industriales en equipos de gran utilidad e imprescindibles para la clasificación, concentración y clarificación. Ciclones destinados a la clasificación se han instalados con éxito para las separación por densidades de granos muy finos. El impetuoso desarrollo de la aplicación de hidrociclones ha sido consecuencia directa de numerosos trabajos de investigación y desarrollo, cuyos resultados, en enorme parte, han sido recogidos por monografías. Una descripción gráfica de un hidrociclón común está representada en la siguiente ilustración. Este equipo está constituido por un cono la parte inferior y la parte superior por un cilindro.
Ilustración 116: HIDROCICLÓN: DISEÑO CLÁSICO CORRIENTES DE TORBELLINO
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HIDROCICLÓN
La suspensión sólido-líquida es introducida a presión en el interior del hidrociclón por la boquilla de entrada (1) por la parte cilíndrica superior lateral y sometida a formar una corriente externa circulatoria (torbellino o remolino externo). A causa del efecto de reducción (estrechez) de la parte cónica inferior del boquilla de salida (2) se transforma a partir de una parte del remolino exterior dirigido hacia abajo una corriente circulatoria interna (remolino interno) dirigida hacia arriba (figura 1 b). El balance de extracción de las partes del remolino exterior del hidrociclón se efectúa de la siguiente manera: la parte que continúa en el hidrociclón avanzando hacia bajo lo abandonará por la boquilla inferior, mientras la parte que asciende del remolino interior será extraída por el boquilla exterior (3) (captador de remolino). Sobre la acción clasificación de los hidrociclones ha sido tratada de forma exclusiva desde sus inicios y actualmente también ha sido abordada por algunos autores esta característica, pero dirigido a los efectos de corrientes transversales y también a las contracorrientes. Su sistema de construcción modular, en geometría cónica o cilíndrica, permite el intercambio de piezas entre hidrociclones de diversos tipos y materiales constructivos, y así seleccionar el modelo de hidrociclón adecuado para una aplicación específica.
Ilustración 2: HIDROCILÓN - PARTES BÁSICAS
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HIDROCICLÓN
2. GENERALIDADES La separación por sedimentación de partículas se da en la naturaleza en cualquier lago o estanque donde se introduce agua turbia. Las partículas se posan en el fondo, formando un sedimento que posee un grado de espesado en relación con la concentración de la alimentación (feed), mientras que el agua sobrante es clarificada y eliminada como flujo superior (overflow). Las balsas artificiales que realizan esta misma función son denominadas espesadores o clarificadores. Si el caudal de agua que atraviesa la balsa o estanque es tan grande que las partículas más finas no tienen suficiente tiempo para su sedimentación, éstas son evacuadas junto con el flujo superior (overflow), originándose una clasificación en dos fracciones: gruesa y fina. Este tipo de clasificación en húmedo se llama clasificación por corriente; la fuerza que genera este tipo de separación es la gravedad. Los mismos fenómenos ocurren en una suspensión en rotación, donde fuerzas centrífugas mucho mayores producen los efectos de separación por aumento del grado de sedimentación. Los equipos que se emplean normalmente para este propósito, son las centrífugas con camisa maciza, y los hidrociclones pueden ser considerados como una centrífuga de camisa maciza, en la cual ésta permanece fija, mientras que la rotación de la suspensión es producida por la propia alimentación al ciclón tangencialmente ya presión. Dependiendo del grado de recuperación de sólidos deseado en el flujo inferior (underflow), el hidrociclón puede actuar como clarificador o clasificador. Los rechazos son espesados en cualquier caso.
Ilustración 3: HIDROCICLÓN - MATERIALES
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HIDROCICLÓN
3. APLICACION Los Hidrociclones se emplean en las aplicaciones más diversas, como en el Lavado de arenas, eliminando partículas nocivas inferiores a 50-150 micras; la Recuperación de arenas finas, perdidas en el rebose de equipos de lavado ineficientes u obsoletos; la Producción de dos-arenas y Arenas ultra-finas; la Clasificación de sólidos, en el rango de 10-300 micras, como en circuitos de molienda y pre-concentración de minerales; el Espesado de pulpas, previo a etapas de concentración; la Clarificación parcial de efluentes; los Circuitos de lavado a contra-corriente; y en la Desulfuración de los gases de combustión (FGD) de centrales térmicas.
