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UNIVERSIDAD DE ANTOFAGASTA FACULTAD DE INGENIERIA DPTO. INGENIERIA DE MINAS QUIROZ R., Apunte curso de MINERALURGIA, 2008 183 CAPITULO 7 OPERACIONES DE SEPARACION SOLIDO-LIQUIDO 7.1.-GENERALIDADES DE LA OPERACIÓN DE SEPARACIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO. Las operaciones de separación sólido-líquido tienen una gran importancia en los procesos de tratamiento de minerales. En la mayor parte de ellos es necesario procesar el mineral en forma de pulpa, mezclado con agua o soluciones. Pero, una vez finalizado el tratamiento, o en alguna etapa intermedia si ello es conveniente, deben separarse los constituyentes de la pulpa en sólidos y líquidos. Esta operación puede tener variados objetivos entre los que se cuentan: a.- Recuperación del agua utilizada en el sistema. b.- Recuperación de las soluciones que contienen algún producto de interés. c.- Obtención de un producto seco comercializable. d.- Obtención de un producto con un grado de humedad apropiado para otras etapas del proceso. e.- Obtención de soluciones claras, exentas de sólidos, para alimentar otras etapas del proceso. Para cumplir con estos objetivos se disponen de varias tecnologías: Espesamiento; Clarificación; Filtración y Centrifugación. La selección de alguna de ellas depende del tipo de material que se trata y de los objetivos esperados en el marco del proceso. Al respecto pueden hacerse las siguientes observaciones: a.- Espesamiento: se utiliza para tratar pulpas diluidas, entre 2 y 40 % en sólido, de las cuales se desea obtener como producto una pulpa más concentrada en sólido y una solución clara. Este es el caso de la recuperación de agua desde relaves, la que se reincorpora nuevamente al proceso, del desaguado de los concentrados previo a una filtración y de la recuperación de soluciones en procesos de lixiviación por agitación. b.- Clarificación : se utiliza cuando se quiere tener una solución exenta de sólidos, puede ser el caso, por ejemplo, de soluciones de lixiviación que serán tratadas mediante extracción por solventes y que tengan niveles elevados de sólidos en suspensión. En este caso los sólidos, de no extraerse, formarán “crud” con el consiguiente perjuicio para la operación. c.- Filtración: Se utiliza cuando se desea obtener un producto sólido con grados de humedad fluctuantes entre 6 y 15 %, que deberá ser comercializado, transportado o alimentado a otra etapa del proceso. En algunos casos se utiliza también en la recuperación de soluciones o agua de proceso, sobre todo cuando ella tiene una alta significación sobre los costos de operación. Esta tecnología es eficiente para pulpas

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Capitulo 7 - Mineralurgía

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CAPITULO 7 OPERACIONES DE SEPARACION SOLIDO-LIQUIDO

7.1.-GENERALIDADES DE LA OPERACIÓN DE SEPARACIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO.

Las operaciones de separación sólido-líquido tienen una gran importancia en los procesos de tratamiento de minerales. En la mayor parte de ellos es necesario procesar el mineral en forma de pulpa, mezclado con agua o soluciones. Pero, una vez finalizado el tratamiento, o en alguna etapa intermedia si ello es conveniente, deben separarse los constituyentes de la pulpa en sólidos y líquidos. Esta operación puede tener variados objetivos entre los que se cuentan: a.- Recuperación del agua utilizada en el sistema. b.- Recuperación de las soluciones que contienen algún producto de interés. c.- Obtención de un producto seco comercializable. d.- Obtención de un producto con un grado de humedad apropiado para otras etapas del

proceso. e.- Obtención de soluciones claras, exentas de sólidos, para alimentar otras etapas del

proceso.

Para cumplir con estos objetivos se disponen de varias tecnologías: Espesamiento; Clarificación; Filtración y Centrifugación. La selección de alguna de ellas depende del tipo de material que se trata y de los objetivos esperados en el marco del proceso. Al respecto pueden hacerse las siguientes observaciones: a.- Espesamiento: se utiliza para tratar pulpas diluidas, entre 2 y 40 % en sólido, de las cuales se desea obtener como producto una pulpa más concentrada en sólido y una solución clara. Este es el caso de la recuperación de agua desde relaves, la que se reincorpora nuevamente al proceso, del desaguado de los concentrados previo a una filtración y de la recuperación de soluciones en procesos de lixiviación por agitación. b.- Clarificación : se utiliza cuando se quiere tener una solución exenta de sólidos, puede ser el caso, por ejemplo, de soluciones de lixiviación que serán tratadas mediante extracción por solventes y que tengan niveles elevados de sólidos en suspensión. En este caso los sólidos, de no extraerse, formarán “crud” con el consiguiente perjuicio para la operación. c.- Filtración: Se utiliza cuando se desea obtener un producto sólido con grados de humedad fluctuantes entre 6 y 15 %, que deberá ser comercializado, transportado o alimentado a otra etapa del proceso. En algunos casos se utiliza también en la recuperación de soluciones o agua de proceso, sobre todo cuando ella tiene una alta significación sobre los costos de operación. Esta tecnología es eficiente para pulpas

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relativamente concentradas, de allí que es frecuente encontrarla en circuitos articulada con espesamiento. d.- Centrifugación: Se utiliza cuando se procesan materiales, como ser sales o

precipitados, que por su naturaleza resultarían difíciles de filtrar. 7.2.- ESPESAMIENTO. 7.2.1.- Prueba de sedimentación.

La prueba discontinua de sedimentación es una de las técnicas más utilizadas para el estudio de sedimentación de pulpas. Ella se realiza en una probeta graduada, de un litro o de 500 cc., provista de una tapa esmerilada. La pulpa se carga en la probeta y esta se invierte por un cierto número de veces a fin de homogeneizar la pulpa en estudio. Al sedimentar la pulpa experimenta la situación que se describe en la Figura siguiente:

II

I

II

IIIIV

I

II

III

IV

I

IV

I. Agua clara

II.- Pulpa inicial

III.- Zona de transición

IV.- Pulpa concentrada

t= 0 t= interm. t= interm. t= infinito

FIGURA 7-1: Prueba de sedimentación discontinua

Para el tiempo t=0 la pulpa tiene la concentración inicial que se describe por la

Región II. Una vez transcurrido un cierto tiempo se establecen cuatro regiones identificables, la Región I, de agua clara, la Región II de pulpa de la misma consistencia que la inicial, la Región III, de transición entre la pulpa de concentración inicial y la de concentración final, y por último la Región IV, donde la pulpa tiene la concentración final. En la experiencia, a medida que transcurre el tiempo aumentan el tamaño de las regiones I y IV, hasta un tiempo infinito, en el cual sólo se encuentran ellas y dejan de aparecer las zonas II y III.

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La descripción anterior se hizo de acuerdo a Coe-Clevenger, otros autores no identifican la región de transición, Región III. En todo caso, la interfase que separa las regiones I y II es claramente identificable y durante la prueba de sedimentación se mide su altura, de tal forma de obtener, para el tiempo que dura la prueba, una tabla de Z, altura de interfase, versus tiempo. Las pruebas tienen una duración de veinte a treinta minutos, pero adicionalmente, si el método de análisis así lo requiere, se deja la pulpa en reposo por varias horas a fin de registrar la altura de sedimentación a tiempo infinito.

Los resultados experimentales se presentan como un gráfico de altura vesus tiempo. En la Tabla y figura siguiente se muestra el resultado de un test típico de sedimentación para una pulpa floculada.

TABLA 1-1

Resultados de un test de sedimentación

Tiempo (minutos)

Altura de Interfase

(cm)

0 33.0

0.5 22.9

1.0 19.0

2.0 11.2

4.0 9.0

6.0 6.4

10.0 6.0

15.0 5.5

20.0 5.3

25.0 5.1

30.0 4.9

60.0 4.9

1440.0 4.6

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0

5

10

15

20

25

30

35

0 20 40 60 80

Tiempo (min)

Alt

ura

in

terf

as

e (

cm

)

7.2.2.- Floculación. a.- Floculantes.

Los floculantes son reactivos químicos de tipo polimérico, que agregan a las partículas finas dispersas en la pulpa. Estos agregados, denominados flóculos, son de un elevado volumen y porosidad, pero en razón de su tamaño tienen una velocidad terminal de sedimentación considerablemente mayor que las partículas individuales, permitiendo de esa forma una rápida y efectiva sedimentación.

