Gli idrocicloni sono tra le apparecchiature più semplici per la lavorazione dei minerali, spesso funzionano senza bisogno di manutenzione o attenzione da parte di chiunque sia in funzione. I cicloni rimangono strumenti di separazione altamente efficaci nonostante i loro complessi meccanismi fluidi e le configurazioni strutturali che influiscono sulle prestazioni di separazione. Questo articolo fornirà una panoramica del loro funzionamento e i possibili passaggi per la risoluzione dei problemi quando non funzionano come previsto.
Separano le particelle grossolane
Idrocicloni’ lo scopo principale è la separazione delle particelle grossolane da quelle fini. La forza centrifuga applicata alla sua struttura interna garantisce questa separazione; le particelle più pesanti tendono a spostarsi verso il basso nel suo flusso vorticoso mentre quelle più fini si spostano maggiormente verso il bordo, con le particelle grossolane che alla fine scaricano attraverso un rivestimento o un apice del rubinetto inferiore mentre quelle più fini si spostano verso uno straripamento e in una camera di troppopieno superiore.
Le caratteristiche del movimento all'interno di un idrociclone determinano il suo effetto di separazione, e i ricercatori hanno esplorato questo aspetto per aumentarlo. Ricercatori, guidato da Zhang, hanno condotto test approfonditi per comprendere il comportamento del movimento delle particelle in modo da migliorare l'effetto di separazione di questo ciclone. Zhang lo scoprì in condizioni di alimentazione ad alta concentrazione, le particelle fini e medie con piccole densità potrebbero facilmente entrare nel troppo pieno mentre le particelle fini e grossolane ad alta densità potrebbero entrare attraverso flussi vorticosi interni ed essere scaricate attraverso l'uscita come troppo pieno.
Un nucleo d'aria si forma al centro di un ciclone quando il liquido viene introdotto tangenzialmente nella sua camera cilindrica, producendo un intenso vortice vorticoso. Un ciclone ha un'uscita inferiore assiale con accesso limitato che impedisce la fuoriuscita di tutto il liquido tranne una parte. Una volta dentro, il suo flusso in controcorrente verso l'uscita superiore dà origine a un nucleo d'aria al centro.
Le dimensioni della sezione cilindrica secondaria dell'idrociclone hanno un'influenza significativa sulla regione del flusso di circolazione delle particelle e sulle prestazioni di separazione, con valori di perfezione decrescenti monotonicamente al crescere del diametro di questa sezione. A causa delle particelle più grossolane che circolano nel flusso vorticoso di un ciclone, si verifica lo spostamento errato di queste particelle, portando alla loro dispersione in un’area più ampia. L'inclusione di particelle più grossolane riduce le prestazioni di separazione e inibisce la formazione di un efficace modello di flusso circolare all'interno del ciclone, e ostacola le sue capacità di separazione. Le prestazioni di separazione ottenute sono soddisfacenti; Tuttavia, i valori di perfezione non soddisfano le aspettative a causa della resistenza rotazionale e della viscosità del liquido del ciclone che influenzano la distribuzione della velocità delle particelle e la traiettoria di movimento.
Separano le particelle fini
Gli idrocicloni utilizzano la forza centrifuga e il flusso differenziale del fluido per separare efficacemente le particelle fini da quelle grossolane. La forza centrifuga viene creata dirigendo il fluido in ingresso tangenzialmente verso la parete del cilindro, creando un movimento circolare all'interno del suo liquido che fa sì che le particelle pesanti si muovano verso l'esterno e si aggreghino prima che quelle più leggere scendano a spirale lungo la sua parete e fuoriescano dall'apertura superiore di troppopieno dell'idrociclone.
L'efficienza della separazione dell'idrociclone dipende fortemente dal design della sua struttura, comprese le dimensioni del suo cercatore di vortice, aperture di troppo pieno e sotto pieno e dimensioni del ciclone. Inoltre, diametri maggiori generalmente producono migliori prestazioni di separazione.
Gli idrocicloni sono spesso utilizzati nelle applicazioni minerali, come produrre sabbia di cemento C-33, per controllare quale dimensione del materiale esce dal circuito di frantumazione. Diversi tipi di minerale hanno dimensioni di liberazione diverse che devono essere monitorate attentamente per creare un prodotto economicamente fattibile.
Caduta di pressione, la quantità di energia necessaria affinché le particelle si muovano attraverso un idrociclone, è parte integrante del suo controllo. Variando la pressione in ingresso è possibile modificare drasticamente l'efficienza di separazione – ad esempio, se la pressione è impostata su un valore inferiore al valore target, un numero maggiore di particelle fini segnalerà un flusso insufficiente, portando a punti di taglio più grossolani; al contrario, se la pressione supera il target, un numero maggiore di fini finirà per traboccare, determinando valori d50 ridotti e una separazione più fine.