Ilustración 4: HIDROCICLÓN - APLICACIÓN
4. FUNCIONAMIENTO La función principal del Hidrociclón es separar los sólidos suspendidos en un determinado flujo de la pulpa de “alimentación”, en dos fracciones, una que acompaña al flujo llamado “descarga” que lleva en suspensión los sólidos más gruesos que un determinado tamaño de corte y otra fracción que acompaña al flujo denominado “rebose” que lleva en suspensión los sólidos más finos que el citado tamaño. La pulpa de alimentación entra tangencialmente en la parte cilíndrica a una cierta presión, lo que genera su rotación alrededor del eje longitudinal del hidrociclón, formándose un “torbellino primario” descendente hacia el vértice inferior del hidrociclón. Las partículas más gruesas giran cercanas a la pared por efecto de la aceleración centrífuga, siendo evacuadas a través de la boquilla en forma de pulpa espesa. Debido a las reducidas dimensiones de dicha boquilla, solamente se descarga una parte de la suspensión, creándose en el vértice inferior un “torbellino secundario” de trayectoria ascendente, que es donde se pág. 13
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produce la separación al generarse en este punto las mayores aceleraciones tangenciales. Esta corriente arrastra hacia el rebose las partículas finas junto con la mayor parte del líquido, que se descarga a través de un tubo central situado en el cuerpo cilíndrico superior del hidrociclón. Para ajustar el tamaño de separación de las partículas sólidas entre 10 y 500 micras, se regula la aceleración del torbellino y se modifica la geometría y/o toberas del hidrociclón.
Ilustración 5: ESQUEMA DE CORRIENTES DE HIDROCICLÓN
5. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS 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. pág. 14
HIDROCICLÓN
6. 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 modificadas 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. 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. 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. 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
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HIDROCICLÓN
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. 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. ÁPEX 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. 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. 7. TIPOS DE HIDROCICLONES
7.1. HIDROCICLONES CONICOS
Los hidrociclones cónicos, o convencionales, podrían subclasificarse de acuerdo al ángulo de su parte cónica.
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HIDROCICLÓN
CONO PRONUNCIADO, HIDROCICLONES Este grupo recogería los hidrociclones con ángulo menor de 20º, caracterizados por un cuerpo relativamente largo debido a su conicidad. Este tipo de diseño se acompaña con partes cilíndricas de gran longitud (mayor que una vez el diámetro), y toberas de alimentación y rebose
de
pequeñas
dimensiones,
para
aumentar
el
tiempo
de
residencia.
Esto, debido a la gran altura libre de vórtice, (distancia entre el borde inferior de la tobera de rebose y el vértice de la parte cónica), y su influencia inversamente proporcional al tamaño de corte, los hace los más adecuados para clasificaciones finas, como se requiere en operaciones
de
clarificación
y
espesado.
En general, solamente los hidrociclones de pequeño y medio diámetro, hasta 250 mm, se construyen con conicidad pronunciada. Suelen operar a presiones medias, entre 150 y 400 kPa, obteniendo tamaños de corte entre 2 micras
y
30
micras.
Es este tipo el más difundido, especialmente en el tratamiento de minerales industriales donde a menudo se requieren clasificaciones más finas.
Ilustración 6: CICLONES DE CONO PRONUNCIADO (100 mm DE DIÁMETRO) EN CIRCUITO DE CONTRALAVADO
CONO TENDIDO Los hidrociclones de cono tendido o ancho, mayor de 20º, son usados principalmente para clasificar tanto por tamaño como por densidad (clasificación selectiva). El ángulo de su parte cónica varía entre 20º y 45º, aunque excepcionalmente pueden encontrarse hidrociclones de hasta
l60º.
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HIDROCICLÓN
Se construyen en diámetros comprendidos entre 250 mm y 1250 mm, aunque algunos fabricantes construyen modelos de hasta 2000 mm
Ilustración 7: CICLON DE CONO TENDIDO (100 mm DIÁMETROS) EN LAVADO DE ARENAS
Como es lógico al disminuir el tiempo de residencia de la pulpa en el interior del hidrociclón, por su menor longitud, aumenta el tamaño de separación. Ello trae como consecuencia que estos hidrociclones no alcancen una elevada recuperación de sólidos, (referida a la descarga), pero
si
presentan
una
mejor
selectividad.
La presión de operación suele ser menor a 150 kPa, aunque nunca menor de 20 kPa pues sino
no
se
consigue
una
columna
central
de
vacío
estable.
Generalmente se operan entre 30 kPa y 100 kPa y pueden alcanzar cortes entre 30 micras y 150
micras.
Ha podido observarse en unidades de laboratorio, construidas en materiales transparentes, la formación de una "cama" de sólidos en la parte baja del cono que permanece en movimiento a lo largo del núcleo central, lo cual da lugar a un efecto de reclasificación, explicando él por qué de la mejor selectividad de estos hidrociclones de cono ancho. Una aplicación muy conocida de este tipo de hidrociclones es el lavado de carbón con los llamados "ciclones de agua", "water-only cyclones", y los ciclones operando en medio denso, bien para tratamiento de minerales pesados o en lavado de carbón.
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HIDROCICLÓN
7.2. HIDROCICLONES CILÍNDRICOS Podrían incluirse dentro de la clasificación anterior, como hidrociclones de cono tendido, pero debido a que exteriormente no se aprecia nada más que su cuerpo cilíndrico por su ángulo de 180º, es decir fondo perpendicular a la pared lateral, y también porque su campo de aplicación difiere notablemente de aquellos, merecen un tratamiento diferenciado.