Es conveniente diferenciar entre dos fenómenos que en algunos casos pueden confundirse: Coagulación y Floculación.

La coagulación es un proceso de agregación de partículas bajo la influencia de un electrolito. El electrolito modifica la doble capa eléctrica de las partículas, a nivel de capa difusa, permitiendo con ello que éstas pueden acercarse y formar agregados. Los reactivos coagulantes son inorgánicos y como ejemplos se tienen: cal, cloruro férrico, sulfato de aluminio y otros.

La floculación en cambio es un proceso de agregación que se lleva a cabo bajo la influencia de un polímero orgánico. Este compuesto tiene distribuida una carga iónica en sus cadenas la que interacciona con la carga superficial de las partículas generando un fenómeno de adsorción física. A través de esta interacción se generan puentes entre las partículas las que se van aglutinando hasta constituir un flóculo. No obstante, debe señalarse que el mecanismo mediante el cual actúan los floculantes no se encuentra del

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todo dilucidado y además del indicado son múltiples los factores que intervienen en la formación y estabilidad de los flóculos.

Los floculantes poliméricos sintéticos se empezaron a utilizar en la década del sesenta, originando un fuerte cambio en la práctica operacional, diseño y eficiencia en el espesamiento de pulpas. Al respecto debe indicarse que las principales teorías y métodos de diseño de espesadores , por ejemplo Kynch (1952), se desarrollaron antes que se incorporaran en la técnica los floculantes sintéticos, asimismo, las innovaciones recientes en los equipos, espesadores Hi-Density, han sido motivadas por la optimización en el uso de estos reactivos.

Los floculantes se identifican de acuerdo a su caga iónica, así se tienen floculantes catiónicos, aniónicos y neutros. En la tabla siguiente, Tabla (7-2) que se ha tomado de la literatura (Yarar), se muestran algunas familias de compuestos químicos que pueden ser utilizados como floculantes. En todo caso, debe indicarse que la acción de los floculantes no puede ser predicha de un análisis químico convencional. La práctica de sedimentación señala que compuestos de la misma naturaleza química pueden mostrar respuestas marcadamente diferentes de acuerdo a su peso molecular y distribución de la carga en sus cadenas. Asimismo, la respuesta de los floculantes está fuertemente determinada por los métodos utilizados en la preparación y la adición del reactivo, sobre todo por los factores físicos y químicos que pueden originar el deterioro de sus cadenas.

TABLA 7-2 Reactivos floculantes industriales

FABRICANTE PRODUCTOS

Allied Colloids Ltda (G.B.). Magnafloc, Percol, Zetag

American Cyanamid Company. (EE.UU.)

Magnafloc, Superfloc, Cyfloc.

BASF A.G. (Alem.) Sedipur

Dow Chemical Co (EE.UU.) Separan

Hercules, Inc. (EE.UU.) Hercofloc

Mitshubishi Chemical (Japón) Diacler

Nalco Chemical Co (EE.UU.) Nalco, Nalcocyte

Nobel-Hoescht (Francia) Bozefloc

Sandoz (EE.UU.) Sandolec

Sanyo Chemical Industries (Japón)

Sanfloc

Sumitomo Chemical Co. (Japón)

Sumifloc

Union Carbide Corp. (EE.UU) Polyox

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Los floculantes son comercializados en variadas formas: sólidos, emulsiones, dispersiones y soluciones. Los sólidos pueden presentarse como polvos, escamas o pequeños granos. Estos sólidos deben disolverse previo a su aplicación, lo que demora, dependiendo de su peso molecular, entre algunos minutos a horas inclusive. Las concentraciones en compuesto activo pueden ser del 100 %, no obstante debe indicarse que es posible que el método de fabricación haga decrecer su pureza por contaminación con otros compuestos, como ser disolventes, utilizados en su manufactura. Las emulsiones son geles polméricos emulsionados en algún aceite, los contenidos activos se encuentran entre 25 y 35 %. Las dispersiones pueden considerarse como emulsiones libres de agua, los contenidos en compuesto activo son del orden del 50 %. Las soluciones poliméricas se utilizan para el caso de reactivos de bajo peso molecular, su concentración pueden variar entre 3 a 50 %, siendo el factor limitante la viscosidad. b.- Aspectos prácticos relacionados con los floculantes.

Como se indicó, la eficiencia de los floculantes depende del procedimiento utilizado para preparar la solución, el como se adiciona al equipo y del contacto que se establece entre la solución y la pulpa. En la literatura (Sankey y Payne) se mencionan varios factores que pueden incidir en el rendimiento de los floculantes, pero el que resulta más significativo, desde el punto de vista de la operación, es la degradación que puede tener el polímero debido a esfuerzos de corte. Estos pueden producirse ruptura de las cadenas poliméricas perdiéndose eficiencia la aglomeración.

A modo de ejemplo en la Figura 7-3, tomada de la literatura, se compara el rendimiento del floculante bajo distintas condiciones de esfuerzos de corte. En esta figura se reportan velocidades de sedimentación obtenidas con floculantes que han sido agitados mecánicamente por diferentes tiempos.

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FIGURA 7-3: Efecto de esfuerzos de corte sobre el rendimiento de

floculantes.

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Para minimizar el efecto descrito se debe proceder a una buena selección de los sistemas de preparación, transporte y adición del floculante. En el mercado existen sistemas de dispersión que no utilizan mezcladores mecánicos, asimismo sistemas de dilución en línea que minimizan los esfuerzos de corte. Para la impulsión hay que evitar el uso de bombas centrífugas, en su defecto se utilizan bombas de desplazamiento positivo tipo Pistón. En cuanto a la adición se recomienda no utilizar válvulas o dispositivos que puedan introducir esfuerzos de corte que dañen al reactivo.

Otras precauciones que es necesario tomar están en relación al agua que se utiliza para la preparación de las soluciones. Esta debe ser de pH neutro, a fin de evitar hidrólisis, y en lo posible no deben encontrarse cationes metálicos que puedan producir gelación, precipitación o depolimerización. En el primer caso se producen cambios en el caracter iónico del polímero mientras que en el segundo puede ocurrir una disminución en el peso molecular.

Finalmente, deben seguirse las recomendaciones que hace el fabricante para su almacenamiento y manejo. c.- Prueba de sedimentación utilizando floculantes.

El test de sedimentación utilizando floculantes tiene algunas diferencias respecto al que no utiliza dicho reactivo, sobre todo por el orden de velocidades que se logran y por tipo de información que es necesario recolectar. De una campaña de evaluación de floculantes se debiera de obtener a lo menos la siguiente información: estabilidad de las soluciones de floculante utilizadas, estabilidad de los flóculos formados, requerimientos de mezclado del floculante, concentración óptima de reactivo, óptima densidad de la pulpa en el espesador. A continuación se comentan algunos de estos elementos. i.- Requerimiento de mezclado: Como se indicó, en el test estándar la homogeneización de la pulpa se realiza a través de inversiones de la probeta de ensayo. Cuando se utilizan floculantes debe determinarse experimentalmente el número de veces que la probeta debiera de ser invertida. La conducta que se obtiene se muestra en la figura (7-4).

Para la solución concentrada de floculante la velocidad de sedimentación pasa por un máximo para luego decrecer. La ubicación de este máximo es importante para evaluar el grado de mezclado que necesitan el floculante y la pulpa para que este reactivo tenga un desempeño eficiente.

En la literatura se reportan otros métodos para determinar este máximo, en particular uno que utiliza un equipo constituido por cuatro probetas dispuestas en una bandeja. La bandeja se puede girar de tal forma que se inviertan las probetas y la pulpa se homogenice. Para evaluar el número de veces que es necesario invertir la probeta la pulpa a evaluar se distribuye en las cuatro probetas, cuidando que no se produzcan segregaciones que puedan modificar su densidad, una vez hecho esto se adiciona el floculante a la primera de ellas y la bandeja se invierte por tres veces. De manera similar

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se procede con la segunda, tercera y cuarta probeta sucesivamente, cuidando en cada caso agregar la misma cantidad de floculante que a la primera. Una vez cumplido con este procedimiento se procede a tomar las lecturas de la interfase en función del tiempo para las cuatro probetas simultáneamente. De acuerdo al procedimiento la primera probeta se ha invertido doce veces, la segunda nueva, la tercera seis y la última tres. Las velocidades de sedimentación que se registren pueden llevarse a un gráfico similar al de la Figura (7-4). Este procedimiento, que puede realizarse por separado, permite identificar el grado de mezclado que se necesita para evaluar el floculante en laboratorio como asimismo permite inferir el grado de mezclado que se requerirá en Planta industrial. Esto último puede ser de utilidad para introducir mejoras en los puntos de adición del reactivo.

g

FIGURA 7-4: Resultados del test de sedimentación en función del número de inversiones de la probeta.

