“DISENO Y CONSTRUCCION DE NUEVOS HIDROCICLONES

 

Jaime Donoso (M.Phil.) 1

 

Introducción Los hidrociclones son clasificadores de materiales o separadores de partículas, que se usan fundamentalmente en la industria del cobre, para separar las partículas finas de las pulpas de mineral, las que son secadas y posteriormente son llevada a los convertidores u hornos de fundición de dicho metal. Se puede decir que prácticamente todo el mineral destinado a producir cobre fundido, pasa por este tipo de instrumento. Por lo tanto, es de tremenda importancia introducir mejoras en el rendimiento de estos aparatos, para reducir los costos de producción del cobre. En mi opinión este tipo de proyecto sería ideal resolverlo con alumnos de postgrado en Ingeniería Aeronáutica, y de Ciencias Físicas o Matemáticas Aplicadas, ya que requiere el aporte de estas especialidades para su solución. Jaime Donoso (M. Phil.)

Jaime Donoso (M.Phil.) 2

“DISENO Y CONSTRUCCION DE NUEVOS HIDROCICLONES

PARA LA INDUSTRIA MINERA”.

 

 

por

Jaime Donoso

(M.Phil., D.I.C., B.Sc., Ing. Aeronáutico)

1. Descripción del Proyecto.

 

 

La primera patente sobre hidrociclones data desde 1891 (Brentney) y su uso en la industria minera aparece más establecido en las décadas de 1930 – 1940. El uso de estos aparatos está firmemente establecido en la industria como un clasificador de materiales (separador de partículas), como concentrador gravitacional de sólidos, como extractor de sólidos de líquidos y separador de líquido – líquido. Es notable que estos aparatos no hayan sufrido modificaciones sustanciales a pesar de su baja eficiencia (ver Fig. 1 y Fig. 2). La introducción tangencial de la alimentación en un hidrociclón produce un movimiento tridimensional que es el responsable de la separación de las partículas finas de las gruesas. Esta separación parece ser bastante imperfecta y esta relacionada con la ineficiencia de los hidrociclones. La clasificación de las partículas se produce a través de un tubo vertical inserto en centro superior del hidrociclón conocido como “vortex finder” y el flujo se conoce con el nombre de overflow . Los estudios teóricos y experimentales actuales tienden a clasificar la ineficiencia de los hidrociclones en tres aspectos:

  1. i. La clasificación de una partícula depende de su trayectoria de entrada al hidrociclón y esta es aleatoria.
  1. ii. El cortocircuito, que es concebido como un flujo de retardo en la capa límite (flujo adosado a las paredes interiores del hidrociclón), que conduce una porción del flujo de alimentación directamente a la descarga inferior (underflow en la Fig. 2).y sin sufrir ninguna clasificación.
  1. iii. Fuga de material por la descarga inferior o underflow que no sufre clasificación en el interior del hidrociclón. La razón específica de esta fuga no está perfectamente identificada.
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Una enorme cantidad de publicaciones hay sobre estas materias, como también hay modelos matemáticos que tratan de explicar el movimiento del fluido en el interior del hidrociclón (Ref. 5 y 6). Desgraciadamente, ninguno de estos trabajos es capaz de predecir el comportamiento, la eficiencia, ni menos diseñar hidrociclones para aplicaciones especificas.

Por consiguiente, estas inconveniencias técnico económicas, originan la necesidad y conveniencia, de implementar un proyecto que desarrolle nuevos hidrociclones, para mejorar la eficiencia de estos aparatos.2. Especificación del Tipo de Innovación a Desarrollar.

Recientes investigaciones realizadas por Jaime Donoso (Ref. 1, Ref. 2, y Ref. 3), autor e investigador de este proyecto, en el Centro de Investigación y Desarrollo Minera Metalúrgica (CIMM), han revelado algunas de las causas que hacen ineficientes a estos instrumentos de clasificación y que por otra parte, no permiten implementar modelos pedictivos de hidrociclones satisfactorios. Estas causas, son fundamentalmente debido a la alta complejidad de los flujos internos del hidrociclón y que no han sido suficientemente visualizadas (Ref. 6). Además hay que considerar la enorme cantidad de variables existentes, lo que ha inducido a los investigadores, a reducirlas y también linearizar las ecuaciones del movimiento, para llegar a soluciones aceptables, pero al final, son modelos predictivos carentes de precisión. Las investigaciones realizadas en el CIMM, consistieron en visualizar los flujos internos usando un hidrociclón transparente e inyectando materias colorantes mezcladas con coloides, para seguir la trayectoria de las partículas, las cuales fueron grabadas con cámaras de alta resolución para su estudio posterior. Lo que se pudo comprobar fue lo siguiente:

