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CICLACIÓN





La ciclación es un proceso físico, para separar polvo en suspensión de un gas. Cuando las partículas de polvo tienen un diámetro no mayor a 200 micrómetros. El proceso comienza cuando el gas que contiene las partículas de polvo entra a una velocidad de 30m/s, en el equipo que tiene forma cónica, dentro de éste se forma un ciclón, el cual hace que las partículas de polvo se peguen en la pared del cono y caigan por gravedad, mientras que el aire sube hacia la parte superior, por donde sale.

Aunque existen fórmulas para el cálculo de ciclones bajo condiciones de funcionamiento ideales, en la práctica es inviable aplicar ecuaciones teóricas debido a la complejidad del flujo de fluidos con partículas en suspensión y alto grado de turbulencia. Sin embargo pueden deducirse varias conclusiones prácticas por la interpretación cualitativa de mediciones aerodinámicas, mediante ecuaciones aproximadas del movimiento de fluidos.

Gran cantidad de empresas se enfrenta con problemas de captación, eliminación o recuperación de polvos o partículas en suspensión en corrientes de aire o gases generados en sus procesos industriales. Estos problemas suelen ser generalmente de tres tipos:
1.Separación del polvo arrastrado por corriente de aire o gases en equipos de transporte neumático, instalaciones de molienda, secaderos por pulverización, etc.
2. Captación o depuración de las materias en suspensión a efectos de:
  • Evitar la contaminación atmosférica.
  • Proceder a su recuperación por su naturaleza valiosa.

3. Recogida de cenizas volantes en calderas alimentadas con combustibles sólidos. (Centrales térmicas, fábricas de cementos, fundiciones, instalaciones de sinterización, ventilación industrial, recirculación de catalizadores en torres de "Craking", etc.).

Ciclones:

Los ciclones son dispositivos estáticos en los que una mezcla de partículas suspendidads en un gas es sometida, por acción de su propia energía cinética, a una fuerza centrífuga.Las partículas al tener, mayor densidad que el gas en el que están suspendidas, salen despedidas hacia la pared, donde por rozamiento quedan frenadas, y caen al fondo del ciclón. El gas asciende en espiral por la parte central del ciclón y sale por la parte superior. Son dispositivos económicos que son altamente eficientes para la separación de polvo y partículas de los gases en combustión , de reactores de lecho fluidizado, de regeneración de catalizadores etc.
Suelen colocarse varios en series, en tamaños distintos, para una retención mejor de partículas de distintos tamaños.
El ciclón es un aparato ampliamente utilizado en la indusrtia, especialmente en las seccions de depuración de humos. Basados en el mismo principio que el ciclón, se han descrito atomizadores y existe en el mercado un dispositivo para separar líquidos inmiscibles( agua de mar y petróleo).



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Figura 1 Esquema general de un ciclador y el proceso de la operación unitaria.


















A continuación observaremos un ciclador hecho en casa que realmente funciona


















Debido a que no solo existen cicladores verticales, presentamos el funcionamiento de un ciclador horizontal














Por otro lado los hidrociclones son ciclones destinados a la separación de un sólido de una suspension en un 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 sólido-líquido, sin embargo, actualmente son también utilizados para separación de sólido – sólido, líquido – líquido y/o gas – líquido.


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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.


El hidrociclón consiste de una parte cónica seguida por una cámara cilíndrica, en la cual existen una entrada tangencial para la suspensión de la alimentación (Feed). La parte superior del hidrociclón presenta un tubo para la salida de la suspensión diluida (overflow) y en la parte inferior existe un orificio de salida de la suspensión concentrada (underflow). El ducto de alimentación se denomina inlet, el tubo de salida de la suspensión diluida se denomina vortex, y el orificio de salida del concentrado se denomina apex, tal como se puede observar en el esuema anterior de las partes del hidrociclón. La suspension es vombeada bajo presión entrando al hidrociclón a través de alimentación se genera un movimiento de tipo espiral descendente debido a la forma del quipo y la acción de la fuerza de gravedad.