En cuanto a la evaluación de algunos floculantes específicos, normalmente el fabricante proporciona alguna suerte de estandarización, por ejemplo Dow, para su floculante SEPARAN, publicó hace algunos años un método que consiste en agregar el floculante en tres etapas, en cada una de las cuales se adiciona la tercera parte y se invierte la probeta tres veces, una vez cumplido con esto se efectúa la prueba de sedimentación. ii.- Concentración óptima de floculante: La respuesta de cada floculante es particular, depende de sus características y de las características de la pulpa. Sin embargo, puede

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indicarse un comportamiento general el cual se muestra en la Figura (7-5), en ella se advierte, curvas A y B, que el aumento de la dosificación de reactivos conduce a un aumento de la velocidad de sedimentación hasta que se alcanza una meseta, a partir de ese punto una mayor dosificación no afecta significativamente a dicha velocidad.

g

FIGURA 7-5: Efecto de la dosificación de floculantes sobre la velocidad de Sedimentación. Además, dependiendo del tipo de floculante, puede presentarse algún efecto de

sobrefloculación, curvas C y D. Por sobre cierto límite de dosificación la velocidad de sedimentación disminuye fuertemente. La sobrefloculación se origina cuando los flóculos formados tienen una densidad similar a la del fluido por lo cual tendrán una muy baja o casi nula velocidad de sedimentación. iii.- Concentración de sólidos en la pulpa de alimentación: A partir de la década del sesenta se advirtió que la acción de los floculantes dependía de la concentración en sólidos de la pulpa de alimentación. En la Figura (7-6 ), tomada de un catálogo EIMCO, se muestra esta conducta.

La evidencia anterior ha originado algunas innovaciones en los sistemas de alimentación a los espesadores que permiten la dilución de la pulpa con agua clara, previo a la acción del floculante. Esto porque frecuentemente existe un rango óptimo de concentración de sólidos en la alimentación que permite obtener una floculación más

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eficiente. Este hecho no fue reconocido durante los inicios en el uso de floculantes, es a partir de 1963 que se hicieron las primeras modificaciones en el feewell, para permitir la dilución. En la actualidad estos sistemas se encuentran incorporados en varios diseños de espesadores.

g

FIGURA 7-6: Efecto de la concentración en sólidos de la pulpa sobre la Floculación y la velocidad de sedimentación.

iv.- Concentración del floculante: Los floculantes son altamente viscosos por lo cual su

manejo se hace difícil a concentraciones mayores que 0.5 (%), lo cual hace conveniente diluirlos a valores de 0.05 (%), o menores previo a su adición al sistema. Sin embargo, a medida que aumenta su dilución el floculante se torna más sensible al deterioro por efectos de corte, lo que se muestra comparativamente en la Figura (7-7 ).

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FIGURA 7-7: Efecto sobre la velocidad de sedimentación de la concentración y grado de mezclado del floculante. 7.2.3.- TECNOLOGIA DE ESPESAMIENTO. a.- Descripción de la operación.

El espesamiento es una de las tecnologías de separación sólido-líquido de uso más frecuente en las plantas de beneficio de minerales, mediante su aplicación se obtiene como producto una pulpa de mayor concentración en sólidos que la pulpa original y una solución clara. Esto se esquematiza en la figura 7-8.

Pulpa

concentrada

Pulpa diluida

Solución claraESPESADOR

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FIGURA 7-8: Esquema de un espesador.

El espesamiento se utiliza principalmente en la recuperación de agua desde relaves, en el desaguado de concentrados previo a una filtración, en la separación de soluciones desde circuitos de lixiviación por agitación y en repulpajes, de mineral o concentrado, que deban efectuarse para cumplir con exigencias de los procesos.

b.- Espesadores.

Este equipo se incorporó en la técnica a comienzos de siglo con el diseño del espesador Dorr y durante muchos años no tuvo modificaciones sustantivas en su estructura. Sin embargo, en la década del ochenta se generaron algunas innovaciones en el cajón de alimentación, feedwell, que permiten diluir la pulpa de alimentación haciendo más efectivo el uso de los floculantes. Estas innovaciones son conocidas con el nombre de espesadores Hi-density.

El equipo consiste básicamente en un estanque cilíndrico con fondo inclinado y un mecanismo de rastras que al rotar conducen los sólidos a un orificio de descarga central abierta. En la parte superior se encuentra un rebalse periférico que permite la evacuación del líquido clarificado.

La alimentación se hace a través de un pozo ubicado en su parte central, feedwell, que está estructuralmente diseñado de tal forma de minimizar el grado de agitación del entorno. Los sólidos sedimentan, por efecto de la gravedad, hacia el fondo del estanque desde donde son arrastrados hacia el orificio de descarga.

El tamaño de los espesadores oscila entre 2,5 y 150 mtrs de diámetro (aún cuando para fines especiales pueden existir de tamaño mayor) y su altura varía desde 3 hasta 10 metros o más para las unidades mayores.

Normalmente el mecanismo de las rastras consiste en dos brazos radiales a 180º con hojas que impulsan a los sólidos sedimentados. En la figura (7-10) se encuentran algunos diseños de rastras.

El mecanismo impulsor se encuentra en el eje central o bien montado en la plataforma periférica circular. Asimismo, disponen de mecanismos de control que permiten elevar las rastras o actuar sobre válvulas de descarga auxiliares en el caso que la concentración de sólidos, en el interior del espesador, pueda hacer temer por un posible embancamiento o daño en la estructura del equipo.

En las Figuras siguientes se muestran algunos detalles estructurales de espesadores y de sus elementos principales, rastras, feedwell, etc.

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Debido a las características de los floculantes poliméricos, comentadas en párrafos precedentes, en la técnica ha surgido recientemente una nueva generación de espesadores, conocidos como: Espesadores Hi –density y high compression. Básicamente estos espesadores tienen un diseño del cajón de alimentación que les permite diluir la pulpa de alimentación de tal forma de optimizar la acción del reactivo floculante. Esto básicamente permite dos cosas:

- Reducir el tamaño de los equipos, y con ello su costo de inversión. - Reducir el consumo de floculante, y con ello el costo de operación.

En la figura se muestra un espesador “High compression” tomado desde un catálogo de Sumaflo. (Outokumpu Group Company). En el se advierte el diseño del cajón que permite recircular agua del rebose-

FIGURA 7-11: Espesador High Compression. (Sumaflo)

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7.2.4- OPERACION DE UN ESPESADOR En la operación de un espesador convencional intervienen varias variables las que

se esquematizan en la Figura (7-12).

Altura de agua clara

Profundidad de pulpa

Densidad sólidos

de la descarga. fd

Características y

flujo de floculante

Flujo volumétrico

de descarga

Fracción de sólidos

en alimentación fa

Flujo volumétrico pulpa

de alimentación, Qa

VARIABLES DE CONTROL

VARIABLES DE SALIDAVARIABLE DE ENTRADA

PERTURBACIONES

Granulometría

alimentación

Características

de los sólidos

FIGURA 7-12: Esquema de variables asociadas a un espesador.

a.- Variables de entrada.

i.- Flujo volumétrico de pulpa de alimentación.: Las concentradoras tienen oscilaciones en la capacidad diaria de tratamiento producto de la mayor o menor dureza del mineral en proceso. La operación del espesador debe de tener en cuanta ese hecho y prever las acciones pertinentes a fin de que las variables de salida se mantengan en rangos razonablemente constantes. ii.- Fracción de sólidos de alimentación: De manera similar al caso anterior, la fracción en sólidos de alimentación se mueve en rangos que dependen de la operación de otras etapas del proceso y es una de las variables a considerar como entrada al espesamiento. Debe indicarse que en la operación de espesadores que diluyen la pulpa en la entrada esta variable puede ser mantenida en niveles razonablemente constantes. b.- Variables de control. i.- Flujo volumétrico de descarga: El flujo volumétrico se puede controlar mediante bombas de velocidad variable, o cuando la descarga es por gravedad, mediante cambios en la abertura de la descarga por sustitución de anillos de goma de diversos diámetros, o mediante el control de la válvula de descarga, que pueden ser accionadas por un controlador automático o por acciones manuales del operador.

