HIDROCICLONES DE FONDO PLANO

Juan Luis Bouso Eral, Equipos y Procesos S. A. Canteras y Explotaciones, Mayo 19991

HIDROCICLONES DE FONDO PLANO

ndice

1. Introduccin 2. Fundamento operativo 3. Aplicaciones 3.1 Circuitos cerrados de molienda de alta densidad 3.2 Clasificacin de estriles para relleno 3.3 Concentracin gravimtrica

Juan Luis Bouso Eral, Equipos y Procesos S. A. Canteras y Explotaciones, Mayo 1999

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1. IntroduccinA mediados de los 80 como consecuencia de la crisis petrolfera, cae el precio de los metales y los productores se ven forzados a reducir sus costos de operacin. El aumento de la capacidad de molienda de las plantas procesando minerales de alta ley resulta rentable, ya que la prdida de recuperacin al moler ms grueso se ve compensada con el aumento de capacidad, es decir en definitiva se produce ms metal, y como consecuencia baja el costo operativo. Elevando el tamao de molienda, se aumenta su capacidad con mnimas inversiones en la molienda, siendo tan slo necesario aumentar el volumen de flotacin, lo cual representaba una inversin reducida frente a las inversiones que se requeriran en la molienda. Para moler ms grueso resulta imprescindible elevar el tamao de corte en los hidrociclones, lo cual se consigue simplemente aumentando la concentracin de slidos en su alimentacin, mediante el aumento de tonelaje y la reduccin simultnea de agua, pues es de todos conocido que el corte de un hidrocicln, aumenta exponencialmente con el aumento de la concentracin de slidos. Esto tambin permite reducir el caudal de pulpa entrando a flotacin con lo cual las ampliaciones en celdas son tambin menores. Tratando adems de "rizar el rizo se aumentan los dimetros de las toberas de rebose y se baja la presin de operacin, buscando por cualquier medio elevar el tamao de corte, .... todo es vlido. En estas condiciones la eficiencia de clasificacin disminuye, pero sin apenas inversin se ha alcanzado el objetivo, aumentar el tamao de molienda y consiguientemente la capacidad. En esos momentos y con esa situacin, aparece en escena el hidrocicln de fondo plano, de diseo diferente, totalmente cilndrico y acabado en un fondo prcticamente horizontal, figura 1.

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Figura 1

2. Fundamento operativoCon el fin de ampliar el campo de trabajo de los hidrociclones hacia tamaos de corte mayores, por encima de las 150 micras, surgi, basndose en la cama de slidos que se crea en los ciclones de cono obtuso, el desarrollo de los llamados ciclones de fondo plano, mejor llamados por su inventor el Prof. Dr. Helmut Trawinski Ciclones CBC (Circulating Bed Cyclone), ciclones de lecho circulante. El lecho fluido creado en la zona inferior de los ciclones de cono ancho, no es un lecho estacionario, sino que est dotado de un movimiento de convencin alrededor del ncleo central, lo cual favorece la reclasificacin de partculas, ligeras o de pequeo tamao mal clasificadas, que en su movimiento constante son en algn momento arrastradas por el torbellino interior o principal, siendo finalmente evacuadas por el rebose superior. Este principio no puede ser aprovechado en un cicln cnico, porque un aumento de la altura del lecho provocara rpidamente la obstruccin de la boquilla de descarga, debido a la friccin de las partculas con la pared cnica (efecto silo), pero si puede ser4

