1.2. 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.

Se construyen en diámetros comprendidos entre 250 mm y 1250 mm, aunque algunos fabricantes construyen modelos de hasta 2000 mm (Fig. 3).

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 (Fig. 4).

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.

2. HIDROCICLONES CILINDRICOS

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.

2.1. 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. Un 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 (Fig. 5).

Recientemente, hace unos 3 años, esta "vieja idea" reapareció en el mercado con la variante de introducir una inyección de agua, en la cámara de conexión entre los dos hidrociclones. De este modo el agua actúa diluyendo la alimentación al segundo ciclón, mejorando así la eficacia de separación.

En resumen, este nuevo diseño, llevado a la práctica por la firma LAROX bajo el nombre de Twin Vortex Cyclone presenta las ventajas de una doble etapa de clasificación, pero sin la necesidad de una bomba intermedia (Fig. 6).

Este tipo de hidrociclones debería presentar ventajas operativas en procesos de tratamiento de minerales industriales, donde se opera normalmente a bajas concentraciones de sólidos.

2.2. 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 (Fig. 7).

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 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 (corto-circuito 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.

La responsabilidad de esta "resistencia" al bloqueo debemos buscarla en los flujos de convección existentes en el lecho de sólidos que lo mantienen en rotación (Fig. 8).

Este fenómeno puede ser observado cuando agitamos con una cucharilla una taza de café, conteniendo algunos sólidos. La velocidad de rotación, debido a la fricción, se reduce en el fondo de la taza, mucho más que en la superficie superior del líquido, (al igual que sucede en un ciclón fondo plano).

En el caso del CBC la rotación de la superficie superior del lecho es generada por la rotación de la suspensión existente sobre él mismo. Se crean así mayores fuerzas centrífugas en la zona superior del lecho que en la zona inferior en contacto con el fondo y esto origina una corriente de convención, con sentido arriba-abajo, a lo largo de la pared cilíndrica, y con sentido abajo-arriba en la zona central. Esta última corriente provoca una disminución de la carga en dicha zona central, descargando el orificio de la boquilla y evitando el bloqueo.

Las dos corrientes de convención provocan finalmente un flujo radial de la pulpa, transportando los sólidos en el fondo plano, desde la pared cilíndrica hasta el orificio de descarga, haciendo innecesario la existencia de un fondo cónico para ayudar a la extracción.

Adicionalmente estos flujos provocan un enriquecimiento de la fracción gruesa o pesada, ya que muchas de las partículas finas o ligeras son arrastradas "graciosamente" por el torbellino principal al rebose. Este fenómeno puede ser utilizado también para enriquecimiento de minerales (clasificación selectiva).

El nivel o altura del lecho sólido determina el tamaño de separación, ya que lógicamente provoca un cambio en la altura libre de vórtice (Fig. 9).

La superficie hipotética, dada por el diámetro de la tobera de rebose -Do- y la altura libre de vórtice -hi-, podría asumirse como la superficie de clasificación, y esto explicaría él por qué el tamaño de corte es inversamente proporcional a esta altura libre -h-, tal y como refleja la ecuación siguiente:

Variando la longitud de la parte cilíndrica del ciclón, mediante la adición o sustración de cuerpos cilíndricos o bien variando la altura del lecho fluido creado mediante el empleo de boquillas de diferentes diámetros, es posible modificar el tamaño de corte del hidrociclón (Fig. 10).

Numerosas pruebas de laboratorio, así como valiosa información obtenida del gran número de ciclones CBC hoy en funcionamiento, permiten establecer una relación entre el tamaño de corte alcanzado con ciclones cónicos y CBC de igual diámetro (Fig. 11).

Podría generalizarse diciendo que la relación entre el tamaño de corte (d₅₀) obtenido en un ciclón CBC (del mismo diámetro y longitud), y el obtenido en un ciclón convencional de aproximadamente 20º, es de 2,5. Variando el número de cuerpos cilíndricos en el CBC pueden alcanzarse relaciones entre 1 y 2,5.

Lo hasta ahora aquí expuesto resulta de enorme interés si consideramos que ello permite expandir el rango de operación de los hidrociclones, en cuanto al tamaño de separación, hasta más de 500 micras.

A modo de ejemplo un hidrociclón de 200 mm de diámetro puede alcanzar cortes entre 15 micras y 200 micras según se utilice configuración cónica o CBC, por supuesto a diferentes presiones y con diferentes toberas de alimentación y rebose.