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ii.- Características y flujo de floculante: Como se ha indicado en párrafos precedentes, las características del floculante y su dosificación tienen efectos importantes sobre la velocidad de sedimentación de la pulpa y permiten, por ese hecho, actuar a fin de mantener los niveles de las variables de salida en los valores prefijados. Es necesario señalar que esta variable dependerá de varias otras, entre las que se mencionan: método de preparación del reactivo; método de dilución; sistema de impulsión; puntos de adición; dispositivos utilizados en la dosificación. Algunas de estas variables pueden ser determinantes sobre la efectividad del reactivo utilizado. c- Variables de salida i.- Altura de agua clara: Es una de las variables de mayor relevancia puesto que una de las funciones más importante del espesamiento es la recuperación de agua y de soluciones. Esta variable se vincula directamente con la dosificación de floculante. En general, si no existen problemas de aglomeración o de estabilidad de los flóculos, una mayor dosificación de reactivo origina una mayor altura de agua clara. En forma alternativa esta variable puede describirse por la altura de la pulpa, la cual puede medirse en forma independiente. ii.- Fracción en sólidos de la descarga: Esta variable se relaciona directamente con el flujo volumétrico de la descarga. Al variar este flujo se modifica el tiempo de residencia de las partículas en el equipo permitiendo de ese modo obtener pulpas de concentraciones adecuadas. Si el flujo de descarga aumenta, la pulpa, al tener mayor tiempo de residencia, aumenta su concentración en sólidos, en el caso contrario disminuye.

Las acciones realizadas sobre el flujo volumétrico de descarga pueden llevar al sistema a situaciones límites en las que se corra el riesgo de embancamiento o que se produzcan daños estrructurales graves en el equipo. Para prevenir esta situación se dispone de mecanismos que miden el Torque, lo cual da una indicación de la cantidad de material retenido en el espesador, en algunos equipos el sistema responde frente a ese valor elevando o bajando las rastras, modificando con ello la evacuación de la pulpa por la descarga. En otros sistemas esta variable se relaciona directamente con el flujo volumétrico de descarga.

Finalmente, debe señalarse que los espesadores cuentan con sistemas de válvulas auxiliares que permiten, en caso de alerta, evacuar más rápidamente el espesador disminuyendo los riesgos de embancamiento o daños. c.- Perturbaciones.

Como perturbaciones del sistema se tienen la granulometría de alimentación, las características de los sólidos a separar, las características fisicoquímicas del medio acuoso, etc.

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La granulometría de alimentación depende de las características del sólido y de la operación en etapas precedentes. En efecto, el mineral ha tenido sucesivas etapas de molienda y de acuerdo a su dureza la cantidad de finos presente puede ser variable y difícil de prever. Estos finos tendrán efectos sobre la altura de agua clara.

Las características de los sólidos es otra de las perturbaciones importantes, no todo los materiales responden adecuadamente a la floculación, por ejemplo, algunos tipos de arcillas son difíciles de flocular o los fóculos que se forman tienen baja estabilidad. Esto lleva a que la solución clara presente un alto grado de turbidez y que se requieran dosificaciones elevadas de floculante.

Las características fisicoquímicas de la pulpa pueden tener un efecto determinante sobre la altura de agua clara. Es necesario tener en cuenta que la pulpa contiene cantidades residuales de reactivos orgánicos de diferente naturaleza (espumantes, colectores, ayuda-molienda, etc.). Estos son compuestos tensoactivos que se adsorben sobre las partículas y pueden tener en algunos casos efectos contrapuestos a los que se espera lograr con la adición de floculantes. Asimismo, la presencia de iones inorgánicos y el pH de la pulpa pueden dañar la estructura de los polímeros disminuyendo su efecto. d.- Aspectos generales de operación.

La operación de un espesador tiene varias particularidades que dependen del tipo de objetivos, procesos, materiales, etc. No obstante, pueden darse algunas recomendaciones generales que sistematizan la experiencia en la técnica. Además de la ya indicadas, en la Tabla siguiente (Ford), se presenta algunas instrucciones generales para la operación.

TABLA 7-3

INSTRUCCIONES GENERALES DE OPERACION

COMPORTAMIENTO DE VARIABLES ACCIONES POSIBLES

Altura de pulpa

Torque Densidad de la pulpa de Descarga

Velocidad de flujo de Descarga

Flujo de Floculante

Constante Constante Constante Constante Mantener

Aumenta Constante Constante Aumentar Mantener

Aumenta Aumenta Constante Aumentar Mantener

Aumenta Constante Disminuye Disminuir Aumentar

Disminuye Constante Constante Disminuir Mantener

De mantenerse situación anterior Disminuir Disminuir

Disminuye Constante Disminuye Disminuir Disminuir

Disminuye Disminuye Disminuye Disminuir Mantener

De mantenerse situación anterior Disminuir Aumentar

Constante Disminuye Disminuye Disminuir Mantener

De mantenerse situación anterior Disminuir Aumentar

Constante Constante Disminuye Disminuir Mantener

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Constante Aumenta Aumenta Aumentar Disminuir

Constante Constante Aumenta Aumentar Mantener

Constante Aumenta Disminuye Disminuir Aumentar

Aumenta Disminuye Disminuye Disminuir Aumentar

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7.2.5.- MODELO DE ESPESAMIENTO. El modelo utilizado para describir la sedimentación discontinua fue propuesto por

Kynch en el año 1952. Este modelo describe el proceso como un fenómeno de propagación de ondas que se basa en las siguientes suposiciones: a.- La suspensión es originalmente homogénea, es decir, en el momento inicial cualquier

punto de ella tiene igual concentración. b.- El movimiento de las partícula es unidireccional, hacia el fondo del recipiente, y la única

fuerza que actúa es la gravedad. c.- La velocidad de sedimentación es una función de la concentración local

exclusivamente y tiende a cero cuando la concentración llega a un valor límite. d.- El efecto de pared sobre la velocidad es despreciable. e.- La suspensión puede considerarse como un medio continuo multicomponente los

cuales son incompresibles. f.- El material sedimentado es incompresible. g.- Durante la sedimentación no existen reacciones fisicoquímicas entre las partículas del

sólido y el fluido.

En base a estas consideraciones Kynch realizó un balance de masa en el sistema y

considerando que la velocidad v= v() obtuvo la ecuación:

t z 0 (7-1)

donde es la fracción volumétrica de sólidos, Z es la coordenada vertical, t el tiempo y

() es la velocidad de propagación de ondas de concentración constante desde el fondo de la columna. Esta ecuación ecuación, denominada "Ecuación de Kynch", se resuelve con las condiciones iniciales y de contorno:

(Z,0) = 0

(0,t) = 00 utilizando la teoría de características. Un desarrollo completo de la solución de esta ecuación puede encontrarse en los trabajos del Profesor de la Universidad de Concepción, Dr Fernando Concha A. Para los objetivos del curso, más que las deducciones que puedan realizarse a partir de la resolución de esta ecuación importan las herramientas de diseño que se derivan de ella, las que se comentarán en puntos siguientes. No obstante, debe indicarse que la Teoría de Kynch no es aplicable a pulpas floculadas, lo cual la limita para aplicaciones industriales.

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7.2.6.- DISEÑO DE ESPESADORES. En la literatura se han reportado varios métodos que permiten el diseño de

espesadores a partir de pruebas discontinuas realizadas en probetas graduadas. El diseño busca determinar el área requerida para el espesaje y la altura de los equipos. En ese marco, los métodos se orientan fundamentalmente a determinar el área unitaria, expresada por el área del espesador dividida por el flujo másico seco de alimentación.

Los métodos de diseño que se presentan, más que herramientas para la especificación de equipos, resultan de extraordinaria utilidad en la evaluación y simulación de espesadores. En efecto, los frecuentes cambios en el mineral de alimentación producen variaciones en el tonelaje en proceso y en la composición química, mineralógica, granulométrica, etc, de los sólidos en tratamiento. Por ello es conveniente tener una evaluación previa del sistema a fin de poder actuar en forma acertada una vez que esos cambios ocurran. Asimismo, la evaluación de reactivos floculantes puede hacerse convenientemente en este marco.

No obstante, es necesario indicar que la mayor parte de estos métodos no son del todo aplicable a pulpas floculadas y que, además, para su aplicación es necesario tener en cuenta algunas limitaciones que son propias de los métodos propuestos. a.- Análisis de Mischler.