La densità del materiale in entrata può avere un effetto enorme sulle separazioni dell'idrociclone. Una densità più elevata può produrre tagli più grossolani mentre densità più basse producono tagli più fini; per selezionare una soluzione di alimentazione a densità ottimale è quindi essenziale comprendere l'obiettivo dell'applicazione e scegliere una densità di alimentazione in base a questo.
La regolazione del diametro del rubinetto consente la regolazione dei fini di bypass inviati direttamente al troppopieno, aumentando o diminuendo il loro flusso direttamente verso di esso e diminuendo ciò che ritorna nel ciclone per ulteriori lavorazioni.
Separano i liquidi
Gli idrocicloni separano i liquidi dalle particelle fini creando un'azione vorticosa che lancia il materiale più pesante contro la parete interna di un cilindro mentre il materiale più leggero si muove verso l'esterno e verso il basso. Questo metodo di separazione funziona meglio quando i solidi hanno diametri maggiori di 10 micron e hanno forma sferica; Tuttavia, la loro efficienza varia a seconda delle condizioni; ad esempio, all'aumentare della concentrazione del liquame aumenta anche la resistenza contro le forze centrifughe delle particelle che aumentano le loro dimensioni e il loro numero.
Il fluido che entra nel ciclone da una pompa deve superare la resistenza; ciò provoca cadute di pressione e un aumento del gradiente di pressione radiale, alla fine si ottengono stati di sedimentazione di interferenza tra particelle e fluido. Perciò, è importante utilizzare fluidi di perforazione a bassa viscosità – ciò consente alle particelle di diverse dimensioni di depositarsi alle proprie velocità senza rimanere intrappolate tra il fluido e le particelle.
La densità dell'alimentazione è un altro elemento critico da considerare nelle prestazioni dell'idrociclone. Per soddisfare le dimensioni di taglio target, la densità di alimentazione deve coincidere con la dimensione di taglio target, che può essere ottenuto modificando la densità dell'alimentazione o alterando la pressione in ingresso – una pressione più bassa manda in overflow un maggior numero di multe, creando dimensioni di taglio più grossolane; una pressione più elevata invia le parti fini nel flusso inferiore per tagli più fini.
Gli idrocicloni sono ampiamente utilizzati per controllare la dimensione del materiale in uscita dai circuiti di frantumazione per applicazioni su roccia dura e metalli preziosi. Quando applicato in questi contesti, l'afflusso istantaneo di fluido a un idrociclone è uguale al flusso istantaneo totale di particelle leggere più il flusso di particelle pesanti; le particelle pesanti si muoveranno più rapidamente di quelle leggere e si accumuleranno nella parte superiore dell'idrociclone.
I materiali pesanti possono quindi essere rimossi dal sistema. Qualsiasi miscela fluida rimanente nel ciclone verrà quindi pompata fuori attraverso l'uscita inferiore, noto come Apex, tramite un tubo cercatore di vortice.
Separano gli oli
Gli idrocicloni sono diventati una soluzione innovativa alla sfida di separare le particelle oleose dal materiale grossolano. È stata progettata una forma speciale dell'apparecchiatura che utilizza la forza di taglio per separare le goccioline di olio dal mezzo liquido. Questa tecnologia può essere applicata nella lavorazione dei metalli per separare i lubrificanti dall'acqua di raffreddamento o nelle operazioni di perforazione per rimuovere sabbia e argilla dal fango.
Gli idrocicloni differiscono da altre apparecchiature per la lavorazione dei minerali in quanto presentano poche parti mobili e dipendono dalla geometria e dalla pressione del fluido per eseguire i processi di separazione. Sono progettati per essere macchinari semplici ma affidabili che spesso funzionano per anni senza grandi costi di manutenzione – tuttavia molti utenti non sanno come risolvere un problema con un idrociclone quando qualcosa non va come previsto.
Una delle sfide principali associate agli idrocicloni è il trascinamento. Quando il materiale grossolano viene separato da quello fine, alcuni materiali più pesanti verranno trasportati nel trabocco mentre altri rimarranno catturati nel sottoflusso a causa del complesso campo di flusso interno di un idrociclone. Il collegamento di più cicloni insieme può aiutare a risolvere questo problema ma richiede pompe aggiuntive, gasdotti e costi di investimento.
Come tale, è di vitale importanza comprendere come funziona un idrociclone e il suo meccanismo di separazione. Perché una particella esca attraverso il suo overflow e venga scaricata nel suo underflow, devono migrare verso posizioni in cui la forza centrifuga supera la forza di resistenza – queste tre aree possono essere identificate sui contorni della velocità radiale all'interno dell'idrociclone stesso; prima vicino alla sua parete laterale dove la velocità assiale è negativa, quindi il liquido scorre verso il basso verso il suo flusso inferiore.
La seconda area si trova al centro della sezione conica, dove la velocità assiale è positiva e il liquido si muove verso l'alto in un trabocco. È qui che avviene la maggior parte delle separazioni. Finalmente, all'apice del cono c'è una velocità assiale negativa scaricata all'esterno e gli effetti di taglio aiutano a concentrare le fasi pesanti da rilasciare attraverso di esso.