No es tan sólo ésta la única ventaja de los hidrociclones CBC frente a los cónicos, además también la selectividad o eficacia de separación es más elevada en este
tipo de ciclones.

De todo es conocido que la separación en un hidrociclón se lleva a cabo en la corriente interior ascendente, también llamada torbellino secundario. Resulta fácil entender que en un ciclón CBC dicha corriente está muy separada de la corriente primaria descendente o torbellino primario. La corriente primaría se introduce en el lecho fluido para formar la corriente secundaria ascendente sin apenas disturbar la formación de ésta, por lo que el flujo del rebose es más estable y no transporta accidentalmente partículas extrañas. La granulometría del producto fino o ligero resulta así más uniforme. Adicionalmente, la tercera corriente de convención que se crea efectúa un post-deslamado de la fracción gruesa que forma el lecho fluido.

Todo esto combinado, conduce a unos valores de imperfección más bajos, es decir a una mayor eficiencia de separación.

Sería conveniente destacar dos aplicaciones muy interesantes de estos hidrociclones de fondo plano CBC La primera en circuitos cerrados de molienda a alta densidad y la segunda en circuitos de concentración gravimétrica. En ambos casos y por razones distintas este tipo de ciclón ha aportado valiosas soluciones a viejos problemas.

2.2.1. Circuitos cerrados de molienda a alta densidad

La tendencia actual, como consecuencia de la caída del precio de los metales, ha sido y es aumentar la capacidad de tratamiento de las plantas de concentración existentes, bien para compensar las pérdidas de ley en los minerales brutos o bien para disminuir los cortes operativos en base a un mayor tonelaje producido con los mismos equipos.

La primera vía para aumentar el tonelaje de los circuitos de molienda, sin aumentar los equipos de molienda, (de costo elevadísimo, en algunos casos más del 50 % de la inversión de una planta), es aumentar el tamaño del producto de entrada a flotación.

Esto se logra fácilmente modificando el tamaño de corte en los hidrociclones, y el modo más sencillo de hacerlo sin cambiar ni los ciclones ni las bombas instaladas es aumentar la concentración de sólidos en la alimentación a los mismos.

De este modo, efectivamente el objetivo se consigue, pero la eficiencia de clasificación se ve reducida como consecuencia de la clasificación obstaculizada que tiene lugar en el interior del hidrociclón (en otras palabras la lucha a muerte de tantas partículas entre sí, en el interior del ciclón, para conseguir un espacio en que sobrevivir).

El camino más razonable, desde el punto de vista técnico, sería cambiar los hidrociclones por otros de mayor diámetro, que puedan alcanzar el corte deseado (más grueso) en condiciones óptimas. Lamentablemente, en la mayoría de los casos, esto no es posible pues obligaría a manejar mayores volúmenes de pulpa, que irían finalmente al circuito de flotación y el tiempo de residencia se reduciría notablemente con la consiguiente pérdida en la recuperación.

Por otro lado, emplear ciclones de mayores dimensiones significaría en muchos casos disponer de tan sólo una o dos unidades en operación y esto
restaría flexibilidad al circuito frente a variaciones de tonelaje, pues no podría variarse el número de ciclones en operación. A este respecto diríamos que el mínimo número recomendable de unidades en operación en circuitos con grandes variaciones debería estar entre 4 y 6.

Frente a todos estos problemas el hidrociclón CBC aporta una gran solución. Como se ha expuesto, un ciclón de fondo plano puede alcanzar cortes mayores, hasta casi 3 veces que otro convencional de su mismo diámetro, es decir, manteniendo sin variación el caudal unitario de tratamiento. Además, su menor imperfección (menor corto-circuito) y menor tendencia al bloqueo lo convierten en una herramienta valiosísima para este tipo de circuitos de molienda.

Son numerosos en la actualidad los hidrociclones CBC actualmente en funcionamiento en esta aplicación concreta (Fig. 12).

2.2.2. Circuitos de concentración gravimétrica

Los equipos de concentración gravimétrica, generalmente sencillos en su funcionamiento, requieren por norma una alimentación lo más uniforme posible, tanto en tonelaje como en concentración de sólidos.

Este requisito, por otro lado común a la mayoría de los equipos de tratamiento, es más importante, si cabe, en aquellos de concentración gravimétrica, como Jigs, Mesas de sacudidas, Espirales y Conos Concentradores.

Además, estos equipos requieren una alimentación sin lamas o partículas ultrafinas que, aumentando la viscosidad del medio líquido en que van suspendidos los sólidos, dificultan el proceso de separación.