El primer método de diseño utilizado fue propuesto por Mishler (1912), este consiste en un balance macroscópico en el equipo tal como se muestra en la figura (7-1).

A, DA

D, DD

R

FIGURA 7-13: Análisis de Mischler para el diseño de un espesador

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Realizando un balance se obtiene: BALANCE DE SOLIDOS : A = D (7-2) BALANCE DE AGUA : A DA = D DD + R (7-3) con las ecuaciones anteriores se calcula el flujo de volumétrico de agua mediante la siguiente expresión:

QA D D

RA D

f

( )

(7-4)

donde f es la densidad del fluido.

De acuerdo a Mishler el fluido sale del espesador con una velocidad menor o igual a la velocidad con la cual el sólido sedimenta:

vQ

Svf

Rs (7-5)

donde S es el área del espesador.

Reemplazando en la ecuación anterior el valor obtenido para el flujo volumétrico del fluido, relación (7-4), y despejando S se obtiene finalmente:

SA D D

vA D

s f

( )

(7-6)

expresando esto como área unitaria A.U.= S/A se tiene:

A UD D

vA D

s f. .

( )

(7-7)

b.- Método de Coe y Clevenger.

El análisis de Coe y Clevenger (1912) es similar al de Mishler, estableciéndose un balance macroscópico de materia, sin embargo, en este caso se considera que la suspensión en un espesador pasa por diversas concentraciones antes de salir por la descarga y que existe una concentración que es la limitante y que determina el área del espesador. El análisis macroscópico se realiza sobre el volumen de control que muestra la figura (7-) y al establecer sus ecuaciones se obtiene un resultado que es análogo al de Mischler:

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A

D

R

LRL

V

FIGURA 7-13: Análisis de Coe y Clevenger para el diseño de un espesador

Realizando un balance se tiene: BALANCE DE SOLIDOS : L= A = D (7-8) BALANCE DE AGUA : L DL = D DD + RL (7-9) con las ecuaciones anteriores se obtiene para el flujo de volumétrico de agua la siguiente expresión:

QA D D

LL D

f

( )

(7-10)

asumiendo que el fluido sale del espesador con una velocidad menor o igual a la velocidad del sólido que sedimenta, se tiene:

vQ

Svf

Ls (7-11)

Reemplazando en la ecuación anterior el valor obtenido para el flujo volumétrico del

fluido y despejando S se obtiene finalmente para el valor del área del espesador la expresión:

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SA D D

vL D

s f

( )

(7-12)

expresándola como área unitaria A.U.= S/A se tiene:

A UD D

v

L D

s f

. .( )

(7-13)

La expresión de Coe y Clevenger se transforma en la expresión de Mishler cuando

se considera que el volumen de control es todo el espesador.

La ecuación de Coe y Clevenger suele expresarse en función de las fracciones volumétricas de sólidos lo que queda de la siguiente forma:

A Ux

vs f L D. .

.

11574 10 1 13

(7-14)

donde L y D son las fracciones volumétricas del volumen de control y de la descarga respectivamente.

En la expresión anterior, se obtiene A.U en unidades de m2/T.P.D., cuando vS

tiene unidades de cm/s y s unidades de Ton/ m3.

El método de diseño establecido por Coe y Clevenger consiste en realizar un conjunto de experiencias de laboratorio, de sedimentación discontinua en una probeta

graduada, con suspensiones de fracciones volumétricas comprendidas entre 0 y D. Con los datos obtenidos se determina el área unitaria y se selecciona el mayor valor calculado. La razón de seleccionar la mayor área se debe a que se asume a esa concentración como la limitante del proceso. Las etapas a seguir son las siguientes:

i.- Se realizan pruebas de sedimentación a diferentes concentraciones iniciales (L), normalmente seis, comprendidas estas entre la concentración de alimentación y la de descarga del espesador, y se confecciona la respectiva curva de sedimentación. ii.- Se calcula la velocidad de sedimentación que corresponde a la sección recta de las

curvas anteriores, esto permite disponer de un conjunto de datos L y vS (L) . iii.- Con los datos anteriores y definida la concentración de la descarga se calcula el área unitaria mediante la siguiente relación (4-13) y se selecciona el mayor valor obtenido. c.- Método de Kynch.

El método de Kynch (1952) se desprende de su teoría comentada en puntos precedentes. El método se basa en mediciones que pueden obtenerse desde un único ensayo de sedimentación discontinua.

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De acuerdo a la teoría de Kynch la velocidad de sedimentación de una partícula en

algún punto de la suspensión es función exclusiva de la concentración local de sólidos en los alrededores de la partícula, no siendo afectada por la concentración en las capas adyacentes a ella. Además, la velocidad de sedimentación será igual a la velocidad de la interfase agua clara pulpa.

Para determinar la velocidad de la interfase se traza sobre la curva de sedimentación una tangente sobre un punto cualquiera (tk , zk) y tal que corte a los ejes altura de interfase y tiempo, la velocidad de la interfase en dicho punto estará dada por:

vdZ

dts ki (7-15)

la pendiente puede calcularse indistintamente desde una curva de sedimentación por las relaciones :

dZ

dt

Z

Ti (7-16)

dZ

dt

Z z

ti k

k

(7-17)

Z

zk

Ttk

(zk, tk )

k)

Tiempo (min.)

Altura

interfase

(cm)

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FIGURA 7-14 : Análisis de Kynch para el diseño de un espesador por lo tanto, a partir de la curva obtenida de un ensayo de sedimentación puede determinarse un conjunto de valores de velocidad de sedimentación para distintas concentraciones de sólido. Con estos valores se determina el área unitaria y en forma análoga al caso anterior se elige el mayor valor calculado. El método de Kynch puede sistematizarse en los siguientes puntos: i.- Se efectúa una prueba de sedimentación discontinua utilizando pulpa bajo condiciones reales de operación. ii.- Se confecciona la curva de sedimentación y se trazan pendientes en diferentes puntos a fin de calcular la velocidad de sedimentación mediante la relación (7-17). iii.- Se establece un balance de masa para calcular la concentración de la pulpa para cada tiempo en el cual se calculó la velocidad de sedimentación. El balance entrega el siguiente resultado:

k

z

Z 0 0 (7-

18) donde : f0 = Fracción volumétrica inicial de sólidos en suspensión. Z0 = Altura inicial de la suspensión (cm) Z = Altura que ocuparía la suspensión si todos los sólidos presentes estuvieran a una

concentración k . Este valor se mide de curva de sedimentación.

k = Fracción volumétrica de sólidos para un tiempo tk.

iv.- Se define la concentración a evacuar por la descarga, D , y con los valores obtenidos en los puntos precedentes se calcula el área unitaria, en (m2/TPD), mediante la relación:

A U

vs k s k D

. ..

006944 1 1

(7-19)

donde los términos tienen el significado señalado anteriormente. De estos valores calculados se selecciona el mayor valor de área unitaria.

El procedimiento anterior tiene el inconveniente de requerir un arduo trabajo con el gráfico de sedimentación. Este limitación se ha solucionado mediante rutinas computacionales de fácil construcción. d.- Método de Talmage-Fitch.

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Este método es una derivación del método anterior. Se basa en el postulado que cualquier capa de concentración que limita la capacidad del espesador debe verse reflejada en la curva de sedimentación discontinua, de allí se define un punto de máxima compresión y en base a una construcción geométrica simple se determina directamente el área unitaria.

La metodología puede sistematizarse en los siguientes puntos.: i.- Se define la concentración de sólidos en la descarga del espesador y se calcula la altura de pulpa a la cual se logra esa concentración. Para ello se utiliza la relación:

zz

uu

0 0 (7-20)

donde u es la fracción volumétrica de sólidos deseada en la descarga y Zu la altura de la pulpa a la cual esta se logra. Los otros términos tienen el significado anterior. ii.- Para determinar el tiempo de compresión se realiza una construcción gráfica, denominada Gráfico de Roberts, que consiste en graficar el logaritmo de (Z - Z00) versus el tiempo en escala lineal. Z00 es la altura de pulpa para tiempo infinito y se determina dejando la pulpa en reposo por 1 o 2 días. La forma del gráfico, que se muestra en la figura, esta tiene dos puntos de inflexión siendo el segundo de ellos el correspondiente al punto de máxima compresión.

