Hidrociclones

Hidrociclones

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 figura 1. Este equipo está constituido por un cono la parte inferior y la parte superior por un cilindro.

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.

Se conoce, que el número de Reynolds de los fluidos en los hidrociclones se encuentra en el orden desde 105 hasta 106, es decir valores para fluidos altamente turbulentos.

El estudio de los modelos de clasificación por fluidos turbulentos en hidrociclones ha contribuido a fundamentar físicamente los efectos de separación en el proceso.

Conforme al modelo de separación de la clasificación por hidrociclones se ha observado, que se establece, para cada clase granulométrica independiente entre sí, una distribución radial de la concentración bajo la acción del flujo de sedimentación en el campo de fuerza centrifuga y el flujo difusivo turbulento (figura 2), que puede ser descriptos aproximadamente mediante los perfiles de concentración en equilibrio conforme a la figura 3.

Por tanto se puede describir de este modo la acción de clasificación, que conduce a que las clases granulométricas más gruesas se concentren ante todo en remolino exterior y son extraídas por el boquilla de desagüe inferior.

Como las corrientes de flujos predominan por lo general significativamente hacia el rebosadero (parte superior) y el vertedero (parte inferior), así se logra que se distribuyan, en el flujo del hidrociclón, regularmente en todo el volumen del suspensión las clases más finas sobre todo en rebosadero (ver figura 1).

Es característico para el modo de trabajo de los hidrociclones, que se forme alrededor el eje de los mismos "un núcleo de aire". El "núcleo de aire" es consecuencia del campo de la fuerza centrifuga, pudiéndose interpretar su formación a causa del efecto que ocasiona la salida del suspensión por el vertedero y que, además, une los boquillas de salida superior e inferior.

Relaciones de Flujos

Sobre las relaciones entre los flujos en los hidrociclones se han efectuado hasta la actualidad un sinnúmero de investigaciones, cuyos resultados existentes se basan tanto sobre investigaciones experimentales alrededor de las limitantes necesarias e impuestas por los parámetros geométricos u operacionales así como estudios teóricos sobre la base de modelos simplificados. En consecuencia se representaran los resultados de este anunciado solo tan extenso como lo permita el estado actual del modelación de procesos.

Para una descripción de los fluidos de los hidrociclones se recomienda que se dividan, alrededor el eje del hidrociclón, fluidos volumétricos simétricos en tres componentes de velocidad: la velocidad tangencial utag, velocidad radial ur y la velocidad vertical uv. En la figura 4a se muestra primeramente una visión de las corrientes en el interior de un hidrociclón a través de un plano vertical a lo largo del eje del ciclón.

En la figura 4b se muestra el desarrollo correspondiente a las líneas de fluido. Se reconoce, que del remolino exterior durante su movimiento del fluido descendente la parte interna irrumpe hacia el remolino interior. En la envoltura del ciclón, bajo esa influencia así como sobre la base de las propiedades reológicas de la suspensión turbia, que varían mediante el enriquecimiento de los sólidos, los componentes del gradiente de presión disminuyen grandemente en dirección radial y tangencial así como a causa también de los componentes de velocidad. De tal manera se incrementa allí la velocidad vertical. Esto aclara la fuerte corriente del fluido a lo largo de la cubierta. También los fuertes flujos en el techo y en el rebosadero (recolector) son consecuencias de fricciones en las paredes. Esto puede conducir a fuentes (portadores) de errores en los tamaños de granos.

En la figura 4c están delimitados los rangos de los fluidos descendentes y ascendentes, así como también, en la figuras 4d los flujos radiales dirigidos hacia el exterior. En las zonas rayadas predominan los flujos verticales y las velocidades radiales pueden ser despreciad

En las figuras 5 a y b se proporciona una representación cualitativa sobre el desarrollo de la velocidad tangencial utg y de la velocidad vertical uv en dependencia del radio en diferentes niveles sobre la base de mediciones a muy pequeñas concentraciones. De la figura 5a se infiere primeramente que utg se mantiene coaxialmente constante al eje del cilindro. Al comparar el perfil utg = f(r) (figura 5 a) y uv = f(r) (figura 5b) debe tenerse en cuenta, que son usadas diferentes escalas de las ordenadas.

