Operação do hidrociclone

1. Introdução

Os hidrociclones são equipamentos de classificação muito utilizados na indústria mineral. Foi inventado no Dutch State Mines Department na Holanda recentemente. Suas principais características são simplicidade de construção e operação, com um baixo custo de capital.

São classificados em famílias, cada qual sendo caracterizada por um conjunto de separadores que mantém entre si uma proporção constante e exclusiva de suas principais dimensões geométricas com o diâmetro da parte cilíndrica.

As proporções existentes entre as dimensões geométricas estão diretamente relacionadas com o desempenho do hidrociclone. A respeito desse fato, sabe-se, que hidrociclones, dotados de uma região cilíndrica relativamente grande, são equipamentos que oferecem uma maior capacidade volumétrica, enquanto as que têm a parte cônica de maior dimensão induzem a uma maior eficiência de coleta. Dentre as famílias clássicas podem ser citadas como exemplo a de Bradley, Rietema, Krebs, CBV/Demco, Hi-Klone, Mosley, RW, Warman.

2. Funcionamento de um hidrociclone

No topo da parte cilíndrica do hidrociclone é introduzida tangencialmente uma alimentação dotada de energia de pressão, fazendo com que o fluido desenvolva no interior do hidrociclone um movimento rotacional. Este movimento rotacional do fluido ao longo de seu percurso gera acelerações centrífugas atuantes nas partículas presentes no meio, forçando-as a mover em direção à parede do equipamento.

Desta maneira, quanto mais o fluido adentra na parte cônica do hidrociclone maiores são as componentes da velocidade do fluido (axial, radial e tangencial), visto que a seção disponível do escoamento vai se reduzindo. Considerando que apenas uma parcela da suspensão alimentada é eliminada pelo orifício underflow, devido a sua dimensão relativamente pequena, tem-se uma parcela não descarregada que migra em sentido ao centro do eixo do equipamento, formando, assim, um vórtice interno ascendente com movimento rotacional contrário ao criado pelo primeiro vórtice (VIEIRA, 2006).

O escoamento da suspensão em hidrociclones é complexo e pode ser decomposto em três componentes: axial, radial e tangencial. A componente tangencial desse escoamento mostra-se altamente relevante porque é a responsável pela geração das forças centrífugas e de cisalhamento atuantes em um hidrociclone. Estas mantêm a parede ausente de acúmulo de sólidos, enquanto as forças centrífugas, dependentes da posição axial e radial no hidrociclone, são as diretamente responsáveis pela coleta de uma determinada partícula. A transferência da quantidade de movimento de uma componente para outra é constantemente executada, principalmente quando o fluido se aproxima do orifício de underflow, aonde este, com movimento rotacional, vai cedendo energia simultaneamente para as componentes radial e axial (SCHAPEL; CHASE, 1998).

A coleta de partículas para um hidrociclone tem como forças atuantes aquelas decorrentes do movimento rotacional do fluido, pelo empuxo (devido à diferença de densidade do fluido e partícula) e pelo arraste (inerente ao escoamento envolvendo mais de uma fase). Deste modo são consideradas coletadas as partículas que conseguirem atingir a parede. No escoamento, as partículas maiores experimentam uma maior força centrífuga, sendo direcionadas à parede. As menores não terão tempo para alcançar a parede, serão arrastadas para o vórtice interno e descarregadas no overflow.

Segundo SOUZA ET al., (2000) há particularidades no escoamento dos fluidos que merecem ser mencionadas. Há tais como: um pequeno curto-circuito que ocorre no topo do hidrociclone devido aos gradientes de pressão e às bordas de escoamento causadas pela diferença de tamanho entre o vortex finder e o turbilhão interno.

Existe ainda, a tendência de aparecer um vórtice interno de ar (air core) ao longo do eixo central do hidrociclone, mas que, geralmente, é destruído pela adição de contrapressão ou pela faixa de operação na qual o hidrociclone é manuseado (VIEIRA, 2006).

Na Figura 1 é apresentado um hidrociclone convencional, o qual consiste de uma câmara cilíndrico-cônica com entrada tangencial e duas saídas. A polpa é injetada sob pressão no aparelho, através de um duto situado na parte superior da câmara cilíndrica e, como resultado de sua entrada tangencial, é criado no seu interior um redemoinho. As partículas mais grossas e mais densas são arremessadas às paredes e descarregadas na abertura inferior, o apex, constituindo o underflow. Já as partículas mais finas, menos densas e grande parte da fase líquida são dirigidas para o centro do hidrociclone e saem por um cilindro na parte superior do aparelho, denominado vortex finder, constituindo o overflow.

Fig.1 – Representação Esquemática de um hidrociclone convencional

Resumo dos elementos geométricos e efeitos das variáveis

Uma vez que a maioria dessas variáveis apresenta interações entre si, não é possível avaliá-las independentemente. O desempenho do ciclone é usualmente avaliado a partir da curva de partição, da relação entre overflow e underflow e da pressão de alimentação.

• Diâmetro do ciclone: a dimensão básica do ciclone é definida a partir do diâmetro da parte cilíndrica. Essa dimensão define a capacidade e o tamanho de corte do equipamento. Existe uma grande quantidade de ciclone com diâmetros do variando desde 10 a 1200 mm. Nesses ciclones é possível à utilização de diferentes tamanhos de vortex finder, apex, abertura de alimentação e ângulo da parte cônica. Um aumento no diâmetro do ciclone propicia uma elevação na capacidade e no tamanho de corte.

• Diâmetro do vortex finder: o diâmetro do vortex finder pode ser variado em um mesmo ciclone de forma a permitir regular a capacidade e o tamanho de corte em um dado intervalo. O diâmetro máximo do vortex finder está limitado pela possibilidade de curto-circuito do material de alimentação para o overflow sem classificação. Essa é a razão pela qual a altura dessa peça deve ser tal que a sua extremidade inferior fique ligeiramente abaixo da borda inferior do bocal de alimentação. O aumento do diâmetro do vortex finder propicia um aumento no tamanho de corte.

• Área da abertura de entrada: a velocidade tangencial da polpa na parte cilíndrica do ciclone é determinada pela área aberta do bocal de alimentação. Os diversos ciclones existentes podem ser fornecidos com diferentes tamanhos de abertura de entrada para ajustá-los à capacidade