  1.  Que el flujo retardado de la capa límite no es estable, como se supone en los modelos matemáticos existentes. Por lo tanto las condiciones de límites de las ecuaciones diferenciales no son reales en estos modelos predictivos.
  1. No es efectivo, que todas las partículas de la alimentación, que entran en la capa límite nunca salen de ella y pasan directo a la descarga sin sufrir clasificación (este fenómeno es conocido como cortocircuito). El aporte al cortocircuito de la capa límite es marginal, debido al volumen que es capaz de transportar. El espesor de la capa límite es del orden de 3 mm cuando se trabaja con agua.
  1.  La visualización del flujo en el interior del hidrociclón, ha permitido probar que se desarrolla un flujo tridimensional, capaz de distribuir las partículas, y que su proceso de clasificación o separación, se produce en la parte superior del hidrociclón y también en las paredes del núcleo de aire que se produce en la sección central del cono y esta actividad también se proyecta hacia abajo en la sección cilíndrica del hidrociclón hasta la descarga.(ver diagrama de flujo Fig. 2)
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  1.  En el interior del hidrociclón alrededor del núcleo de aire, se produce una separación del flujo y por ende de partículas en la dirección del eje longitudinal, y que en un punto se bifurca hacia el overflow (descarga superior) y hacia el underflow (descarga inferior). El punto de separación es perfectamente controlable con la velocidad de alimentación del fluido.
    1.  El área de clasificación depende fundamentalmente de la velocidad de alimentación y que esta aumenta con la velocidad, hasta un límite en el cual el proceso se interrumpe. Se puede anticipar de acuerdo a lo observado, que la velocidad optima de clasificación es una función del numero de Reynolds (Re = ρd/μ.
    1.  En la actualidad la mayoría de los hidrociclones son cilíndrico rectos en su parte superior, cónicos en la inferior y un vortex finder cilíndrico recto, el que es insertado aproximadamente hasta la mitad del cilindro superior (ver diagrama esquemático de la Fig. 1). Geometría que no le permite usar toda el área de clasificación.  
      El análisis de estas observaciones conduce a concluir la necesidad de desarrollar este proyecto, para incrementar el área de separación de partículas y mejorar la geometría del hidrociclón, para aumentar la capacidad de clasificación de estos instrumentos. Se puede anticipar por las experimentaciones posteriores efectuadas, que esto se logrará introduciendo vortex finder, más largos, ranurados y probablemente coaxiales, acompañado de una geometría helicoidal interna del hidrociclón o con aletas deflectoras de flujo, lo que permitirá usar toda el área de clasificación efectiva que se pueda desarrollar en su interior, y por consiguiente, conducir una mayor cantidad de partículas que se deseen clasificar a esta zona de separación

      . Resolviendo las nuevas ecuaciones que se planteen, con condiciones de límite más reales, se podrán diseñar nuevos hidrociclones, más eficientes y con la probabilidad de predecir su eficiencia y controlar su operación de acuerdo a las condiciones y aplicaciones que se desee.

      3. Cuantificación de los Beneficios Esperados.

       

      Una batería de hidrociclones típica que procese 12.000 TMH de pulpa compuesta de 60% de sólidos y 40 % de agua, entrega aproximadamente 40% del total del material por el overflow (4.800 TMH). El que está compuesto por un 16% de sólido del total (1.920 TMH) y 24 % de agua (2.880 TMH). El 60% del material no clasificado se fuga por la descarga inferior (underflow), el que debe ser reprocesado para retro–alimentar el circuito. Se estima que con las innovaciones propuestas en este proyecto, habrá una mejora del 20% en los sólidos clasificados. Lo que incrementará el 16% de los sólidos clasificados a un 19,2% usando la misma energía. Esto significa que el producto sólido clasificado aumenta de 1.920 TMH a 2.304 TMH. Es decir un incremento diario (24 horas de trabajo) de 9.216 TM y en el año el incremento sería de 3.317.760 TM. Si la ley del mineral es de 0,7%, el aumento anual de cobre fundido sería del orden de 230.000 TM sin haber aumentado la energía en el proceso de concentración.

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      Debe notarse que la energía usada para procesar este material en el circuito es de 21.000 HP, distribuyéndose en 12.000 HP en los molinos SAG (semi autógenos), 3.000 HP en la bomba impulsora y 6.000 HP en los molinos de bola, para reprocesar la fuga del underflow. En el caso de la mina Doña Inés de Collahuasi (ley del mineral 0.7%) que tiene programado producir 300.000 TM de Cobre al año. Con los rendimientos actuales de los hidrociclones debería procesar aproximadamente 75.000 TM diarias de mineral (4.375 TMH de pulpa). Si aplicamos el razonamiento anterior solo debería procesar alrededor de 60.000 TM diarias de mineral (3.500 TMH de pulpa).

