Hidrociclón

El hidrociclón es un dispositivo que utiliza la fuerza centrífuga para clasificar la pulpa. Fue fabricado y utilizado por primera vez en China por la empresa Yunnan Tin Industry Company. A principios de la década de 1960, comenzaron las pruebas en concentradoras de mineral de hierro, pero el hidrociclón no se generalizó durante mucho tiempo debido a su rápido desgaste, su corta vida útil y la dificultad para controlar los parámetros del proceso. Solo en los últimos años, gracias a las mejoras en la estructura y los materiales de fabricación del hidrociclón, así como al uso de dispositivos de control automático, sus ventajas han cobrado mayor relevancia, lo que ha llevado a su progresiva implantación y aplicación. Hace ya 30 años, los hidrociclones ya se utilizaban ampliamente en las plantas de concentración de mineral de hierro en el extranjero, sustituyendo prácticamente a los clasificadores en espiral. En China, sin embargo, no ha sido hasta los últimos años cuando algunas plantas avanzadas de concentración de mineral de hierro han comenzado a utilizar hidrociclones para sustituir a los clasificadores en espiral en la primera etapa de la operación de molienda y clasificación. Esto supone un avance tecnológico significativo.

¿Cómo se utiliza y se repara un hidrociclón?

Estructura y principio de funcionamiento del hidrociclón

En la figura 11-7 se muestra la estructura de un hidrociclón. Su parte superior es una carcasa cilíndrica hueca, y la parte inferior es un cono invertido conectado al cilindro. Juntas forman el cuerpo de trabajo del hidrociclón. En el extremo superior de la carcasa cilíndrica se instala tangencialmente un tubo de alimentación, y en la parte superior se montan un tubo de rebose y un conducto de rebose. En la parte inferior de la carcasa cónica hay una toma (salida de fondo). Las distintas partes están unidas mediante bridas y tornillos. La entrada de alimentación, la carcasa y la toma suelen estar revestidas de caucho, poliuretano, cerámica de alta alúmina, etc., para reducir el desgaste y poder sustituirlas cuando se desgasten. La toma también puede ser ajustable, lo que permite adaptar su tamaño según sea necesario. Los hidrociclones pequeños pueden fabricarse íntegramente en poliuretano.

La pulpa entra en la carcasa cilíndrica de forma tangencial a través del tubo de alimentación a una presión de 0,05-0,25 MPa y a una alta velocidad de 5-12 m/s, girando inmediatamente a gran velocidad alrededor del eje y generando una gran fuerza centrífuga. Las partículas de diferentes tamaños y densidades presentes en la pulpa experimentan fuerzas centrífugas distintas, por lo que sus velocidades de movimiento, aceleraciones y direcciones dentro del hidrociclón también varían. Las partículas gruesas y pesadas se ven sometidas a grandes fuerzas centrífugas, son lanzadas hacia la pared interior del cuerpo y se desplazan hacia abajo siguiendo una trayectoria espiral hasta el fondo, donde se descargan como flujo inferior (arenas) por la toma de salida. Las partículas finas y ligeras experimentan fuerzas centrífugas pequeñas, son arrastradas hacia el centro y forman un flujo espiral ascendente en la sección cónica, descargándose como rebosado a través del tubo de rebosado. El rango de tamaño de las partículas que separa un hidrociclón es, por lo general, de 0,3 a 0,01 mm.

Figura 11-7 Hidrociclón
1—Tubo de alimentación (entrada de alimentación); 2—Carcasa cilíndrica (sección cilíndrica); 3—Tubo de rebose (detector de vórtices);
4—Carcasa cónica (sección cónica); 5—Boquilla (salida de desagüe inferior / salida de arena); 6—Conducto de rebose (manguera de rebose / tubería de descarga)

Selección de parámetros para el hidrociclón

Existen numerosos parámetros relacionados con el hidrociclón, entre los que se incluyen los parámetros estructurales, los parámetros de funcionamiento del proceso y los parámetros relativos a las propiedades de la materia prima. Estos parámetros suelen estar interrelacionados y se condicionan mutuamente, lo que dificulta su ajuste y control. A continuación se describen brevemente los parámetros principales.

(1) Diámetro y altura de la carcasa cilíndrica. El diámetro de la carcasa cilíndrica es la principal especificación del hidrociclón y guarda una cierta relación con las dimensiones de los demás componentes. Al aumentar el diámetro, se incrementa la capacidad de procesamiento, pero se aumenta el tamaño de las partículas del rebosado, y viceversa. Para la clasificación de partículas finas y un mayor rendimiento, es habitual utilizar varios hidrociclones pequeños conectados en paralelo formando un grupo.

(2) Altura de la pared cilíndrica. La altura de la pared cilíndrica influye en el tiempo de permanencia de la pulpa en el hidrociclón y en la eficiencia de clasificación. Sin embargo, no es recomendable que sea ni demasiado alta ni demasiado baja. Por lo general, es de entre 0,6 y 1,0 veces el diámetro.