La velocidad tangencial utg se comporta igual a un múltiplo de la velocidad vertical uv. Es fácil reconocer, que en la parte cónica la velocidad tangencial utg es primeramente más plana desde la pared exterior del ciclón hacia su interior, después aumenta más empinadamente, para un radio que corresponda aproximadamente de 0.25 hasta 0.35 de Do, alcanzando un máximo , para al final caer bruscamente hacia el "núcleo de aire". Un comportamiento parecido se presenta en la parte superior del cilindro. El encontrar la relación entre utg y r ha sido objetivo de muchos investigadores, la cual se puede enunciar de una forma sencilla de la forma siguiente:

utg·rn = const (1)

Para un plano de declive del torbellino sería válido en un rango de la corriente del torbellino n =1 y n el centro del torbellino n = -1, es decir w = const. Para una corriente real del ciclón en el rango fuera de utg,max : 0< n<1. Experimentalmente se determinó en dependencia de la geometría del hidrociclón así como los parámetros del proceso valores de n entre 0.4 y 0.9. Según investigaciones de diferentes autores resulta que al modificar la geometría del ciclón especialmente Da/Do; el ángulo del cono a y las propiedades reológicas del suspensión (especialmente el contenido de sólidos, distribución granulométrica) el proceso se altera más o menos grandemente. A partir de estos principios, en lugar de la ecuación (1), se han desarrollado complicadas fórmulas empíricas, que consideran además otros parámetros.

Como para la corriente del hidrociclón es válido generalmente utg << uv y ur, resulta que la relación entre la variación de la presión estática p y la aceleración centrifuga se puede expresar de la forma siguiente:

Al respecto se puede considerar también la fórmula de Tarjan, que se adecua aceptablemente para algunas separaciones de fluidos diluidos:

(4)

Para separaciones en fluidos concentrados es indispensable tener en cuenta otros parámetros del proceso. Como ejemplo traemos a coalición la relación empírica de Plitt:

Un buen grado de separación del hidrociclón presupone una estable corriente de torbellino. Esto se garantiza, cuando la corriente del ciclón es caracterizada por grandes números de Reynolds y Froude [Fr = v/v(gD) ]. Es la energía cinética de la corriente del torbellino que surge como descarga suficientemente grande, entonces este efecto proboca la forma de un cono. En el caso de que la energía cinética de la corriente del torbellino sea más o menos consumida, entonces surge la descarga en forma cilíndrica parecida a una soga. El tipo de la descarga del vertedero será determinado esencialmente por las propiedades del fluido y junto con eso, también, la concentración volumétrica del sólido en la suspensión de descarga.

Además debe fluir la suspensión de reboso lo más posible libre de golpe a través del boquilla de salida. Esto esta es fomentado por una buena relación Voluta-Arribo y por la correcta determinación del diámetro del ciclón Dc, el diámetro del boquilla de entrada Di y el diámetro del boquilla de salida Do. Algunos rangos de las relaciones de dimensiones de los boquillas para hidrociclones del tipo cono-cilindro (ángulo del cono a aproximadamente de 10 hasta 20º) se recomiendan los siguientes:

Como ya se mencionó brevemente, la acción de una aceleración centrifuga relativamente grande provoca que se forme alrededor del eje del cilindro un "núcleo de aire". Su forma y diámetro depende, ante todo, de la presión de entrada pi y del diámetro de salida Do. También el diámetro del boquilla de descarga (tubo de evacuación) presenta significativa influencia.

En condiciones posibles de comparar, es válido que el "núcleo de aire", tanto más toma una forma cilíndrica, tanto mayor debe ser la presión pi o más hacia la unidad toma el valor de la relación Da/Do. Para bajas presiones pi y valores pequeños de la relación Da/Do muestra el "núcleo de aire" la forma de un cono truncado, cuya base se encuentra sobre el boquilla de evacuación o descarga.

Efectos de separación

Las condiciones de una separación por flujo diluido se cumplen aproximadamente en hidrociclones para la clasificación de sus suspensiones diluidas de grano fino (fp= 5 % hasta 10 %; valor granulométrico, mediana, d50, contenido =20 µm). En la práctica son empleadas tales condiciones para muchos procesos de clasificación en rangos de tamaño granos separables dT = 20 µm, que son resueltos en hidrociclones de diámetros pequeños Dc = 50 mm hasta 80 mm. Tales tipos de granos están presentes en, por ejemplo, en la clasificación de caolines o en los lodos de salida de salida de los procesos de flotación.

Para la función granulométrica de separación T(d) correspondiente a una separación en fluidos diluidos por hidrociclones es válida la aplicación directa de la fórmula

Aquí se consideran los correspondientes valores medio de vm y Dt de los flujos de los hidrociclones, así como la altura H acorde a la figura 3. Además se puede determinar para separaciones en fluidos diluidos la velocidad estacionaria de sedimentación preferentemente mediante la fórmula de Stockes bajo ciertas consideraciones suplementarias de agrupación en enjambre (sedimentación forzada) y despreciando el efecto de la forma del grano.