No suponen realmente una nueva teoría, pues ya a principios de siglo pueden encontrarse las primeras aplicaciones de este tipo de ciclones. CON DESCARGA PERIFERICA Consisten, básicamente en un ciclón convencional del cual se ha eliminado su zona cónica, remplazándola por una parte cilíndrica de similar longitud. El fondo del ciclón es plano y la extracción del producto grueso se realiza tangencialmente por la zona baja de la pared cilíndrica. Como quiera que este diseño provoca una descarga muy diluida, debido al corto circuito, (partículas finas en suspensión en el líquido acompañando a la descarga) la eficiencia de separación
se
reduce.
Hace unos 30 años que uno de los principales fabricantes de hidrociclones KREBS, comercializó un tipo de hidrociclones, conocidos como EE que basándose en este diseño de descarga tangencial, conectó dos unidades. Una primera de gran diámetro y pared cilíndrica y una segunda convencional, cónica de menor diámetro. Este diseño no tuvo mucha aceptación al menos a escala industrial, quizás debido a los elevados desgastes que podrían esperarse en la zona de transición debido a la alta concentración de sólidos
Ilustración 8: CICLON CILÍNDRICO KREBS TIPO EE DE DOS ETAPAS
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HIDROCICLÓN
CILINDRICOS CON DESCARGA CENTRAL, FONDO PLANO Difiere este diseño del anterior en que la descarga se realiza de modo convencional, es decir, a través de un orificio central.
Ilustración 9: CICLON CILÍNDRICO AKW (200mm DE DIÁMETRO) TIPO FONDO PLANO CBC
Con el fin de ampliar el campo de trabajo de los hidrociclones hacia tamaños de corte mayores, por encima de las 150 micras surgió, basándose en la cama de sólidos que se crea en los ciclones de cono obtuso, el desarrollo de los llamados ciclones de fondo plano, mejor llamados por su inventor el Prof. Dr. Helmut Trawinski de Amberger Kaolinwerke Gmbh Ciclones CBC (Circulating Bed Cyclone) o (Circulating Bed Classifier), ciclones de lecho circulante
o
clasificadores
del
lecho
circulante.
Se explicaba anteriormente que el lecho "fluido" creado en la zona inferior de los ciclones de cono ancho, no es un lecho estacionario, sino que está dotado de un movimiento de convención alrededor del núcleo central, lo cual favorece la reclasificación de partículas, ligeras o de pequeño tamaño, mal clasificadas, que en su movimiento constante son en algún momento arrastradas por el torbellino interior o principal, siendo finalmente evacuadas con el rebose superior.
Este principio no puede ser aprovechado en un ciclón cónico, porque un aumento de la altura del lecho provocaría rápidamente la obstrucción de la boquilla de descarga, debido a la fricción de las partículas con la pared cónica (efecto silo), pero si puede ser desarrollado, alejando la pared del orificio de descarga, para lo cual se elimina la zona cónica, prolongando
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HIDROCICLÓN
al mismo tiempo la zona cilíndrica y "cerrando" el ciclón con un fondo horizontal o casi, con un ángulo comprendido entre l60º-l80º. El lecho fluido creado en el fondo del ciclón actúa como un "colchón", amortiguando las variaciones en la alimentación, tanto en caudal como en concentración de sólidos. Este efecto es de sumo interés, especialmente en circuitos cerrados de molienda donde existen variaciones frecuentes de la concentración de sólidos en la alimentación, debido a los cambios de dureza del mineral y otras variables. Una disminución de la concentración de alimentación es seguida de una disminución de la concentración en la descarga, lo que provoca automáticamente una pérdida de partículas finas con el producto grueso (cortocircuito
o
by-pass).
Contrariamente a lo que podría pensarse la tendencia a la obstrucción de la descarga, por aumentos en el tonelaje de sólidos, es menor en ese tipo de ciclones que en los convencionales, resultando extraño, llegar a la obstrucción total, lo que es bastante usual en circuitos de molienda, con las terribles consecuencias que esto trae para los circuitos de flotación posteriores que reciben el producto del rebose de los ciclones.
8. PRINCIPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS HIDROCICLONES Las fuerzas que actúan sobre las partículas livianas dentro de un medio denso, provocando la flotación de estas, producen además que estas asciendan a la superficie, mientras que las partículas más densas, al ser más pesadas que el fluido que desplazan, se hunden. Las magnitudes de estas fuerzas, gravitacionales y de empuje, son de mucha importancia, ya que estas son las que regirán la velocidad con la que se producirá la separación de las partículas, lo cual a su vez determinara cual debe ser la capacidad del estanque (hidrociclón). Para separadores centrífugos, el balance entre estas fuerzas gravitacionales (centrifugas) y de flotacion (empuje) puede escribirse como:
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Donde: 𝐹= Fuerza sobre la partícula. 𝑀𝑠= Masa de la partícula. 𝑀𝑓= Masa del fluido desplazado por la partícula. 𝜈= Velocidad Tangencial de la partícula. 𝑅= Radio del ciclón. La fuerza resultante sobre la partícula se balanceará, sin embargo, cuando la partícula en cuestión alcance la velocidad terminal. Las partículas que estén sujetas a una fuerza resultante pequeña, se comportaran según la Ley de Stokes, donde la resistencia del fluido se debe principalmente a su viscosidad. Las partículas que estén sujetas a fuerzas de mayor magnitud, se regirán según Newton, donde la resistencia del fluido es principalmente inercial e independiente de la viscosidad. A raíz de esta disyuntiva, es que no es posible lograr una u ‘nica ecuación que describa la velocidad terminal que alcanzaran las partículas en el medio. En un hidrociclón típico, las fueras actuando sobre una partícula que se encuentra en el cilindro de alimentación son del orden de 20 veces mayores que la fuerza de gravedad. En la sección cónica del hidrociclón sin embargo, la velocidad tangencial de la partícula aumenta siguiendo la siguiente relación: 𝜈√𝑅 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 Con lo que se obtiene que, en el Ápex, la aceleración aumente hasta ser del orden de 200 veces la aceleración de gravedad. Los separadores de medios densos que existen actualmente tienen, en su mayoría, diámetros que se mueven en el rango de 0.5 - 1 m, donde los de 0.5 m de diámetro tienen capacidades de procesamiento del orden de las 50 tph. Un ´ángulo usual para la sección cónica es de 20 grados.