      El análisis de estas cifras claramente indica lo necesario que es incrementar el rendimiento de los hidrociclones.4. Innovación a Desarrollar.

      En este proyecto se buscará desarrollar un nuevo método para diseñar hidrociclones, los que deberán ser más eficientes que los actuales productos que ofrece el mercado. Se vislumbra que los nuevos instrumentos tendrán una mayor área útil de clasificación, modificando sustancialmente el cilindro superior de los actuales, también se prevé la modificación del vortex finder, y la introducción de un sistema que permita controlar el punto de bifurcación del flujo que se produce en la vecindad del núcleo de aire, este ultimo se presume será con la variación de la geometría y la adición de perfiles orientadores de flujo, y todo esto asociado con la velocidad de alimentación del hidrociclón. El nuevo diseño, también incluirá un estudio básico de las variables que permitan diseñar el flujo y los conceptos de la nueva geometría de los hidrociclones, para determinar, como estas variables afectan los rendimientos (perfomances) y producir un modelo matemático que pueda predecir la configuración óptima de un hidrociclón para las diferentes aplicaciones. Esto será una aproximación alternativa al comportamiento de los hidrociclones. El modelo matemático empleará un método numérico para predecir el flujo multifásico, con la solución de las ecuaciones básicas que gobiernan el flujo, incluyendo el efecto de la turbulencia y el efecto de la interacción del sólido con el fluido. El modelo será validado con la predicción de los parámetros de rendimiento, la data experimental disponible y los datos de la visualización de flujo obtenidos por el autor. Esta última investigación, ha permitido predecir la importancia de las nuevas geometrías, las cuales deberían ser aplicadas para producir hidrociclones más eficientes. Las nuevas geometrías deberán ser incluidas en el modelo matemático, para cumplir con el objetivo final de este proyecto, que es desarrollar un modelo confiable ajustar los rendimientos en forma más precisa en un amplio rango de operación y las nuevas geometrías variables nunca antes usadas en los hidrociclones, para mejorar el rendimiento de la clasificación de partículas. Este tipo de innovación se enmarca en una mejora importante de un producto existente.

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      5. El Modelo Matemático.

      Aunque el hidrociclón ha sido usado por muchos años, hay muy pocas evidencias de que la mecánica de fluidos concerniente al sistema es entendida. No existe en la actualidad un modelo matemático realístico disponible que sea capaz de predecir las performances de este aparato y menos capaz de predecir su eficiencia como clasificador de partículas. Esto se debe fundamentalmente a que los planteamientos teóricos de la mecánica de fluidos involucrada no han sido resueltos con las condiciones de límite reales como las observadas por el autor, por otra parte, tampoco se han usado todas las variables que definen el hidrociclón y sus perfomances. Por lo tanto es necesario resolver en forma realística, las ecuaciones básicas del movimiento del fluido desde la entrada hasta el flujo superior de salida (overflow), el flujo inferior de salida (underflow) y el núcleo de aire (air core), para producir un modelo predictivo confiable de las performances del hidrociclón. Además no hay antecedentes de que se haya intentado usar otras geometrías en los diseños de estos aparatos. Los antecedentes observados permitirán introducir condiciones de límite reales para las ecuaciones de Navier Stokes a resolver, junto con el análisis dimensional usando el teorema de Buckingham Pi, con el objeto de producir una función no-dimensional y así generar una guía que reporte en porcentaje la variación del overflow (material clasificado), con la variación independiente de los distintos parámetros de diseño. Este será un método realístico para probar y comparar las nuevas geometrías con los modelos tradicionales en operación. Para desarrollar este modelo matemático se usarán programas computacionales de propósito general multidimensional, para flujos de dos fases, como por ejemplo E.G. PHOENICS, FLOW3D, ANSYS, o programas nuevos disponibles en el mercado. Las ecuaciones deberán ser resueltas por continuidad, momentum y concentración de partículas. Las partículas sólidas serán representadas usando las ecuaciones para concentración de partículas, modelando un rango de tamaño en particular. También se incluirán términos especiales para calcular la velocidad relativa de las partículas considerando las fuerzas de resistencia y centrífugas. En barros diluidos o pulpas de minerales disueltos, las ecuaciones serán tratadas independientemente debido a los cambios en la densidad de la mezcla y la viscosidad efectiva. Se intentará que el modelo considere ambos efectos, asumiendo que la densidad de la mezcla depende de la concentración de partículas y de la viscosidad. El núcleo de aire será tratado en forma similar al de las partículas, esto es, las fuerzas centrífugas sobre los bolsillos de aire producidos por la diferencia en densidad del aire y el líquido producen una velocidad de deslizamiento hacia el eje longitudinal del hidrociclón, formando el núcleo de aire. La cantidad del aire ingresado y el tamaño del núcleo de aire serán determinados por consideraciones de continuidad. Modificando el modelo de Prandtl, se desarrollará un modelo simple mezclador de longitudes (mixing length model) el cual se validará con data disponible de los hidrociclones actuales. Se intentará hacer una representación de la turbulencia en el hidrociclón asumiendo que la variación de la viscosidad depende de la variación de flujo local.