Para el factor de agrupación en forma de enjambre ks se utiliza la ecuación (8) para un valor de n = 4.65.

RFl: Rendimiento de la suspensión en el producto bruto,

se obtiene, de esa manera y después de algunas transformaciones, el valor del tamaño de grano (d)

(10)

Existe una gran cantidad de modelos que se emplean para las diferentes características de hidrociclones y de las suspensiones empleadas. Por ejemplo se toma el modelo el cual surge al sustituir:

En la constante K se encuentra agrupadas todas las constantes que contiene la ecuación (10) del modelo seleccionado. Además K constituye un ajuste que se obtiene empíricamente. Para separaciones de fluido diluidos toma K el valor entre 0.1 y0.15. Por ejemplo para hidrociclones de 40 mm construidos en Alemania del tipo FIA-Freiberg se determino para m = 4 (ver ecuación (11b) la constante K 0.12.

Ya que los hidrociclones respecto al diseño (configuración espacial del proceso, construcción del cilindro-cono, forma de los boquillas, rugosidad superficial de las paredes, entre otros aspectos) no han sido normados y pueden ser muy variados, por lo que es recomendable para altas exigencias en la exactitud un ajuste especial de las constantes y de cada uno de los tipos de los hidrociclones. Es recomendable recalcar que las deducciones obtenidas para separaciones en fluidos diluidos, baja concentración de sólidos, (ecuaciones 10 y 11) son validas rigurosamente para Re < 0.5 y Ar < 9 en los fluidos.

Para la función de separación normalizada T(d/dT) de una separación de fluido diluido es valida la ecuación (12),

Conforme a la experiencia, la distribución granulométrica del material de alimentación ejerce una influencia clara sobre la granulometría segregada. Esto, a partir del punto de partida del modelo de clasificación de flujo transversal, se puede explicar como sigue:

Para concentraciones altas de sólidos en la suspensión de alimentación, la turbulencia es amortiguada esencialmente posterior a la entrada del hidrociclón. Por tanto la simplificación basada hasta aquí en el desarrollo de modelos ya no se cumple conforme a la ecuacióndonde DtP es el coeficiente de difusión turbulenta de granos y Dt el coeficiente de difusión turbulenta de un líquido turbio. Además la atenuación aumenta ya no solamente con la concentración volumétrica del sólido, sino también con su finura. A causa de esta atenuación puede llegar a una sedimentación del sólido en la pared del hidrociclón y el proceso propio de separación en el sentido de una clarificación de suspensión diluida solo se ejecuta no más que con el contenido del sólido, que permanece en estado de suspensión (figura 6)

Una concepción fundada físicamente de la atenuación de la turbidez en el modelo de clarificación tropieza aun con grandes dificultades para el estado actual de la difusión teórica de fluidos multifásicos.

Puramente empírico se logro la consideración de la influencia de la granulometría mediante un factor de corrección kd que es calculable mediante ecuaciones numéricas.

Para este tipo de caso será dominado de esta forma por la influencia del tamaño del grano. En especial para separaciones fluidos para separaciones de fluidos concentrados se necesita por eso de una ampliación los modelos de separación discutidos hasta aquí.

Para captar, ahora bien, en primer lugar el modelo de clasificación por flujos transversales para el cálculo previo aproximado de la granulometría segregada en un rango amplio de aplicaciones con hidrociclones, ha sido determinado con n = 3 en la ecuación siguiente:

Con la ayuda de la ecuación (16) solo se puede determinar selectivamente dT, por motivos del extenso campo aplicación, sobre los cuales se realizo el estudio de regresión. Se observo también, que para la valoración múltiple los límites de validez de la ecuación (7) ya no pueden cumplirse rigurosamente.

Las condiciones de una separación de flujo disperso deben ser caracterizadas como sigue:

• a) A causa de la alta concentración de sólidos (fp>20 hasta 30%) ya no se puede ajustar sobre la total extensión radial del fluido del hidrociclones el perfil de concentración acorde al equilibrio que se establece entre clase granulométricas estrechas para la separación de solución dispersas, ya que se forma una capa ancha de sedimento en el marco de la zona marginal (ver figura 6).

• b) El ajuste del material grueso es limitado a través la capacidad de ajuste del boquilla de salida, y en la parte cónica del hidrociclón llega a tupirse de sustancia sólida. Tales relaciones son típicas para hidrociclones en circulación de alimentación continua con diámetros Dc =200 mm y granulometría con el valor promedio d50;3 de 70 hasta 100 µm del material clasificado.