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8.1. DIAGRAMA IDEAL DE FLUJO El flujo ideal en un hidrociclón es una espiral ascendente contenida de otra espiral descendente. El fluido que entra a gran velocidad debido a la presión de entrada, comienza a deslizarse tangencialmente por las paredes del ciclón, formando el espiral exterior ascendente. La presencia del Ápex en la cabeza de parte cónica hace que una parte del fluido se separe de la masa descendente del espiral exterior, originando el flujo de descarga, llamado también UNDERFLOW, que arrastra consigo los productos gruesos de la separación. Este flujo aumenta cuando el ángulo 𝜃 de la sección cónica, crece. La cantidad de flujo que no descarga en el ápex sigue su movimiento rotatorio con un cambio en la componente vertical de si velocidad que origina una espiral interior que lleva consigo los materiales más finos de la separación, los cuales salen por la abertura superior llamada VORTEX-FINDER. A este flujo ascendente se le llama Overflow. Es importante notar que tanto el espiral descendente como el ascendente giran hacia el mismo lado, como se aprecia en la siguiente ilustración.
Ilustración 10: REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DEL FLUJO IDEAL
La inversión del flujo se explica por la incapacidad del ápex de canalizar toda la masa en movimiento.
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HIDROCICLÓN
Es por esto que parte del flujo asciende por el espiral interior y sale por el vortex-finder. En general, el movimiento de rotación produce movimiento relativo del particulado suspendido en el fluido, lo que permite una separación entre ellos, o en relación al fluido. 8.2. ESQUEMA DE FLUJO REAL En la realidad, el diagrama de flujo ideal se ve alterado por el roce, ya que ´este causa pérdidas en la velocidad tangencial, lo que redunda en un flujo no tangencial que lleva partículas al ápex, las cuales no siguen el proceso de las espirales y descargan directamente en el underflow. 8.3. PARÁMETROS DE REPARTO A continuación se definirá una serie de parámetros o indicadores que permitirán lograr y entender el desarrollo posterior. En cualquier operación de un hidrociclón es posible establecer el siguiente esquema, mostrado en la siguiente ilustración.
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HIDROCICLÓN
Siendo, 𝑇𝑖: el flujo másico en tph de solido seco en la corriente i 𝑀𝑖: flujo volumétrico en m3h de pulpa en la corriente i 𝐿𝑖: volumen en m3h de líquido en la corriente i 𝐽𝑖: concentración de sólidos, expresadas en gramos de solido seco por litro de pulpa Se definen entonces los siguientes parámetros: Reparto de sólidos (𝜃)
Reparto de pulpa (𝛼)
Es la relación de volumen de pulpa de alimentación que es evacuado por la corriente de finos Reparto de líquido (𝜏)
Relación de volumen de líquido de alimentación que es evacuado por la corriente de finos. A pesar de la simplicidad de las relaciones anteriores, en operaciones normales resulta prácticamente imposible cuantificar las masas de sólido o volúmenes de pulpa en las diferentes corrientes de hidrociclón, por lo que se hace necesario desarrollar un método de cálculo de estos parámetros, en base a las concentraciones de sólidos, las cuales pueden ser determinadas fácilmente mediante toma de muestras. El desarrollo de estas expresiones es extenso, por lo que se omitir a, presentándose solamente los resultados finales, los cuales son:
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Reparto de Solido
Donde se tiene que: 𝐽𝑍: concentración de sólidos a la entrada 𝐽𝐺: concentración de sólidos en el grueso 𝐽𝐹: concentración de sólidos en el fino Además, 𝜖 se define como el Factor de Espesado, que a su vez se define como:
Reparto de pulpa
Reparto de líquido
Dónde: 𝛾𝑆: densidad específica del sólido. 8.4. CONTENIDO DE FINOS EN EL GRUESO Llamamos contenido de finos en la fracción gruesa, o desclasificado fino en gruesos a la relación entre la masa de partículas más finas que el tamaño 𝑑𝑝 con respecto a la masa total de partículas de la corriente de gruesos; es decir:
Esta última expresión nos permite estimar el contenido de finos en el grueso que se pierde por el 𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟𝑓𝑙𝑜𝑤 del ciclón, a partir de las concentraciones de sólidos en las diferentes
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corrientes del ciclón (Alimentación, Finos y Gruesos). Es importante señalar, que gran parte del desarrollo presentado recién, se basa en un supuesto bastante fuerte, el cual es que no existe contenido de gruesos en el fino que sale por el overflow, en contraposición a lo anterior. 8.5. EL LUGAR GEOMÉTRICO DE VELOCIDAD VERTICAL CERO La existencia de un espiral exterior descendente y uno interior ascendente crea una interfaz en la que la velocidad vertical, o axial, es nula. Esto se produce a lo largo de todo el cuerpo del ciclón, y se puede trazar un lugar geométrico en el que la velocidad vertical es cero. Un flujo turbulento se genera en las proximidades de esta región.