Tiempo (min.)

lg(Z- Z00)

lg(Zc- Z00)

tc

FIGURA 7-15: Método de Roberts para determinar el punto de compresión.

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iii.- Una vez ubicado el tiempo tc , se dibuja una paralela al eje del tiempo para la concentarción deseada en la descarga, Z = Zu y se traza una pendiente por el punto de máxima compresión. Una vez hecho lo anterior se lee el tiempo tu de la intercección entre la tangente y la línea de descarga (Z = Zu). Lo anterior se muestra en la figura siguiente. iv.- El flujo máximo de sólidos por unidad de área, (TPD/m2), se calcula por la relación:

Gz

tts

u

0 0 (7-21)

v.- En el caso que la línea de descarga intercepte la curva de sedimentación por sobre el punto de compresión, se lee directamente tu en dicha intersección y se calcula el valor de Gt mediante la relación del punto anterior, (7-21).

Tiempo (min.)

Altura

interfase

(cm)

Zc

Zu

tctu

Punto de compresión

FIGURA 7-16: Método gráfico de Talmage-Fitch.

vi.- El área unitaria se calcula por el recíproco del flujo máximo de sólidos y queda dada por:

A UG

t

zt

u

s

. . 1

0 0 (7-22)

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este valor se expresa en (m2/TPD) e.- Método de Yoshioka

El método de Yoshioka está basado sobre la observación de los comportamientos de la sedimentación a través de la curva de flujo. Ha resultado ser una alternativa sencilla, y a la vez confiable, para la determinación del área de espesadores continuos. En síntesis, este método no es más que una forma de aplicación gráfica de la teoría de zona de Coe-Clevenger sobre la curva de flujo de Kynch. Determinación del Area de un espesador por el método de Yoshioka: Determinar, según el procedimiento de pruebas múltiples de Coe-Clevenger, la velocidad de sedimentación inicial "v" como una función de la concentración "C" para un número de concentraciones entre aquellas de la alimentación y la descarga. Con estos datos se construye la gráfica de flujo S = v * C versus C.

Luego de graficar el valor de la concentración CU deseada en la descarga sobre el eje de las C, se traza a partir de este punto una línea de operación, tangente a la curva de flujo y que corte al eje S en un valor Gqmin. Dicho flujo Gqmin determinado de esa manera, representa el máximo flujo de sólidos que pasará a través del espesador hacia una descarga de concentración CU. Su valor recíproco nos entrega el área unitaria, es decir:

A UG qmin

. . 1

(7-

23) Esta forma gráfica de especificar el flujo de sólidos Gqmin limitante y, por su

intermedio, el Area Unitaria para un espesador de operación en estado estable, es la que se conoce como la construcción estándar de Yoshioka.

El método de Yoshioka es equivalente al de Coe-Clevenger, y las variaciones que aparecen en los resultados de áreas unitarias por aplicación de ambos métodos sobre el mismo material, son atribuidos a una inadecuada interpolación entre los puntos gráficos. 7.3.- CLARIFICACION

La operación de clarificación, de amplio uso en la industria química y plantas de tratamiento de aguas, tiene una aplicación relativamente reciente en el campo de procesamiento de minerales de cobre. Es por lo tanto, una tecnología que se encuentra recién en estado de aprendizaje, y se dispone de escasa información del comportamiento de los equipos bajo distintas condiciones de operación. En el procesamiento de minerales esta operación se utiliza para acondicionar las soluciones que servirán como alimentación a una planta de extracción por solventes. Dependiendo de la tecnología utilizada en la lixiviación, las soluciones de salida pueden contener diversas concentraciones de sólidos en suspensión, que pueden llegar

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incluso a ser del orden de 400 ppm o más. Estos sólidos, una vez en contacto con la fase orgánica, formarán “borras”, las que se situarán en la interfase, fase orgánica/fase acuosa, dificultando la transferencia de masa entre las fases. De allí que resulte importante removerlos mediante un proceso de clarificación. a.- Equipos de clarificación. i.- Clarificador cilíndrico.

Los clarificadores se utilizan en general para tratar suspensiones muy diluidas, en su estructura física son prácticamente idénticos a los equipos utilizados en espesamiento. Son estanques cilíndricos que disponen de un sistema de rastras accionadas mecánicamente, la suspensión se alimenta por la parte superior a una caja, feed well, y se descarga la solución clara por un rebalse.

No obstante pueden identificarse algunas diferencias, determinadas por las

características de la que se descarga. Ella está constituida por partículas finas, en general menores a diez micras, y tiene, además, tiene una baja concentración en sólidos. Esto hechos permiten utilizar una cabeza con un impulso de menor capacidad de torque, que la utilizada en los espesadores de pulpa, como asimismo pueden utilizarse materiales de construcción más livianos.

En el mercado están disponibles clarificadores circulares que con diámetros que van desde 3 hasta 130 metros. Los materiales de construcción del estanque pueden ser diversos: acero, plásticos, hormigón, dependiendo de las capacidades requeridas y del tipo de material a tratar. Respecto del movimiento de las rastras, al igual que en los espesadores, se pueden identificar tres tipos de mecanismos básicos, ellos son: de tipo puente, el de columna central y el de tracción periférica.

Los clarificadores apoyados cuyo mecanismo está apoyado en un puente son

recomendables hasta diámetros del orden de 30 metros, los con mecanismo apoyado en una columna central del orden de 30 metros o más y los de tracción periférica para clarificadores de más de sesenta metros. El principio de operación de un clarificador es similar a lo observado en espesadores, pero pueden advertirse algunas diferencias importantes. En la figura (7-19) se muestra un esquema de este tipo de equipos.

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FIGURA 7-19: Esquema de un clarificador En la región de clarificación se produce la sedimentación de los sólidos que da origen a la solución clara que se evacúa del sistema. En la región de descarga los sólidos son transportados hacia el fondo por la acción de las rastras y por la propia sedimentación de las partículas. Como se indicó en capítulos precedentes, las partículas de pequeño tamaño tienen una baja velocidad de sedimentación, ésta se encuentra determinada principalmente por efectos viscosos, y para el cálculo de la velocidad terminal de sedimentación es del todo aplicable la ecuación de Stoke. De allí que el clarificador deba proporcionar tiempos de retención relativamente grandes o, en su defecto, ayudar al proceso mediante la acción de floculantes o coagulante. En los clarificadores es frecuente encontrar dispositivos que permiten adicionar reactivos químicos y recircular pulpa de descarga. A modo de ejemplo, en la figura

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presentada para describir un clarificador, se muestra un equipo accionado por dos motores: el primero de baja velocidad que mueve las rastras; y el segundo que corresponde a una turbina de bajo esfuerzo cortante y alta velocidad de bombeo, ubicada en la parte superior del pozo central de alimentación. La acción de esta turbina, que gira a una velocidad mucho mayor, permite succionar una cierta cantidad de suspensión de descarga la que se mezcla en el cajón de alimentación con la dispersión a clarificar y con los reactivos químicos que se adicionan.

Por la acción de la turbina se produce un mezclado total de los reactivos floculantes, de la suspensión de alimentación y de la fracción de suspensión de descarga recirculada. La mezcla anterior, sale de cajón de alimentación y entra en la región de clarificación, donde sedimentarán las partículas floculadas. Estas, una vez sedimentadas, serán arrastradas hacia el centro por la acción rastras, hacia la descarga, pero parte de ellas serán nuevamente recirculadas por la acción de la turbina.

Cuando los flóculos son demasiado pesados para ascender por la sola acción de

la turbina, por ejemplo en pulpas metalúrgicas, se pueden utilizar otros mecanismos pero tales que permitan la recirculación de parte del flujo espesado de descarga. Estas unidades emplean un impulsor especial de mezcla, en un pozo grande de alimentación, con una salida central de diámetro reducido. Puede parecer un sin sentido que se mezcle la suspensión a clarificar con parte de la suspensión concentrada de descarga, pero ello tiene su explicación en el mejor resultado del floculante. En efecto, existe una concentración en sólidos óptima que permite una mayor velocidad de sedimentación por la mejor estabilidad de los flóculos, Figura 7-6).

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ii.- Clarificadores de placa inclinada. De manera análoga al caso anterior, los clarificadores de placa inclinada son prácticamente idénticos a sus homólogos utilizados en espesamiento, tipo Lamella. Estos están conformados por placas inclinadas, con ángulos respecto de la horizontal que van de 45º a 60º, y el flujo de alimentación se distribuye por todas las placas. A consecuencia de ello la distancia que las partículas deben sedimentar, para llegar hasta el fondo de la película, desde donde fluyen hacia la zona de colección, por otra parte, la solución clara fluye en sentido hasta la zona de colección del rebalse.