(3) Diámetro de la entrada de alimentación. El diámetro de la entrada de alimentación suele ser de entre 0,08 y 0,25 veces el diámetro del hidrociclón. Un valor mayor aumenta el caudal, pero reduce la eficiencia de clasificación. La entrada de alimentación suele tener forma rectangular.

(4) Diámetro del tubo de rebose. Por lo general, el diámetro del tubo de rebose es de entre 0,1 y 0,4 veces el diámetro del hidrociclón. Se puede utilizar para ajustar el rendimiento relativo del rebose y del flujo inferior. Al aumentar el diámetro del tubo de rebose, se incrementa el volumen del rebose, se aumenta el tamaño de las partículas del rebose, se reducen las partículas finas en el flujo inferior y se incrementa la concentración de este último.

(5) Diámetro de la boquilla. Aumentar el diámetro del grifo reduce el volumen de desbordamiento, hace que el desbordamiento sea más fino, aumenta el volumen del flujo inferior, reduce la concentración del flujo inferior y aumenta la cantidad de partículas finas en el flujo inferior, pero no tiene un efecto significativo en el rendimiento. Reducir el diámetro de la boquilla disminuye el volumen de descarga del flujo inferior y puede provocar que “las partículas gruesas se escapen hacia el flujo superior”. Si el diámetro de la boquilla es demasiado pequeño, las partículas gruesas se acumularán en el vértice del cono, lo que provocará un atasco. Un diámetro adecuado de la boquilla debe permitir que el flujo inferior se descargue en forma de paraguas ligero, con un ángulo incluido de entre 40° y 70°. La relación entre el diámetro de la boquilla y el diámetro del tubo de desbordamiento suele ser de 0,4 a 0,8.

(6) Profundidad de inserción del tubo de rebose. Una inserción demasiado superficial permite que las partículas gruesas entren en el rebosadero sin haber sido clasificadas suficientemente por la fuerza centrífuga; una inserción demasiado profunda permite que las partículas gruesas del fondo entren en el rebosadero. Ambas situaciones reducen la eficiencia de la clasificación. La profundidad de inserción del tubo de rebosadero debería ser, por lo general, de entre 0,7 y 0,8 veces la altura del cuerpo cilíndrico.

(7) Ángulo del cono de la carcasa cónica. Al aumentar el ángulo del cono se reduce la altura del equipo y se incrementa la velocidad media de flujo radial de la pulpa. Al mismo tiempo, la mayor resistencia al flujo del cono aumenta la velocidad de flujo ascendente de la pulpa, lo que da lugar a un tamaño de partícula de rebose más grueso. Por lo tanto, se utiliza un ángulo de cono grande (30°–60°) para la separación gruesa, un ángulo de cono pequeño (15°–30°) para la separación fina y un ángulo de cono aún más pequeño (10°–15°) para la deslimado.

(8) Presión de alimentación. La presión de alimentación que se suele utilizar oscila entre 0,05 y 0,16 MPa. La presión de alimentación está directamente relacionada con el rendimiento y el tamaño de las partículas separadas. Aumentar la presión de alimentación puede reducir el tamaño de las partículas separadas y aumentar el rendimiento, pero incrementa significativamente el consumo de energía y el desgaste del equipo. Durante el funcionamiento normal, la presión de alimentación debe mantenerse estable.

(9) Propiedades de la pulpa. Estos se refieren principalmente a la densidad del mineral, el tamaño de las partículas y la concentración de la pulpa. Cuanto mayor es la densidad del mineral, más fino es el tamaño de separación. Cuando la concentración de la pulpa es elevada y el contenido de lodos es alto, la viscosidad y la densidad aumentan, lo que incrementa la resistencia al movimiento de las partículas y da lugar a un tamaño de separación más grueso. Por el contrario, el tamaño de separación se vuelve más fino. La concentración adecuada de la pulpa se determina generalmente mediante experimentos basados en condiciones específicas.

A partir de los parámetros anteriores, se observa que los principales factores que influyen en el rendimiento de un hidrociclón son sus propios parámetros estructurales. Esto requiere una variedad de estructuras de hidrociclones que se adapten a las diferentes condiciones de trabajo y aplicaciones. Con este fin, China ha desarrollado y fabricado numerosas series de hidrociclones de acuerdo con los distintos requisitos de los usuarios. Algunos fabricantes también pueden diseñar y fabricar diversos tipos de hidrociclones para usos específicos. Los hidrociclones y los conjuntos de hidrociclones más utilizados se muestran en la Tabla 11-6 y la Tabla 11-7.

Tabla 11-6: Parámetros técnicos de los hidrociclones

Tabla 11-7: Parámetros técnicos de los conjuntos de hidrociclones