      Se ha pensado explorar y usar un conjunto de seis ecuaciones diferenciales para el momentum acopladas con las ecuaciones de conservación de fase, usando los programas computacionales

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      mencionados arriba. Las ecuaciones se resolverán usando un método de dominio finito, el cual incluye la subdivisión del dominio del flujo en celdas rectangulares y la derivación de las ecuaciones de dominio finito por integración de las ecuaciones diferenciales sobre cada celda, por ejemplo, el método de Pantakar Spalding.

      6. Metodología y Programa de Ejecución. Es altamente recomendable reactivar el laboratorio que el autor construyó en el CIMM el año 1995 (Ref. 3) y realizar una asociación entre el CIMM y CODELCO entre otras disciplinas. Una vez activado el laboratorio se procedería como sigue:

      1.  Realizar experimentos con los hidrociclones transparentes ya existentes y que forman parte del laboratorio construido en el CIMM.
      1.  Diseño y construcción de al menos dos prototipos de hidrociclón transparentes, que permitan incluir las recomendaciones ya propuestas en este proyecto y realizar los experimentos necesarios. Los prototipos deberán ser desarmables y capaces de permitir la adición de elementos aerodinámicos, para orientar el movimiento interno del fluido y controlar la bifurcación del flujo que se produce alrededor del núcleo de aire.
      Nota: El autor en la actualidad tiene modelos bosquejados para su construcción y experimentación inmediata.

       

      1.  Validación del modelo matemático.
      1.  Diseño y construcción de un prototipo industrial para ser probado en las instalaciones de CODELCO.

      1.  

      2. Patentar el modelo resultante con las mejoras incluidas y buscar un socio para fabricar dichos instrumentos en Chile.

      Se estima que la duración del proyecto es de dos años mínimo, contando con la supervisión del autor o algún otro profesional, que tenga experiencia como investigador en el campo de la Mecánica de Fluidos, más un ingeniero aeronáutico, uno mecánico con conocimiento en el área y electrónica, además, un mecánico electrónico. Alternativamente, los participantes podrían ser estudiantes de postgrado que estén realizando sus tesis, este sistema reduce los costos considerablemente.

      Jaime Donoso (M.Phil.) 8

      7. Bibliografía

       

    2.  
      1.  
      1.  
        1. 1. “Visualizaciones de Flujos en un Hidrociclón Transparente”, Jaime Donoso et al, Julio 1995, CIMM, Chile.
      1.  
        1. 2. “Efectos de las variaciones en la Capa Límite de un Hidrociclón en el Cortocircuito”, Jaime Donoso et al, 1995 CIMM, Chile.
      1.  
        1. 3. “Descripción del Banco de Pruebas para el estudio de la relación Capa Límite–Cortocircuito en un Hidrociclón”, Jaime Donoso et al, 1994–1995, CIMM, Chile.
      1.  
        1. 4. Informe Técnico “Diseño y Optimización de Hidrociclones”, Fernando Concha et al, 1994, Universidad de Concepción, Chile
      1.  
        1. 5. “Cyclone Operating Factors and Capacities on Coal Refuse Slurries”, D. A. Dahlstrom, AIME, Mining Transaction, Vol. 84, 1949, UK.
      1.  
        1. 6. “4th International Conference on Hydrocyclones”, University of Southampton, 1992, UK.
    3. Nota: Toda esta bibliografía y otra adicional relevante al proyecto están en poder del autor.