Ilustración 11: REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DEL LUGAR GEOMÉTRICA DE VELOCIDAD VERTICAL CERO
8.6. LA COLUMNA DE AIRE La rotación del fluido al interior del hidrociclón crea un gradiente de presiones, el cual está definido por una baja presión en el centro y una presión elevada en las partes más periféricas del fluido (más cerca a la pared interior del hidrociclón). Esta diferencia de presión se sustenta principalmente a la variación en el empuje que necesitan las partículas, ubicadas a distintos radios del centro, para mantener su trayectoria de rotación. En otras palabras, partículas que se encuentran a una mayor distancia del centro necesitan de un mayor empuje para permanecer en su trayectoria, pues están expuestas a una mayor
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aceleración que las arroja hacia las capas más exteriores del fluido, en comparación con una partícula que se encuentra a una menor distancia del centro. A partir de este gradiente de presión, se produce una zona de baja presión en el centro del hidrociclón, hacia la cual difundirá aire proveniente tanto de las burbujas contenidas en el fluido cuando entró al hidrociclón, como aire proveniente del exterior, que ingresó al fluido a través del underflow, si es que existe la condición de descarga en cono o spray
Ilustración 12: ESQUEMA DE LA FORMACIÓN DE LA COLUMNA DE AIRE AL INTERIOR DEL HIDROCICLÓN
Dado que la columna de aire representa en el fondo una pérdida de volumen efectivo o de capacidad del hidrociclón, se han estudiado y desarrollado diversas alternativas con el propósito de suprimirla. Una opción es evitar la comunicación directa con la atmosfera (en el underflow por ejemplo), o la inyección de una presión adicional al interior del hidrociclón, con el propósito de disminuir el gradiente de presión y dificultar la formación de la columna de aire. La superficie de la columna de aire se supone de manera lógica como irregular, debido a la distorsión de las ondas que se generan dentro del ciclón, sin embargo, para diversos estudios esta condición no aplica y se supone la columna de aire con una superficie constante a lo largo del hidrociclón.
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El rango de variación para el diámetro de la columna de aire ha sido dado como 0.06 Dc hasta 0.33 Dc, donde Dc corresponde al diámetro de la parte cilíndrica del cuerpo del ciclón. Experiencias indican que una presión mínima para ciclones normales, suficientes para formar una columna de aire es de 5 psi. 9. MATERIALES Las paredes del hidrociclón se ven severamente afectadas por la abrasión provocada por la pulpa, por lo que la vida útil depende en gran medida del material utilizado. En la siguiente tabla se observan distintos materiales utilizados en la confección del ápex. Para las paredes de hidrociclones se tienen distintos materiales y sus vidas útiles, lo que se presenta en la siguiente tabla referida a (materiales para el uso de paredes de ciclón). Es posible observar que la vida de los hidrociclones es en general baja, por lo que se deben buscar materiales que la aumenten.
Ilustración 13: MATERIALES PARA EL USO EN SECCIONES DE ÁPEX
Ilustración 14: MATERIALES PARA EL USO EN PAREDES DE CICLÓN
Se toma como referencia los ciclones diseñados por KREBS Engineers para usos similares, quienes para el casquete utilizan acero al carbono y en la parte interior de la sección cilíndrica utilizan una goma crepe o (BLUE PALE CREPE GUM RUBBER), lo que evita la abrasión del acero y aumenta la vida útil del hidrociclón.