desarrollado alejando la pared del orificio de descarga, para lo cual se elimina la zona cnica prolongando al mismo tiempo la zona cilndrica y cerrando el cicln con un fondo horizontal o casi, con un ngulo comprendido entre 160 - 180. El lecho fluido creado en el fono del cicln acta como un colchn, amortiguando las variaciones en la alimentacin, tanto en caudal como en concentracin de slidos. Este efecto es de sumo inters, especialmente en circuitos cerrados de molienda donde existen variaciones frecuentes de la concentracin de slidos en la alimentacin, debido a los cambios de dureza del mineral y otras variables. Una disminucin de la concentracin de alimentacin es seguida de una disminucin de la concentracin en la descarga, lo que provoca automticamente una prdida de partculas finas con el producto grueso, lo que se conoce como corto-circuito o by-pass de finos. Contrariamente a lo que podra pensarse, la tendencia a la obstruccin de la descarga, por aumentos en el tonelaje de slidos, es menor en ese tipo de ciclones que en los convencionales, resultando extrao llegar a la obstruccin total, lo que es bastante usual en circuitos de molienda, con las terribles consecuencias que esto trae para los circuitos de flotacin posteriores que reciben el producto del rebose de los ciclones. La responsabilidad de esta resistencia al bloqueo debemos buscarla en los flujos de conveccin existentes en el lecho de slidos que lo mantiene en rotacin, figura 2.

Figura 2 Este fenmeno puede ser observado cuando agitamos con una cucharilla una taza de caf conteniendo algunos slidos. La velocidad de rotacin, debido a la friccin, se5

reduce en el fondo de la taza mucho ms que en la superficie superior del lquido (al igual que sucede en un cicln fondo plano). En el caso del CBC la rotacin de la superficie superior del lecho es generada por la rotacin de la suspensin existente sobre l mismo. Se crean as mayores fuerzas centrfugas en la zona superior del lecho que en la zona inferior en contacto con el fondo y esto origina una corriente de convencin con sentido arriba-abajo a lo largo de la pared cilndrica, y con sentido abajo-arriba en la zona central. Esta ltima corriente provoca una disminucin de la carga en dicha zona central, el orificio de la boquilla, evitando el bloqueo. Las dos corrientes de convencin provocan finalmente un flujo radial de la pulpa, transportando los slidos en el fondo plano, desde la pared cilndrica hasta el orificio de descarga, haciendo innecesaria la existencia de un fondo cnico para ayudar a la extraccin. Adicionalmente estos flujos provocan un enriquecimiento de la fraccin gruesa o pesada, ya que muchas de las partculas finas o ligeras son arrastradas graciosamente por el torbellino principal al rebose. Este fenmeno puede ser utilizado tambin para enriquecimiento de minerales (clasificacin selectiva), y por ello resultan muy apropiados los ciclones CBC en circuitos de concentracin gravimtrica. El nivel o altura del lecho slido determina el tamao de separacin, ya que lgicamente provoca un cambio en la altura libre de vrtice, figura 3.

Figura 3 La superficie hipottica, dada por el dimetro de la tobera de rebose -do- y la altura de vrtice -hi-, podra asumirse como la superficie de clasificacin, y esto explicara el por6

qu el tamao de corte es inversamente proporcional a esta altura libre -hi-, tal y como refleja la ecuacin siguiente:

d 50 =

18 n g ( y s yl ))

de.do D.h

D4

H

donde: = viscosidad s , l = peso especfico de slido y lquido, respectivamente g = aceleracin de la gravedad de, do = dimetros de entrada y rebose, respectivamente D = dimetro del cicln H = prdida de presin. Variando la longitud de la parte cilndrica del cicln, mediante la adicin o sustraccin de cuerpos cilndricos, o bien, variando la altura del lecho fluido creado mediante el empleo de boquillas de diferentes dimetros, es posible modificar el tamao de corte del hidrocicln, figura 4.

Figura 4 Numerosas pruebas de laboratorio, as como valiosa informacin obtenida del gran nmero de ciclones CBC, hoy en funcionamiento, permiten establecer una relacin entre el tamao de corte alcanzado con ciclones cnicos y CBC de igual dimetro. Podra generalizarse diciendo que la relacin entre el tamao de corte (d50) obtenido en un cicln CBC (del mismo dimetro y longitud), y el obtenido en un cicln convencional de aproximadamente 20, es de 2,5. Variando el nmero de cuerpos cilndricos en el CBC pueden alcanzarse relaciones entre 1 y 2,5.7

