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Ciclón de Medio Denso
Desde principios de la década de 1960 hasta mediados de la década de 1980, la tecnología de diseño de circuitos de ciclones en medios densos no cambió apreciablemente. El diseño básico, que era altamente flexible y altamente eficiente, era consistente con la tecnología desarrollada por Dutch State Mines («DSM») a mediados de la década de 1940. Durante este período, el circuito de ciclón de medio denso «típico» fue diseñado para procesar carbón a granel en el rango de tamaño de 9,5 mm x 0,6 mm. El carbón más grueso se procesó en tanques de medios densos o concentradores gravitacionales (jigs), y los finos se procesaron en ciclones espirales solo con agua o por flotación.
Los últimos años han sido testigos de una extensión significativa en el diseño de circuitos de ciclones en medios densos de última generación. Los ciclones de medios densos se están convirtiendo rápidamente en una opción común para limpiar un rango de tamaño mucho más amplio de carbón en bruto de lo que se consideraba económicamente viable hace solo unos pocos años. Desde un tamaño máximo nominal de 63.5 mm a 76.2 mm hasta 0.15 mm, se ha demostrado que los ciclones de medios densos son capaces de operar económicamente y en un rango estrecho de eficiencias. Esta notable extensión del rango de tamaños de alimentación que se considera adecuada para la limpieza en ciclones de medios densos es principalmente una función de lo siguiente:
- Una mejor comprensión de cómo la configuración de ciclón y las condiciones de operación (incluidas las características de magnetita) tienen un impacto en la eficiencia del ciclón;
- Mejoras en el diseño de los equipos y sistemas auxiliares (mallas y separadores magnéticos); y
- Avances en la metodología de instrumentación y control de procesos.
Las recientes mejoras en el diseño del equipo, junto con enfoques innovadores para el control de la gravedad específica del medio en circuitos de ciclón de medio denso, han hecho posible todo lo siguiente:
- Una extensión del rango de tamaño del carbón a granel para el cual los ciclones de medios densos pueden ser utilizados de manera rentable;
- Mejoras en la eficiencia del tamizado para la separación de lamas de carbón a granel y la capacidad de la unidad que han hecho que el circuito de ciclón en medio denso sea menos costoso de instalar.
- Mejoras en la eficiencia de drenaje y enjuague del tamiz y en la capacidad de la unidad, lo que ha reducido el consumo de magnetita y el costo operativo de los circuitos densos de ciclones medianos;
- Avances en el diseño y operación del separador magnético que disminuyó el consumo de magnetita y ha reducido el costo de operación de los circuitos densos de ciclones medianos; y
- Sistemas de control de la gravedad específica que funcionan de manera más precisa y permiten que los ciclones de medios densos funcionen con una eficiencia óptima.
Descripción
CONFIGURACION DE LOS CICLONES Y CONDICIONES DE OPERACION
El impacto de la configuración de ciclones en la eficiencia de separación se ha entendido más claramente como resultado del trabajo de prueba llevado a cabo en la Planta de Limpieza de Carbón de la ciudad de Homer en Pensilvania, así como en investigaciones realizadas en instalaciones de limpieza de carbón en Australia, Sudáfrica y otros lugares. La configuración del ciclón incluye el diámetro del ciclón, el diámetro del ápex, la longitud y el diámetro del buscador de vórtex, y la relación entre el diámetro del ápex y el diámetro del buscador de vórtex. Hasta hace muy poco tiempo, los ciclones de medios densos más grandes tenían diámetros de aproximadamente 710 mm con un tamaño máximo de alimentación sin procesar de 50 mm. Con la excepción de las llamadas plantas «lavado a cero» con capacidades generalmente en el rango de 100 a 300 STPH, la mayoría de las plantas de limpieza continuaron siendo diseñadas con ciclones de medios densos procesando solo un rango de tamaño bastante estrecho, como se muestra en la Figura 1 (antes de 1985). Una típica planta de preparación de carbón del tipo “en medio denso” incluía un circuito con tanque de medio denso para el carbón a granel «grueso», un circuito de ciclón de medio denso para la fracción de tamaño «intermedio» con un circuito con un espiral (o ciclón con solo agua) para carbón crudo hasta aproximadamente 0.15 mm. Los ultrafinos (0,15 mm x 0) se descartaron como rechazo o se procesaron en circuitos de flotación con espuma. Tal planta típica se parecía algo al esquema que se muestra en la Figura 2.
Empezando aproximadamente en 1995, sin embargo, los fabricantes de equipos de EE. UU. comenzaron a ofrecer ciclones mucho más grandes a la industria del carbón. Las unidades con diámetros superiores a 900 mm capaces de manejar un tamaño superior en el rango de 76 a 102 mm se han instalado con éxito en varias plantas de preparación de carbón con excelentes resultados. La Tabla 1 ilustra los grandes aumentos de capacidad que se pueden lograr utilizando esta nueva generación de ciclones de medios densos.