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10. CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO DE HIDROCICLONES La segregación rápida y clasificación efectiva de las partículas sólidas en un medio denso se consigue aumentando la magnitud de las fuerzas que actúan sobre ellas. Los clasificadores centrífugos logran este aumento reemplazando las fuerzas gravitacionales a las que están sujetas las partículas por fuerzas centrifugas. Dentro de los clasificadores centrífugos, los dispositivos más simples son los hidrociclones, tanto por sus componentes (no poseen partes móviles), como por su facilidad de operación y control. En la siguiente ilustración se muestra un esquema típico de un hidrociclón. Del esquema se debe destacar que la entrada (alimentación) es tangencial al cilindro de alimentación (feed cylinder). La geometría de la sección de entrada puede variar, siendo por lo general circular, ovalada o rectangular, obteniéndose distintos perfiles de velocidad del fluido para cada geometría. Otra característica importante de diseño tiene que ver con el recubrimiento interno que poseen tanto el cilindro de alimentación como las secciones cónicas posteriores, el cual consiste en una capa de goma u otros revestimientos sintéticos (Neopropeno o Uretano), esto debido a la naturaleza abrasiva de los fluidos que se procesan. Con respecto a las dimensiones actualmente utilizadas en el diseño y construcción de estos dispositivos, es necesario destacar que estas son de origen empírico, existiendo diferencias en las dimensiones si se considera el hidrociclón como un dispositivo de clasificación o uno con el propósito de disminuir la cantidad de agua en una mezcla
Ilustración 15: ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN HIDROCICLÓN
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III.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En el sector minero y sus zonas industriales es necesario el procesamiento de minerales para su liberación y separación la mena con la ganga, siendo parte de ello he indispensable los hidrociclones, lo cual hace necesario que en este sector se realice el estudio y análisis de manera global y detallada que sirvan de base para posteriores estudios académicos y científicos que puedan solucionar problemas industriales y mineros de clarificación y clasificador de minerales que permitan facilitar el desarrollo de obras ingenieriles que requieran del conocimiento de las condiciones técnicas y conceptuales imperantes en el sector para un adecuado aprovechamiento de los equipos existentes.. De no existir suficiente información sobre hidrociclones, se podría atrasar el desarrollo de obras que necesiten un conocimiento subyacente en esta rama, lo que dificultaría y ralentizaría el proceso de solución de problemas que afecten al sector en relación al abastecimiento de dimensionamiento de equipos. IV.
OBJETIVOS
4.1. OBJETIVO GENERAL Conocer los tipos de hidrociclones, funcionamiento, aplicación, parámetros, características de diseño, materiales de un hidrociclón, con el que vamos a trabajar en planta concentradora de minerales para así poder determinar el dimensionamiento de los equipos y a la vez como lograremos obtener una mayor productividad.
4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Definir la aplicación, funcionamiento y principios básicos de funcionamiento de un hidrociclón. Determinar los parámetros básicos y características mecánicas de un hidrociclón. Fijar los materiales y las características de diseño de un hidrociclón. Ampliar conocimientos en la relación al dimensionamiento de hidrociclones.
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V.
FORMULACIÓN DE LA HIPÓTESIS
Si se realiza el diseño óptimo y eficaz de un hidrociclón entonces se obtendrá un tamaño adecuado de finos del rebose.
VI.
OPERACIONALIDAD DE LA HIPÓTESIS
Tabla 4: OPERACIONALIDAD DE LA HIPÓTESIS
VARIABLES
DEFINICIÓN
DIMENSIÓN
INDICADORES
OPERACIONAL Diseño óptimo y Maquinaria de trabajo utilizado en su Calidad eficaz de un
mayoría en el área de molienda, el cual no servicio
hidrociclón
consta de partes móviles, haciéndolo
de
Efectividad
simple y fácil de usar. Tiene gran capacidad, cubre sólo áreas pequeñas, desprende
alta
eficiencia
de
la
clasificación, el tamaño excelente de la separación y fuerte capacidad de trabajo. Tamaño adecuado de finos del rebose
Es el resultado del hidrociclón el cual este Granulometría pasa a la siguiente etapa llamada: flotación esencial
Utilidad de los y
finos
conveniente para ser utilizada en la flotación
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VII.
DISEÑO DE INVESTIGACIÓN, MÉTODOS Y TÉCNICAS
DISEÑO DE INVESTIGACIÓN Es cualitativa porque constituye un método de investigación utilizado por estudiantes que analizan el comportamiento de un producto para llegar a una cierta conclusión al final del estudio. MÉTODO DE LA INVESTIGACIÓN Es un método inductivo analítico porque conduce el pensamiento de lo particular a lo general o universal, siendo de base la observación. Analizando el diseño de un hidrociclón desde un caso aislado hasta su relevancia en el proceso de concentración de minerales. TÉCNICA DE INVESTIGACIÓN Es explicativa porque profundiza el conocimiento de la realidad, nos explica la razón y el porqué de las cosas teniendo como objetivo conocer porque suceden ciertos hechos.
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VIII. RESULTADOS
1) ESTIMACIÓN
DE
PARÁMETROS
DE
FUNCIONAMIENTO
DEL
HIDROCICLÓN Para terminar con el dimensionamiento del equipo, de presentan a los resultados de los cálculos relacionados con parámetros de funcionamiento del hidrociclón, tales como los parámetros de reparto (reparto de sólidos, reparto de pulpa y reparto de líquidos), el porcentaje del fluido de entrada que sale en corto circuito y el porcentaje que queda en el llamado flujo muerto. Reparto de solidos θ= 63,8%
Reparto de pulpa α = 95,2%
Reparto de líquidos Γ
= 96,0%
Flujo en corto circuito BP = 4,0% Flujo de remanso T0 = 13,2% Porcentaje de _nos en el grueso fC = 20,7% Estos resultados se obtuvieron a partir de las formulas y metodologías anteriormente señaladas.