Tienen ventajas idénticas a la informada para los espesadores de este tipo, en particular menor área de piso, pero también comparten la desventaja de mayor tiempo de mantención y riesgo por inscrustaciones de material sobre los canales de las láminas.

7.4.- FILTRACION

Básicamente, la filtración es la operación de separación sólido-líquido mediante la cual se logra separar a los componentes a través de un medio poroso, el sólido queda atrapado en dicho medio mientras que gran parte del líquido lo atraviesa.

El medio poroso, o medio filtrante, es quien permite que pase el líquido dejando

a las partículas sólidas retenidas. Este medio puede ser una tela, fabricada con fibras naturales, sintéticas o metálicas; un medio poroso reconstituido, por ejemplo material cerámico o un lecho de partículas sólidas de mayor tamaño. En todos los casos la abertura o el diámetro de los poros es menor al tamaño promedio de las partículas a separar, existen, por lo tanto, partículas que podrían atravesar el medio, sin embargo, una vez iniciada la filtración, los sólidos filtrados generan un medio poroso adicional, denominado “queque”, el que se suma al efecto del medio físico del filtro. El queque tiene una porosidad baja que le permite atrapar a las partículas más finas.

Para que el líquido atraviese el medio filtrante es necesario una diferencia de

presión entre la superficie del medio poroso donde quedan retenidas las partículas y la cara opuesta. Esta diferencia de presión puede provenir de la carga hidrostática, filtros de gravedad, o por la acción de algún mecanismo rotativo. En este último caso se distinguen los filtros de Presión y los filtros de Vacío. En los dos casos se debe generar entre las caras del medio filtrante, en la que se formó el queque y la opuesta, una

diferencia de presión, P, positiva. En los filtros de vacío se logra disminuyendo la presión de la cara interna, P1, mientras que en los de presión se logra aumentando la presión en la cara del queque, P2.

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Medio filtrante

Queque formado

P2P1

P

Diferencia de presión

P > 0

P2 > P1

FIGURA 7-20: Esquema de la filtración con formación de un queque La decisión de utilizar alguno de estos diseños depende del tipo de material que

se encuentra en proceso y de los objetivos que tiene la filtración. En una comparación pueden advertirse varias diferencias importantes, entre ellas se tienen:

FILTROS DE VACIO FILTROS DE PRESION

Humedad de queque entre 10 y 15 % Humedad de queque entre 7 y 10 %

Bajos costos relativos de operación Altos costos relativos de operación

Significan menores inversiones Significan inversiones mayores.

De la comparación podría inferirse que los filtros de vacío tienen mayores ventajas, sin embargo, es conveniente indicar que cuando se requieren de sólidos secos, por ejemplo en una fundición, el uso de filtros de presión disminuye los costos de secado, por lo cual, aún siendo el filtrado de mayor costo, la economía global del sistema puede ser mayor.

En el fondo la filtración puede interpretarse como un harneado húmedo de partículas, donde la porosidad del medio filtrante, por ejemplo abertura dejada por la trama del tejido o el tamaño de huecos en un material cerámico, determinará el tamaño de los sólidos que inicialmente quedarán atrapados en dicho medio, como asimismo, una vez constituido el queque, la magnitud de la diferencia de presiones que es

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necesario disponer para que el líquido atraviese por dichas aberturas estará determinada por la porosidad que presente el queque

. Otro aspecto de interés surge del objetivo que se ha tomado en cuenta para realizar la filtración. Este puede ser la obtención de sólidos secos o con una humedad pequeña, o bien la obtención de una solución exenta o con muy pocos sólidos en suspensión. Esta diferencia se distinguirá como filtración de pulpa, cuando el objetivo esté radicado en el sólido, o como filtración de soluciones, cuando el objetivo este radicado en el líquido.

Estos dos procesos utilizan tecnologías diferentes, en el primer caso, filtración de pulpas, se utilizan tecnologías que actúan a través de la formación de un queque, es decir las partículas al ser retenidas se sitúan unas sobre otras formando un aglomerado. En el segundo caso, filtración de soluciones o filtración clarificadora, las partículas quedarán atrapadas dentro de los poros ubicados en el cuerpo del medio filtrante.

Además, la operación de filtración puede ser continua o discontinua respecto de

los sólidos. Por ejemplo, en el caso de la filtración de pulpas la operación suele ser continua mientras que en la filtración de soluciones la operación normalmente es discontinua.

7.4.1.- Filtración de pulpas

Desafortunadamente, para la filtración industrial de pulpas no existe una base teórica lo suficientemente desarrollada que permita el diseño y optimización de esta tecnología. Sin embargo, en la explicación cualitativa puede utilizarse la ecuación de Poiscuille modificada, que expresa la velocidad diferencial o instantánea de filtración por unidad de área, y la describe como la relación de una fuerza impulsora, la caída de presión, dividida por la viscosidad que multiplica a la suma de las resistencias debida al queque formado y al medio filtrante propiamente tal. Esta ecuación tiene la siguiente expresión matemática:

1

A

dV

d t

P

W A r

/ (7-

24) donde A es el área de filtración, P la caída de presión entre la cara donde se formó el

queque y la cara opuesta; la viscosidad del fluido, W la masa depositada en el

queque seco; V el volumen de filtrado, r la resistencia del medio filtrante y la resistencia específica del queque formado. Si a consecuencia de la mayor presión no se producen deformaciones en el medio filtrante la ecuación anterior se reduce a la siguiente:

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d V

d t

AP

W A

/ (7-

25)

Esta ecuación, si bien no permite cálculos cuantitativos, resulta importante para hacer un análisis cualitativo del sistema. En esa idea pueden hacerse las siguientes consideraciones: a.- La ecuación anterior indica que la velocidad de filtración es inversamente proporcional a la cantidad de masa que conforma el queque, por lo cual, a medida que transcurra la filtración dicha velocidad disminuirá. Asimismo, la velocidad de filtración es directamente proporcional al área de filtración. b.- La velocidad de filtración es inversamente proporcional a la viscosidad, para pulpas más viscosas el proceso es más lento.. Asimismo, dado que la viscosidad disminuye con la temperatura, al aumentar esta variable se registrarán mayores velocidades de filtración. c.- El tamaño de las partículas a separar tiene un efecto significativo. Los tamaños pequeños aumentan la resistencia que presenta el queque, por lo cual es de esperar menores velocidades de filtración y queques con un mayor contenido de humedad. Por otra parte, los tamaños mayores disminuyen su compresibilidad, trayendo consigo un aumento de las partículas finas que atraviesan el medio poroso. d.- El tipo de medio filtrante tiene también efectos sobre la velocidad de filtración. La trama del tejido tiene que ser abierta, de tal forma que no produzca atascamiento, pero, por otra parte, debiera de ser tan cerrada, como sea posible, para evitar que la atraviese una cantidad grande de partículas finas en los momentos iniciales de la filtración. Posteriormente tiene más relevancia la porosidad del queque formado. e.- Otro aspecto de interés tiene relación con la concentración de la pulpa de descarga, si se integra la ecuación de Poiscuille bajo condiciones de presión constante se puede advertir que el tiempo que se demora para depositar una determinada masa de sólidos es inversamente proporcional a la relación de masa de sólidos a volumen de filtrado. En otras palabras, la velocidad de filtración, considerada ahora como: sólidos filtrados por unidad de tiempo será mayor para pulpas más concentradas. Desde el punto de vista tecnológico esto explica el por qué las operaciones de filtrado están precedidas por operaciones de espesamiento. 7.4.3.- Filtros de vacío. En este tipo de filtros se aplica una succión que permite que el líquido atraviese la tela. En la industria minera se utilizan para filtrar concentrados y colas y entre los

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diseños más utilizados se encuentran los de discos, de tambor y de banda y recientemente se han incorporado los filtros cerámicos.. a.- Filtro de discos.

Este tipo de filtro consiste en varios discos verticales unidos mediante un eje central hueco y horizontal. El eje gira en forma continua de tal manera que se establece un ciclo en las distintas partes de la superficie del disco, Cada disco tiene varias secciones, 10 a 30, con nervios a ambos lados que permiten sellar la tela filtrante. Los discos están parcialmente inmersos en una artesa que contiene la pulpa a filtrar, aproximadamente un 40 % del disco se encuentra inmerso.