Para modelar la acción de separación granulométrica de un fluido concentrad se puede concebir a partir de una separación de fluido diluido en el volumen de clasificación limitado a través del concepto de sedimentación. Para esto hay que considerar lo siguiente:

• a) En lugar de considerar la trayectoria de las partículas como H (distancia total) en la separación de fluido diluido hay que colocar la diferencia H-HS (ver la figura 6).

Para la magnitud granulométrica de la mediana d50;3 hasta 500µm y la granulometría segregada, que presenta el mismo orden de magnitud, ya no se puede determinar como en el rango de Stokes de vm ~ d2. Mucho mejor es, entonces, emplear aproximadamente los datos siguientes:

En Principio es valida también para la separación de fluidos concentrados la ecuación (6) para la función de separación.

Valores orientativos en dependencia de la magnitud de la magnitud granulométrica d80 del material vertido pueden ser tomados de la figura 7.

Para la distribución másica Rm1en el material grueso es valido también:

(22)

donde D(d = F3(d)) representa la distribución granulométrica del material de salida y dR es la magnitud para la cual es valido(figura 8):

T(dR)= (1+R1l)/2 (23)

La solución aproximada de la integral de la ecuación (22) corresponde al área rayada de la figura 8. Se puede escribir D(d) con la ayuda de la distribución desarrollada por Rosin-Rammber-Sperling-Benetta (RRSB) (30, 31, 47) que surgió empíricamente de la experimentación realizadas, de esta forma se desarrolla a partir de la ecuación (23) la ecuación siguiente:

Se demuestra también, que la granulometría de la separación del flujo denso depende de la distribución granulométrica de entrada (en la ecuación (27) mediante los parámetro d´y n caracterizados por la distribución RRSB), de las condiciones de los fluidos del movimiento de las partículas) es decir de a (acorde a la ecuación vm ~ dn) así como de la distribución másica de los sólidos (Rm1) y de la distribución de los líquidos en el curso inferior.

Suministro de la suspensión

También existen fórmulas de suministro, que consideran muchas más magnitudes. De ellas será referida aquí solo la fórmula de Povarov, que fue desarrollada a partir de las consideraciones sus resultados experimentales y de los resultados de otros autores.

Selección de las dimensiones de los hidrociclones

Por último repercute desventajosamente según las ecuaciones (13) y (14) sobre la selectividad. Por eso, es frecuente también, en total concordancia con los resultados obtenidos experimentalmente de colocar para bajas granulometrías de separación pequeños hidrociclones y para altas granulometrías de separación los correspondientes hidrociclones grandes.

Además puede no siempre efectuarse ese enunciado, así por ejemplo para instalaciones (baterías) de ciclones en alimentación en forma de circulación donde a menudo son preferidos tales diámetros [159, 789-793].

La capacidad de separación y de suministro de hidrociclones se determina en primera instancia por el diámetro de las boquillas con los hay que tener en cuenta no obstante a sus estimación con el diámetro del hidrociclón Dc los valores correctos que son dados por la ecuación (5 a). Esta realidad es reducible no solo directamente a partir de las ecuaciones (11), (13) y (14) y de aquellas que van de la (28) a la (30), sino también de corroborarlos a través de los resultados prácticos.

Para las primeras construcciones de hidrociclones de describió la boquilla de salida (rebosadero) como solo una abertura central en el techo. Relativamente grandes errores de ajustes de la granulometría fueron las consecuencias de ese diseño. Estudios posteriores arrojaron que el conductor captor debe alcanzar, por lo menos, el nivel del canto inferior del conducto de entrada. Los alcanzar, por lo menos, el nivel del borde inferior de la boquilla de entrada. Largos captores de remolinos disminuyen, por tanto, los errores en el ajuste de granos gruesos, por lo que aumenta, entonces, de igual forma la eficiencia de la separación de las clases de granos.

Para mayores granulometrías de separación se debe de disponer de ciclones de fondo plano o de cono obtuso (a cera de 150º) o incluso de ciclones solamente cilíndricos con fondo plano. Durante el funcionamiento de estos ciclones se forma en la parte inferior una cama de material rotatorio en forma de remolino.

Una presión de entrada mínima pi es necesaria para la formación de un estable fluido estable en el hidrociclón. A altas presiones son rechazadas desde el punto de vista de las perdidas que causan. En la práctica llega a considerarse con aceptable aproximación el rango de 30 a 400 kPa, empleándose el límite inferior para clasificaciones relativamente gruesas en hidrociclones grandes y en el caso del límite superior para clasificaciones relativamente muy finas en hidrociclones pequeños. Importante es también evitar las oscilaciones en las presiones empleadas, que conducen a un efecto de golpe.