2) DIMENSIONAMIENTO DE HIDROCICLÓN
a) Datos de Entrada Antes de presentar los resultados finales del dimensionamiento del hidrociclón, es necesario presentar de forma clara y precisa los parámetros necesarios para los distintos cálculos que forman parte del proceso de selección. Los datos necesarios se presentan a continuación: Presión a la Entrada del Hidrociclón, 20 psi Concentración de sólidos a la entrada del hidrociclón, 28% Densidad del líquido, 1000 kg=mt3 Densidad del sólido, 8960 kg=mt3 Densidad de la Pulpa a la entrada del hidrociclón pág. 34
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Flujo másico en el hidrociclón Gravedad específica del sólido Granulometría de corte deseada, 50_m Como se observa, algunos de los parámetros presentados recientemente presentan valores conocidos, otros no y otros corresponden a valores impuestos, para definir el funcionamiento del hidrociclón (como es el caso de la granulometría de corte). Esto se debe a que solo algunos de estos valores pudieron ser obtenidos de la visita a terreno. El resto de los parámetros fue necesario estimarlos en base a supuestos, algunas veces bastante fuertes, para lograr finalmente el dimensionamiento del equipo. En la siguiente sección se presentan los cálculos y procedimientos utilizados para estimar los valores faltantes de los parámetros de entrada necesarios para realizar el dimensionamiento y posterior selección del equipo.
b) Estimación de parámetros necesarios Densidad de la Pulpa a la entrada del Hidrociclón y Gravedad Específica del sólido Conocida la densidad del fluido (Agua, ρa), la densidad del sólido (Concentrado de Cobre, pero se aproxima a la densidad del Cobre puro, ρs) y la concentración de sólidos a la entrada del equipo (Cs), la densidad de la pulpa puede estimarse mediante la siguiente fórmula.
Evaluando la fórmula anterior, se tiene que:
Ahora, con el propósito de simplificar los cálculos posteriores, se considera el supuesto de que la densidad de la pulpa no varía en las distintas etapas relativas al funcionamiento del hidrociclón. Por su parte, la gravedad específica del sólido (γs) puede estimarse de manera muy fácil a partir de la siguiente fórmula: pág. 35
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Flujo Másico en el Hidrociclón Los distintos flujos másicos que existen en el proceso de funcionamiento del hidrociclón (flujo de entrada, overflow y underflow) se estimaron a partir de una iteración basada en los siguientes supuestos: La densidad de la pulpa se mantiene constante en todos los puntos El flujo proveniente del circuito Scavenger se desprecia El 20% del fluido proveniente del circuito Rougher tiene una granulometría de 50_mt, que coincide con la granulometría de corte impuesta para el hidrociclón El molino tiene una efectividad del 80% de efectividad en la molienda El hidrociclón tiene un 100% de efectividad en la selección del material Como punto de partida se utilizaron datos adquiridos en la visita, a través de imágenes de las pantallas de la sala de control.
Ilustración 1617 : ESQUEMA DE LA ITERACIÓN UTILIZADA
A modo de ejemplificar la lógica detrás de la iteración, se describirán a continuación los primeros 2 pasos, para la iteración completa, revisar el Anexo: Al comienzo, entran 1838.63 TPH al ciclón provenientes del circuito rougher, de estas, aprueban el 20 %, correspondientes a 367.73 TPH, y el 80% que sale por el undeflow 1470.9 TPH - va hacia el molino. En el molino, de estas 1470.9 TPH, el 80% es
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satisfactoriamente reducido al tamaño deseado (1176.723 TPH), mientras que el 20% restante (353.02 TPH) todavía presenta una granulometría mayor a la deseada. Ahora, las 1470.9 TPH que entraron al molino (y salieron), se juntan con las 1838.63 TPH provenientes del rougher, es decir, en el acumulador tendremos 3309.53 TPH, las cuales entraran al ciclón, aprobando solo 1544.45 TPH (el 20% de las 1838.6 TPH más las 1176.723 TPH reducidas satisfactoriamente en el molino), mientras que las otras 1765.08 TPH irán al molino a ser procesadas con un 80% de efectividad y así sucesivamente. Finalmente, se puede decir que la iteración converge después de 10 pasos, a los valores que se muestran en la siguiente tabla. Tabla 5: RESULTADOS DE LA ITERACIÓN REALIZADA, PARA ESTIMAR EL CAUDAL MÁSICO QUE DEBE PROCESAR 1 BATERÍA DE HIDROCICLONES
FLUJO Flujo másico hacia los hidrociclones
3677.26 Tn/hr
Flujo de overflow
1838.63 Tn/hr
Flujo de underflow
1838.63 Tn/hr
Dimensionamiento de hidrociclón Las distintas básicas del hidrociclón se estiman mediante recomendaciones que se basan en la parametrización de estas en función de una dimensión base. Se utilizaran las relaciones establecidas presentada anteriormente, tomando como dimensión base el diámetro de la sección cilíndrica del hidrociclón, el cual tendrá un valor de 50 pulgadas, manteniendo así las dimensiones de los hidrociclones observados en la visita. A partir de esto, las dimensiones obtenidas son las que se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 6: RESULTADOS DEL DIMENSIONAMIENTO DEL HIDROCICLÓN
DIMENSIÓN Dc
508 mm
Di
127 mm
Do
169.3 mm
Lc
2540 mm
Lv
203.2 mm
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IX.