Lo hasta ahora expuesto resulta de enorme inters si consideramos que ello permite expandir el rango del tamao de separacin de los hidrociclones, hasta ms de 500 micras. A modo de ejemplo, un hidrocicln de 200 mm de dimetro puede alcanzar corte entre 15 micras y 200 micras segn se utilice configuracin cnica o CBC, por supuesto a diferentes presiones y con diferentes toberas de alimentacin y rebose. No es tan solo sta la nica ventaja de los hidrociclones CBC frente a los cnicos, adems, tambin la selectividad o eficiencia de separacin es ms elevada. De todos es conocido que la separacin en un hidrocicln se lleva a cabo en la corriente interior ascendente, tambin llamado torbellino secundario. Resulta fcil entender que en un cicln CBC, dicha corriente est muy separada de la corriente primaria descendente o torbellino primario. La corriente primaria se introduce en el lecho fluido para formar la corriente secundaria ascendente sin apenas disturbar la formacin de sta, por lo que el flujo del rebose es ms estable y no transporta accidentalmente partculas extraas. La granulometra del producto fino o ligero resulta as ms uniforme. Adicionalmente, la tercera corriente de convencin que se crea, efecta un postdeslamado de la fraccin gruesa que forma el lecho fluido, por lo que el contenido de finos de la misma es menor que en un hidrocicln convencional, lo que hace muy interesante la aplicacin de ciclones CBC en la clasificacin de estriles de flotacin para obtencin de producto para relleno hidrulico.

3. AplicacionesSera conveniente destacar tres aplicaciones muy interesantes de estos hidrociclones de fondo plano CBC. La primera en circuitos cerrados de molienda a alta densidad, la segunda en clasificacin de estriles de flotacin para relleno de mina y la tercera en circuitos de concentracin gravimtrica. En estos casos, y por razones distintas, este tipo de cicln ha aportado valiosas soluciones a viejos problemas.

3.1 Circuitos cerrados de molienda a alta densidadComo se comentaba al comienzo, la primera va para aumentar la capacidad de los circuitos de molienda, sin aumentar los equipos de molienda (de costo elevadsimo, en

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algunos casos ms del 50 por 100 de la inversin de una planta), es aumentar el tamao del producto de la entrada a flotacin, es decir, el tamao de molienda. Esto se logra fcilmente modificando el tamao de corte en los hidrociclones, y el modo ms sencillo de hacerlo sin cambiar ni los ciclones ni las bombas instaladas es aumentar la concentracin de slidos en la alimentacin a los mismos. De este modo, efectivamente el objetivo se consigue, pero la eficiencia de clasificacin se ve reducida como consecuencia de la clasificacin obstaculizada que tiene lugar en el interior del hidrocicln (en otras palabras, la lucha a muerte de tantas partculas entre s, en el interior del cicln, para conseguir un espacio en que sobrevivir). El camino ms razonable, desde el punto de vista tcnico, sera cambiar los hidrociclones por otros de mayor dimetro, que puedan alcanzar el corte deseado (ms grueso) en condiciones ptimas. Lamentablemente, en la mayora de los casos, esto no es posible pues obligara a manejar mayores volmenes de pulpa, que iran finalmente al circuito de flotacin y el tiempo de residencia se reducira notablemente con la consiguiente prdida en la recuperacin. Por otro lado, emplear ciclones de mayores dimensiones significara en muchos casos disponer de tan slo una o dos unidades en operacin, y esto restara flexibilidad al circuito frente a variaciones de tonelaje, pues no podra variarse el nmero de ciclones en operacin. A este respecto diramos que, el mnimo nmero recomendable de unidades en operacin en circuitos con grandes variaciones debera estar entre 4 y 6. Frente a todos estos problemas el hidrocicln CBC aporta una gran solucin. Como se ha expuesto, un cicln de fondo plano puede alcanzar cortes mayores, hasta casi tres veces que otro convencional de su mismo dimetro, es decir, manteniendo sin variacin el caudal de tratamiento. Adems, su menor corto-circuito y menor tendencia al bloqueo lo convierten en una herramienta valiossima para este tipo de circuitos de molienda. Son numerosos en la actualidad los hidrociclones CBC en funcionamiento en esta aplicacin concreta. En resumen este diseo permite que un cicln por ejemplo de 500 mm realice el corte de un cicln de 650 mm o mayor, pero lo que es importante de modo natural, sin necesidad de forzar los parmetros operativos, es decir operando con una alta eficiencia.