A razón de este moviemiento se produce una zona de muy baja presión a lo largo del eje del equipo , por lo que se desarrolla un núcleo de aire en ese lugar. A medida que la sección tranversal disminuye en la parte cónica, se superpone una corriente interior que genera un flujo neto ascendete tambiénde tipo espiral a lo largo del eje central del equipo, lo que permite que el flujo encuentre en su camino al vortex que actúa como reblase.


La suspensión es vombeada ajo presión y entrando al hidrociclón a través de alimentacion se genera un movimiento de tipo espiral descendente debido a la forma del equipo y la acción de la fuerza de gravedad. A razón de este movimiento se produce una zona de muy baja presión a lo largo del eje del equipo, por lo que se desarrolla un nñucleo de aire en ese lugar. Las partículas en el seno del fluido se ven afectadas en el sentido radial por dos fuerzas opositorias: una habia la periferia del equipo debido a la aceleración centrífuga y la otra hacia el interior del equipodebido al arrastre que se mueve a través del hidrociclón. Consecuentemente , la mayor parte de las partículas finas abandonarán el equipo a través del vortex y el resto de las particulas, especialemnte las gruesas saldrán a través del apex. En la siguiente figura se observa la trayectoria dentro del hidrociclón.


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Básicamente los cuatro parámetros independientes que permiten variar las condiciones de operación son: la densidad de la pulpa, la caída de presión en la alimentación, el diámetro del vortex y el diámetro del apex. El tamaño de corte y la eficiencia de la separación son controlados mediante el ajuste de estos parámetros. El diametro del hidrociclón puede variar desde una pulgada hasta dimensiones que pueden alcanzar las 70 pulgadas. Los hidrociclones de mayor diámetro producen separaciones gruesas e hidrociclones de menor diámetro producen separaciones finas. Las figuras 3 y 4 nos indican el tamña de corte producido por los hidrociclones típicos y la scapacidades que estos hidrociclones ofrecen. Los hidrociclones tienen mayor aplicación en el circuito de molienda cerrado. El objetivo de la clasificacion es hacer mas eficiente el proceso de molienda y asegurar que el producto de la operacion este bajo un determinado tamaño, recirculando al molino las partículas más gruesas.


NUEVOS TIPOS DE HIDROCICLONES

Los hidrociclones son, sin lugar a dudas, junto con las bombas centrífugas, los equipos más difundidos en la industria del tratamiento de minerales. También estos sencillos aparatos han evolucionado y hoy día se construyen en variadas formas y tamaños. Ni ellos pueden escapar a la sociedad de consumo (Fig. l).



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Las diferentes necesidades han obligado a los investigadores y constructores a desarrollar equipos que en ocasiones guardan poco parecido con la imagen de un hidrociclón convencional.Por ello parece necesario intentar clasificarlos, detallando sus diferencias constructivas y campos de aplicación. De acuerdo a su geometría podrían clasificarse en dos grandes grupos: Cónicos y Cilíndricos. Dentro del pimer grupi se inclurián los cónicos de cono pronunciado y los de cono tendido. El segundo grupo los cilíndricos periféricos y los cilíndricos con descarga central. Cabría menciona tambien dos tipos de hidrociclones relativamente nuevos: El hidrociclón criba y el Ciclón Aireado(Air-Sparged Cyclone).

1. HIDROCICLONES CONICOS

Como anteriormente se mencionó los hidrociclones cónicos, o convencionales, podrían subclasificarse de acuerdo al ángulo de su parte cónica.

1.1 CONO PRONUNCIADO, CONVENCIONALES

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.

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 (Fig. 2).



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Fig2. Ciclones de cono pronunciado (Ǿ100 mm) en circuito de lavado en contracorriente


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).

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Fig. 3 - Ciclón de cono tendido ( Ǿ 750 mm) en lavado de arenas.

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.

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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).

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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).






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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.
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.
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.

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)




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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).

BIBLIOGRAFÍA






Dentro del primer grupo se incluirían los cónicos de cono pronunciado y los de cono tendido. El segundo grupo recogería los cilíndricos de fondo plano y descarga periférico, y los cilíndricos con descarga central.
Cabría mencionar también dos tipos de hidrociclones relativamente nuevos: El hidrociclón criba y el Ciclón Aireado (Air-Sparged Cyclone). Estos equipos, aún recibiendo el nombre de hidrociclones, se alejan, en su aplicación, de aquellos