Aspectos constructivos de hidrociclones

Ampliamente difundidos son los hidrociclones cono-cilíndricos individuales con un ángulo de cono entre 10 y 20º. Hidrociclones grandes (Dc ~ 250 hasta 1600 mm) se construyen comúnmente de de planchas de acero o de hierro fundido especial y cubiertas las paredes interiores con materiales resistentes al desgaste abrasivo (goma, poliuretanos, porcelana, entre otros).

Aun mayores hidrociclones se construyen a partir de piezas individuales mediante uniones de bridas. Para pequeños hasta medianos hidrociclones entran en consideración junto a las confecciones de planchas de acero y piezas de hierro fundido, ante todo, la construcción a partir de materiales poliméricos (especialmente poliuretanos) y para los más pequeños también a partir de porcelanas "duras".

La figura 9 muestra, a grandes rasgos, las formas constructivas de hidrociclones cono-cilíndricos de forma individual.

Los productores de de hidrociclones están haciendo mucho hincapié en los diseños en forma envoluta de las boquillas de entrada (ver figura 10 a y b) en vez de las tangenciales (figura 10 c yd), a través de las cuales favores la introducción libre o pobres de impactos de presión y dirigidas también a reducir la intensidad de la turbulencia para lograr bajas granulometrías de separación, así como alcanzar altos suministros de suspensiones. Por la general muestran las boquillas de entrada una sección rectangular y converge en dirección de la entrada. Algunas veces se prevé la instalación de chavetas para variar la sección transversal. Las boquillas de salida en el rebosadero (figura 9 a) son frecuentemente intercambiables. La salida ocurre o directamente por el conducto de salida (figura 9 a) o a través de una cámara superior con salida lateral (figura 9b). En cada caso debe ser la sección de los conductos mayor que aquellas correspondientes a la boquilla de salida.

Las boquillas de descarga están sometidas a exigencias especiales. Por eso deben ser intercambiables u estar construidas de un material verdaderamente resistente a la abrasión. Los hidrociclones (figura 9) poseen boquillas de diseño frecuentemente usados. En la figura 11 están representados ejemplos de otros tipos de diseños constructivos. Una consideración que ha tomados en la actualidad cierto auge y dirigida también a la estabilización del funcionamiento es el empleo de reguladores de evacuación accionados reumática o hidráulicamente por ejemplo el señalado en la figura 11c. Especialmente para hidrociclones pequeños existe el peligro de la tupición en la boquilla de descarga. Con ayuda de adecuados dispositivos para remover las obstrucciones se ha podido mejorar la seguridad en el funcionamiento de pequeños y medianos hidrociclones. Por esta razón se incrementado considerablemente el uso de pequeños hidrociclones para separaciones de granulometrías muy finas dT de alrededor de 2 &µm. Como la aceleración centrifuga de fluidos estables en hidrociclones sobrepasa varias veces a la aceleración gravitacional, por lo tanto no debe jugar ninguna importancia en la separación y deberían poder trabajar los hidrociclones con cualquier eje favorable.

Una conocida excepción constituye los muy grandes hidrociclones para granulometrías muy grandes. Los hidrociclones siempre están en funcionamiento, que aun estando en una parada están realizando una descarga de la suspensión. Varios hidrociclones individuales pueden disponerse ahorrando espacio en una batería. Esto se hace especialmente necesario, cuando se ha elegido hidrociclones relativamente pequeños para granulometrías pequeñas (ver figura 12). Para granulometrías muy pequeñas se han conocidos disposiciones de multiciclones, que están dispuestos en boque. Es importante para disposiciones grupales de hidrociclones el rendimiento de una concepción igual de todos los ciclones por medio de un adecuado distribuidos de la suspensión.

Junto a los hidrociclones con-cilíndricos descritos, que se a observad que se emplean con éxito en los proceso del procesamiento de materias primas, existe un una serie de otros tipos constructivos, que se han reportado en la literatura que no se abordaban en detalle aquí.

Para disminución de las fuentes de error pro granulometría muy fina ocasionada por el incremento de liquido en el material grueso ha sido propuesto boquillas de agua adicionales en la parte inferior del cono. Con ayuda de dos boquillas de salida concéntricas, así como mediante hidrociclones de dos etapas se han procurado una separación de tres productos, Sobre ciclones de piso plano o obtuso, con los cuales se puede realizar separaciones gruesas, han sido ya mostrado para usos restringidos.

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Autor:

Rafael Quintana-Puchol 

Centro de Investigaciones de Soldadura

Universidad Central de Las Villas

Santa Clara, 2011