A medida que giran los discos, y una vez que se ponen en contacto la superficie del medio filtrante con la pulpa, se le aplica vació a las secciones que se encuentran en esa situación. A consecuencia de ello se forma el queque, una vez que las secciones de los discos salen de la artesa se continua con la aplicación de vacío a fin de que el aire desplace al agua ocluida. Al llegar al punto de la descarga se invierte la diferencia de presión y mediante un soplado se desprende el queque que se ha formado.

Esta tecnología es bastante antigua pero aún permanece en la técnica,

fundamentalmente por la gran área de filtrado que se logra. En la Figura 7-21 se muestra un modelo de estos filtros.

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FIGURA 7-21: Filtro de discos rotatorio.

b.- Filtros de Tambor Como su nombre lo indica, este es un tambor que está revestido en la porción

cilíndrica por una tela filtrante y que gira sobre un eje horizontal. El tambor está parcialmente sumergido en una artesa que contiene la pulpa, la cual debe ser agitada para evitar su decantación.

La superficie cilíndrica del tambor está dividida en compartimentos interiores, cada uno de los cuales tiene varias líneas de desagüe que pasan por la parte interna del tambor y terminan en un extremo como un anillo de salidas, cubierto por una válvula rotatoria a la que se aplica el vacío.

El tambor gira a velocidades relativamente bajas, de 0.1 a 0.3 RPM, y a medida

que gira lleva a cabo las distintas operaciones. El filtrado, en la porción que está dentro de la artesa, el secado, en la porción que está fuera de la artesa y a la cual penetra aire que desagua el queque, y la descarga. Existen varios diseños de descarga, pero la

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forma más común es hacer un soplado inverso, en forma análoga a la del filtro de discos. En la Figura se muestra un filtro con descarga por banda.

FIGURA 7-22: Filtro de tambor.

c.- Filtro de banda,

Consiste en una cubierta sin fin, formada por una correa transportadora, correa principal, que tiene hendiduras regulares en ángulo recto y agujeros de drenaje en el centro. Sobre la correa principal se ubica una tela filtrante que es transportada por esta. Los dos componentes, correa transportadora y tela, se separan en un extremo y ambas regresan a través de los correspondientes rodillos de retorno.

Bajo la correa principal se ubican las cajas de vacío, las que están soportadas por medio de dispositivos levantadores y que se ubican bajo los agujeros de drenaje de la correa principal.

La pulpa se descarga y distribuye sobre un extremo de la correa y la filtración

comienza de inmediato, en la que actúa tanto la gravedad como la succión producida

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por las cajas de vacío. El queque que se forma es de espesor pequeño y es desaguado y secado a los largo de la correa. En el extremo de descarga el medio filtrante pasa por un rodillo que permite descargar el material filtrado. En el retorno de la banda filtrante esta se lava con rociadores de agua a fin de restituir su porosidad. En la figura se muestra uno de estos filtros.

FIGRA 7-24: Filtro de Banda.

c.- Filtros cerámicos. Estos filtros son de características similares a los filtros de discos, pero la diferencia se encuentra en las características del medio filtrante. En este caso los discos están formados por placas de un material cerámico, basado en óxido de aluminio. Este material cerámico contiene poros de pequeño tamaño donde se produce el fenómeno de capilaridad. Por este hecho las presiones de vacío que se requieren son considerablemente menores, 10 %, que las de un filtro de disco convencional. Uno de los diseños disponibles en el mercado es el Ceramex de Outokumpu, en los catálogos de esta empresa se señala que el queque formado tiene un espesor de 4 a 8 mm y que se desprende por la acción de cuchillas raspadoras del mismo material.

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Cada cinco ciclos es necesario retrolavar el filtro a fin de eliminar las partículas que pudieran haberse quedado ocluidas entre los poros y que cada cierto tiempo es necesario someter a un tratamiento más riguroso, a fin de eliminar incrustaciones y sólidos muy finos..

FIGURA 7-25: Filtro Cerámico. 7.4.4.- Filtros de presión.

Corresponden a diseños relativamente recientes en los cuales existe un compartimento bajo presión en el cual se inserta el mecanismo filtrante. Los más utilizados en la industria minera son los filtros de prensa Y filtros hiperbáricos . a.- Filtros de prensa Este filtro, que se muestra en la figura 2-4, consiste en parejas de prensas que están montadas en un bastidor. Estas prensas tienen en su interior una tela filtrante, como se indica en la figura 2-5, estas prensas se cierran y sellan mediante mecanismos hidráulicos. Una vez que están selladas se alimentan con pulpa a presión, al cabo de 1 o 2 minutos se logran presiones en el ducto de alimentación del orden de 100 psig. A

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causa de esta presión el líquido pasa a través de la tela filtrante se canaliza por las nervaduras de la cámara de placas hacia la zona inferior, desde donde se drena hacia las tuberías de evacuación. Una vez que las cámaras están llenas de sólidos filtrados se corta la alimentación y se procede a lavar el núcleo del sistemas con agua pura, esta acción tiene como propósito dejar libre de sólidos al núcleo a fin de que se encuentre en buenas condiciones para la operación siguiente. Después del lavado se procede a inyectar aire a las cámaras, este tiene como propósito arrastrar el agua que haya quedado retenida y lograr una humedad del orden del 10 %. Después del secado con aire las placas se separan y el queque de pulpa, contenido entre ellas, cae a una correa transportadora que los saca del sistema.

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FIGURA 7-26: Filtro de prensa.

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b.- Filtro Hiperbárico.

Básicamente el filtro hiperbárico es un filtro convencional de discos que se instala en una cámara de presión, cámara hiperbárica, que es alimentada por un compresor de aire hasta una presión del orden de 6 bar. También pueden utilizarse otros filtros, por ejemplo tambor, pero se prefiere el de discos por su mayor superficie de filtrado.

FIGURA 7-27: Filtro Hiperbárico.

La conducción de la pulpa a filtrar se lleva al equipo en forma continua hacia la artesa del filtro, el flujo es tal que permita mantener un nivel aproximadamente constante..

Los discos están forrados en una tela filtrante y provistos de 20 celdas de filtrado. Operan en forma similar a los filtros de disco convencionales, la zona de

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formación del queque es de 25º, la de soplado de 120º y la de descarga de 18º. El filtro es de velocidad variable lo que permite controlar la humedad del queque.

La descarga se lleva a cabo mediante soplado de un compresor a alta

presión que quiebra el queque y lo desprende. Este cae sobre una correa de descarga que lo lleva a la esclusa, provista de dos puertas que operan alternadamente, desde donde sale del sistema. 7.4.5.- FILTRADO DE SOLUCIONES. En la industria minera se utilizan algunos filtros que tienen como objetivo el producir soluciones exentas o con un muy bajo contenido de sólidos en suspensión. En estos filtros, en términos generales, se fuerza el paso de la solución por un medio poroso, de tal forma que las partículas sólidas queden atrapadas en el interior y se obtenga, a consecuencia de ello, una solución clara. Estos filtro están conformados por un lecho de arena de cuarzo, de granulometría uniforme. La solución percola, en sentido descendente, quedando los sólidos en suspensión atrapados en los intersticios del medio filtrante. De acuerdo a las características del la solución que se desea filtrar el medio puede estar constituido de cantidades variables de antracita.

La antracita es un material hidrófobo que permite atrapar a líquidos de baja energía superficial. Por ejemplo, en la extracción por solventes se suele tratar la solución acuosa de entrada mediante estos filtros, ello permiten atrapar a los sólidos en suspensión pero también colectan orgánico arrastrado por efectos mecánicos.

Cada cierto tiempo estos filtros deben ser lavados, para ello se hace se percola

solución de descarte en sentido ascendente, retrolavado. Esto dilata el lecho y permite que la solución de lavado arrastre consigo a las partículas que quedaron retenidas durante la operación. La solución de lavado se descarta o bien se envía a etapas del proceso donde los sólidos en suspensión no interfieran,

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA.

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1994 . - Sankes E., Payne G.”Pratical aspects of floculant use in Hidrometallurgycal

Processing”, en “Chemical Reagents in the Mineral Processing Industry”, cap 26. - Krishnan S; Attia Y., “Polimeric Floculants”. - F. Concha , A. Barrientos, A. Quiero. “A critical review of Thickener Design

Methods”. Universidad de Concepción,