Ambas necesidades pueden ser resueltas al mismo tiempo mediante el empleo de los ciclones CBC.

Llevando a cabo la alimentación al equipo de concentración, espirales, jigs, etc., a través de hidrociclones CBC se consigue, al mismo tiempo que el deslamado o clasificación necesaria, una alimentación estable, gracias a la descarga uniforme de estos equipos (Fig.13).

Como se mencionó, el lecho fluido creado en el fondo plano actúa como un "colchón" que amortigua las variaciones en la concentración de alimentación al mismo tiempo que permite mantener prácticamente constante el tamaño de corte. Por otro lado, como también se mencionaba, se crea una clasificación selectiva de los diferentes minerales existentes en la alimentación de modo que se alcanza un considerable enriquecimiento del producto descargado como grueso o pesado, lo cual favorece el proceso de concentración posterior.

No debe olvidarse que en ocasiones un ciclón CBC puede ser un medio sencillo de preconcentrar minerales pesados ( p. ej. Oro, Estaño, Diamantes, etc. ) o bien minerales carboníferos.

3. OTROS HIDROCICLONES

Al comienzo citábamos otros tipos de hidrociclones que aún recibiendo este nombre, son notablemente distintos en cuanto a su aplicación práctica.

3.1. HIDROCICLON CRIBA

Este equipo, mejor llamado criba centrífuga, es básicamente un ciclón de gran diámetro (500 mm - 1000 mm) con sus paredes perforadas (Fig. 14)

Se emplea para clasificación por tamaños en vía húmeda con un rango de aplicación entre 0,2 mm y 2,0 mm, cubriendo el hueco existente entre hidrociclones y cribas convencionales, también ocupado por los hidroclasificadores.

La pulpa con los sólidos en suspensión entra tangencialmente a la parte cilíndrica, formando una lámina fluida pegada a la pared. Durante su recorrido las partículas finas atraviesan la pared a través de las aperturas rectangulares de la misma, junto con la mayoría del líquido soporte. Finalmente el producto grueso, exento de líquido, cae por la parte cónica, donde termina su proceso de escurrido (Fig. 15).

3.2. CICLON AIREADO

El ciclón aireado (Air-Sparged Cyclone) consiste en un hidrociclón cilíndrico cuyo cuerpo está construido en un material cerámico poroso. La circulación de la pulpa a alta velocidad crea un vacío en la pared, provocando la entrada desde el exterior, de pequeñas burbujas de aire menores a 0,5 mm, a través de la pared porosa.

Las partículas hidrófobas son transportadas en una fase espumosa por la corriente central ascendente, saliendo a través de la tobera de rebose (vortex) mientras que las hidrófilas, transportadas por la corriente descendente, son descargadas a través de la boquilla (Fig.16). 

Este nuevo tipo de hidrociclón se está empleando con bastante éxito en procesos de flotación para recuperación de metales y lavado de carbón, con mayor eficiencia que las tecnologías convencionales.

4. RESUMEN

Se han expuesto los últimos avances en hidrociclones que como se ve aportan soluciones adecuadas a los problemas actuales.

Los procesos de separación sólido-líquido son procesos dinámicos y, como tales reclaman una tecnología también dinámica.

Nuevas ideas y mejoras de otras hoy en uso, surgen cada día, ensanchando el campo de aplicación de estos sencillos aparatos.

La llegada de nuevos materiales constructivos, polímeros, cerámicas y aleaciones especiales, con mejores características de resistencia a la abrasión y corrosión, principales enemigos, de los hidrociclones permiten llevar a la práctica proyectos que hace años tuvieron que ser desechados.

La electrónica y la informática también se están introduciendo rápidamente, para permitir un mejor control, muy especialmente en la regulación de los flujos de descarga, y control de la presión de operación.

Con estas ayudas, no dudamos que se abre un futuro optimista para nuevas tecnologías de aplicación de los hidrociclones.

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- NEW DEVELOPMENTS FOR HYDROCYCLONES.
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Prof. Dr. H. Trawinski.

- CLASIFICATION HAND BOOK.
Prof. K. Heiskanen.

- THE HYDROCYCLONE.
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- SOLID, LIQUID SEPARATION EQUIPMENT.
Chapter 7. Hydrocyclones
Prof. Dr. H. Trawinsky.

- LAROX, TWIN VORTEX CYCLONE LEAFLEFT.

- COMUNICACIONES PERSONALES
Prof. Dr. H. Trawinski.
 
 
 

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