       

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      Breve reseña del autor:

       

      Jaime Donoso Ingeniero Aeronáutico graduado en la Academia Politécnica Aeronáutica de la FACH y Posgraduado en la Universidad de Londres, Inglaterra, en ciencias Aeronáuticas, Aerodinámica y Mecánica de Fluidos. En su experiencia laboral, ha realizado Mantenimiento de Aviones, dado clases formales, a nivel Universitario y entrenamiento en salas de clases sobre Turbinas a Gas, Motores Recíprocos, Mantenimiento, Planificación y Control, Control de Calidad, etc. También dio clases formales, a estudiantes de ingeniería en Cálculo, Mecánica de Fluidos, Termodinámica y Aeronáutica. Posee vasta experiencia en la Industria Petroquímica (Instrumentación y Control) en Inglaterra y Suiza. Ha patentado varios inventos relacionados con la medición de flujos en USA y Europa. Con experiencia en la industria de procesos mineros, desarrollando proyectos. Diseñó y construyó un laboratorio para evaluar hidrociclones. Ingeniero consultor en Gestión de Calidad Total e Implementación de las NORMAS ISO 9000. Ha tenido posiciones de Ingeniero de Operaciones y Consejero Técnico, Instructor de Vuelo y Piloto. También ha ganado un premio Nacional de Ciencia y Tecnología otorgado por el Ministerio de Defensa Nacional. Últimamente está escribiendo libros relacionados con Matemáticas Básicas para la Ingeniería, Nuevas Tecnologías en la Medición de Flujos, y Mecánica de Fluidos para Colegios y Universidades. Contacto: jaime.donoso@vtr.net Avda. Manantiales 1440, casa 129, ConCon, Va

      REGIÓN Tel: 032 296 1154 Cel: 9044 5322Jaime Donoso (M.Phil.) 10

       

      Diagrama esquemático.

      Vista Superior

      Figura 1. Parámetros de diseño de un hidrociclón

       

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      Figura 2. Diagrama de flujo de un hidrociclón.

      Alimentación

      Descarga

      Estructura principal de un hidrociclón

       

       

 

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6 respuestas a “DISENO Y CONSTRUCCION DE NUEVOS HIDROCICLONES

  1. Sebastián Garretón dice:

    Estimado Ing. Jaime;

    He leido varios artículos escrito por usted sobre minería específicamente relacionado con clasificación através de hidrociclones, yo trabajo en una empresa minera en el norte de Argentina en la provincis de Jujuy en el área de Metalurgia, y estoy necesitando información para poder optimizar nuestros hidrociclones.

    Desde ya muchas gracias!

    Saludos Cordiales;

    Sebastián Garretón

  2. Jaime Donoso dice:

    Envié comentarios via email al Sr Garreton.
    JD

  3. makaduende dice:

    Existen unos separadores desolidos que seusan previo a los hidrociclones, que tienen la siguiente eficiencia:
    Funcionamiento esperado para usos en agua de producción: Tamaño máximo de partícula: 0.375 pulgadas (9.5 mm) El 98 % en partículas de 74 micras y partículas más grandes El 84 % para partículas de 39 a 20 micras. El50 % para partículas de19 a 1 micra. Esta eficacia está basada en partículas con una gravedad específica de 2.6. Para partículas con gravedades específicas de 1.5 a 2.5, la eficacia pasa a ser de:
    El 98 % para 74 micras y partículas más grandes
    El 75 % para partículas de 73 a 40 micras
    El 45 % para partículas de 39 a 20 micras
    El 8 % para partículas de 19 a 1 micra.
    lE AGRADESCO DEANTEMANO SU VALIOSA OPINION Y QUISIERA SABER, SI SON RECOMENDABLES
    GRACIAS DEANTEMANO
    JOAQUIN ALAYOLA

  4. JOHN ORTIZ dice:

    BUENAS NOCHES ING. JAIME, SOY UNA PERSONA DE CONOCIMIENTO EMPIRICO Y ESTOY TRABAJANDO EN UN PROYECTO,Y ME AGRADARIA QUE ME ORIENTARAS, ESTOY INVESTIGANDO PARA CONSTRUIR UN CONCENTRADOR CENTRIFUGO DE MINERALES. MUCHAS GRACIAS JOHN

    • jaimedonoso dice:

      Estimado John, si desas tener una orientación mas directa debes comunicarte conmigo a mi correo. Saludos Jaime. El Sat, 4 Aug 2012 01:07:09 +0000

      • JOHN ORTIZ dice:

        BUENAS NOCHES DON JAIME, COMO LE COMENTE ESTOY INTERESADO EN CNSTRUIR UNA MAQUINACONCENTRADORA CENTRIFUGA PARA SEPARAR MINERALES, SABIENDO DE SU CONOCIMIENTO ME ENCANTARIA DE QUE ME ORIENTARAS EN LA CONSTRUCION , CUANTO CUESTA , MUCHAS GRACIAS JOHN

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