Además de un mayor rendimiento, con obvias ventajas en la reducción del número de unidades requeridas para manejar una cantidad dada de carbón a granel, estos ciclones grandes hacen que en algunos casos sea factible eliminar por completo el circuito de tanques de medios densos. El resultado es un diagrama de flujo simplificado con ahorros en requisitos de espacio y tuberías. La Figura 3 ilustra una planta de limpieza típica en la que se utilizan ciclones de medio denso para procesar carbón en bruto desde un tamaño superior de 50 mm hasta 1,0 mm.
Para que sea rentable, es crítico que los parámetros de operación en un circuito de ciclones de medio denso como el que se muestra en la Figura 3 sean monitoreados y controlados de cerca. Los parámetros de mayor preocupación incluyen los siguientes:
- Ratio entre medio-a-carbón.
- Pureza del medio
- Distribución de tamaño de magnetita.
- Presión de alimentación de entrada del ciclón.
En la mayoría de los casos, la relación de medio-a-carbón apropiada es determinada por el constructor de la planta de preparación de carbón durante la fase de diseño conceptual del proyecto. La mayoría de los circuitos densos de ciclones medianos en los Estados Unidos se operan con relaciones de medio a carbón de 3:1 a 4:1, en volumen. Los diseñadores de las plantas de preparación de carbón a menudo usan la proporción más baja de medio a carbón consistente con un nivel aceptable de eficiencia en la limpieza. Generalmente, las relaciones de medio a carbón deben aumentar a medida que aumenta el porcentaje de material de gravedad cercana, es decir, en los circuitos de material de tamaño intermedio o en aplicaciones donde se requiere una gravedad de separación baja (1.45 o inferior) para producir un producto que cumpla con las especificaciones del cliente. Los entendidos creen que una proporción de 4:1 es más apropiada para separaciones donde el material de gravedad cercana es inferior al 30% y se debe usar una relación de 5:1 (o superior) cuando la gravedad-cercana excede el 30%.
La contaminación del medio de recirculación puede ser un problema en cualquier circuito de ciclón de medio denso, y se entiende el impacto adverso que provoca, incluso de cantidades relativamente pequeñas de contaminación no magnética en el medio.
Los problemas creados por dicha contaminación se intensifican a medida que disminuye la gravedad específica de la separación y aumenta el porcentaje de material de gravedad-cercana en la alimentación.
Como los materiales no magnéticos (incluidos el carbón ultrafino, las arcillas y otras partículas ultrafinas no bituminosas) reemplazan las partículas de magnetita en el medio de recirculación, la viscosidad del medio aumenta y el rendimiento del ciclón se afecta. Es especialmente importante que las partículas de magnetita ultrafinas (<10,0 μ) se retengan en el medio ya que una distribución de tamaño de partícula de magnetita más fina da como resultado una operación de ciclón más estable y una eficiencia mejorada del ciclón. En un conjunto de pruebas destinadas a cuantificar el impacto de la distribución del tamaño en la eficiencia, el porcentaje de partículas ultrafinas (> 5,0 μ) se aumentó de forma incremental del 10% al 20% y se determinaron los valores de error probables para cada incremento. El valor probable de error fue 0.08 cuando el porcentaje de ultrafinas fue del 10%. Este valor disminuyó en una relación lineal a un valor de 0.03 cuando el porcentaje de ultrafinas alcanzó el 20%, el límite superior de la prueba. Los sistemas se han desarrollado para minimizar la contaminación media manteniendo una distribución de tamaño de grano aceptable.
La presión de alimentación de entrada del ciclón determina la velocidad de flujo volumétrico a través del ciclón de medio denso, y las presiones más altas dan como resultado flujos más altos a través de un ciclón de una geometría dada. Esta relación se muestra en la Tabla 2 para un ciclón de 350 mm de diámetro.
Del mismo modo que la velocidad de flujo volumétrico aumenta con la presión de alimentación de entrada elevada, también lo hace el efecto de clasificación que ocurre dentro del ciclón. Este efecto de clasificación puede tener un impacto apreciablemente negativo en el rendimiento del ciclón de densidad media. Este deterioro en el rendimiento se vuelve más pronunciado a medida que disminuye la gravedad de separación. En al menos un caso, donde la presión de alimentación se mantuvo constante, los ciclones de diámetro relativamente grande produjeron mejores separaciones que las unidades más pequeñas con una gravedad de separación específica de aproximadamente 1,30. Por ejemplo, un ciclón de 500 mm de diámetro logró un error probable de aproximadamente 0,05, mientras que el error probable producido por un ciclón mucho más pequeño (200 mm) fue significativamente mayor (aproximadamente 0,09).