DISCUSIÓN
En el objetivo general que planteamos en nuestra investigación, hemos incluido la valoración de críticas y revisiones técnicas de ingenieros sobresalientes en el tema sobre el grupo cualitativo comparando su efectividad al tener una calidad de finos a través de diversas variables analizadas y la disminución del número de gruesos en la descarga. Vamos a centrar la discusión en aquellos aspectos más relevantes que se han extraído de los resultados obtenidos, dado que no disponemos de elementos específicos de comparación con los que contrastar nuestros resultados y nuestras aportaciones. Respecto a lo mencionado en el párrafo anterior, se podría decir que se acepta la hipótesis planteada: Si se realiza el diseño óptimo y eficaz de un hidrociclón entonces se obtendrá un tamaño adecuado de finos del rebose. Ya que un diseño muy bien elaborado con los materiales apropiados, se obtiene un equipo de maquinaria eficiente para su desempeño.
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X.
CONCLUSIONES
1. Se investigaron distintas características de funcionamiento y metodologías de diseño de estos equipos, seleccionando aquella que se acomodaba de mejor manera a la operación con concentrado de cobre. 2. Tras lo anterior, se procedió al dimensionamiento del equipo y al análisis del funcionamiento de este bajo distintos requerimientos operacionales. 3. Se fijó los materiales y las características de diseño de un hidrociclón. 4. Se determinó los parámetros básicos y características mecánicas de un hidrociclón. 5. Se definió la aplicación, funcionamiento y principios básicos de funcionamiento de un hidrociclón.
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XI.
RECOMENDACIONES
El presente estudio basado en condiciones actuales y tomando en cuenta los recursos existentes, se ha buscado un eficiente y óptimo diseño de hidrociclón, sin embargo se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones para que sea aprovechada de la mejor manera: 1. Se puede mejorar el hidrociclón obteniendo un modelo matemático, a partir de la identificación de sistemas no lineales, para obtener una mejor aproximación real, lo que implica obtener los permisos correspondientes para el acceso y la obtención de datos. 2. La alternativa de instalar un circuito de clasificación de hidrociclones presenta la ventaja de que el hidrociclón es un equipo de fácil construcción y de menor costo que otros clasificadores. Sin embargo, esta ventaja inicial se puede ver desmerecida por la necesidad de instalar una bomba de sólidos para bombear la mezcla a través del hidrociclón. La bomba eleva notablemente el costo del circuito de cicloneo y la potencia eléctrica que se requiere para bombear hace que este tipo de circuitos tenga un consumo elevado de corriente eléctrica con respecto a otros circuitos. Pero sucede, no es pocos casos que los circuitos de clasificación con clasificadores helicoidales requieren de una bomba adicional para enviar la mezcla del rebose hacia la sección de flotación, haciendo que la diferencia en consumo eléctrico con respecto a los circuitos de cicloneo no sea tan distinta.
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XII.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Cuevas, Juan; Torres, Fernando. “Diseño hidrociclón”. Chile: Universidad de Chile, 2010.
Disponible
en
https://www.u-
cursos.cl/ingenieria/2010/2/ME56B/1/material_docente/bajar?id 2. López, Liliana; Miranda, Lisbeth. “Efecto de la viscosidad de una suspensión en la clasificación de hidrociclones”. Colombia: Universidad nacional de Colombia, 2009. Disponible en: https://es.scribd.com/document/127837050/hidrociclones-pdf 3. Falcón, Ariel; Góngora, José. “Evaluación de trabajo de un hidrociclón para la clasificación de la pulpa de cienos carbonatados”. Cuba: Universidad de Oriente, 2014. Disponible en: http://www.redalyc.org/pdf/4455/445543782008.pdf 4. Pacheco, Jean; Pérez, Carlos. “Desarrollo de un sistema de diagnóstico de fallas basado en relaciones de redundancia analítica para el circuito de molienda de un proceso minero”. Perú: Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016. Disponible en: http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/bitstream/handle/123456789/6937/PACHECO_ JEAN_DIAGNOSTICO_FALLAS_REDUNDANCIA_ANALITICA_MOLIEND A.pdf?sequence=1 5. Hauke, Guillermo. “Separación de partículas de un hidrociclón”. España: Universidad
de
Zaragoza,
2012.
Disponible
en:
http://www.cps.unizar.es/~jblasco/hidrociclon.pdf
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XIII. ANEXOS
Ilustración 17: HIDROCICLON - HYDROVORTEX
Ilustración 18: HIDROCICLÓN EN PLANTA CONCENTRADORA
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