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En varios circuitos de molienda, ciclones convencionales cnicos de 500 mm y de 650 mm han sido remplazados por hidrociclones de fondo plano de 400 mm y 500 mm, que al operar con una mayor eficiencia permiten bien recuperar el tamao de corte perdido sin perder capacidad de molienda, o bien aumentar la capacidad de molienda manteniendo el tamao de corte. Como ejemplos podran citarse, Chuquicamata, Andina, Mantos Blancos, Disputada Las Condes El soldado en Chile, Toquepala y Poderosa en Per, Bolidn Apirsa, Almagrera en Espaa, entre otros concentradores. La figura 5 muestra la nave de molienda de una de las mayores minas de cobre del mundo, equipada con ciclones de fondo plano.

Figura 5 Cambios de posicin en los hidrociclones, tratando de llevarlos cerca de la posicin horizontal, tienen tambin lugar, como resultado de la bsqueda de tamaos de corte mayores o aumentos de capacidad. Por supuesto tambin hubiera sido posible reemplazar los ciclones con otros de mayor tamao, como se hizo en varias plantas, pero esto eliminara una de las ventajas operativas de los hidrociclones, la flexibilidad. Como siempre hay gustos para todo, y hay operadores que prefieren circuitos con el menor nmero de ciclones, y yendo al lmite un solo hidrocicln por cada seccin de molienda, lo que es posible en plantas de medio tonelaje. Otros operadores prefieren10

disponer de al menos cuatro ciclones, para variando el nmero de unidades en operacin, ajustarse a las variaciones de tratamiento causadas por diferencias en la dureza y granulometra del mineral. En secciones de bajo tonelaje, donde por razones de capacidad slo se puede instalar un hidrocicln, lgicamente de tamao inferior al que sera conveniente para alcanzar un corte grueso, la aplicacin del hidrocicln de fondo plano resulta determinante, siendo posible operar con hidrociclones de dimetros inferiores a 400 mm pero con tamaos de corte equivalentes a los que se obtendran con ciclones de dimetro superior, 500 mm o mayores. Obviamente las plantas de nueva construccin ya son diseadas con hidrociclones de mayor tamao, de acuerdo a las necesidades de molienda establecidas, surgiendo el hidrocicln de 650 mm e incluso superior como el tamao estndar en las plantas de cobre ltimamente instaladas, especialmente en las plantas de molienda autgena y semiautgena. Afortunadamente para los ingenieros de proceso la naturaleza es variada y los minerales cambian no slo en base a su localizacin horizontal, sino tambin a su situacin vertical, lo que significa que el tamao de liberacin cambia de un continente a otro y en un mismo yacimiento en base a su profundidad. Mientras que en el continente americano los tamaos de molienda suelen ser del orden de 200/300 m en el viejo continente, Europa, suelen ser la dcima parte 20/30 m, y lgicamente esto obliga a emplear ciclones de pequeo dimetro, inferiores a 250 mm. Un ejemplo tpico sera las plantas espaolas y portuguesas tratando los sulfuros complejos de la faja pirtica ibrica. Los sulfuros complejos con contenidos econmicos; es un decir; de mineral de cobre, plomo, zinc, plata y oro, requieren un tamao de liberacin en el entorno de las 10/20 m, lo que obliga a realizar complejos circuitos de molienda, con varias etapas de molinos e hidrociclones. Los circuitos de flotacin son tambin complejos, requirindose una flotacin diferencial donde se va flotando el cobre, el plomo, el zinc y la pirita sucesivamente. Adems las desgracias nunca vienen solas y no slo coexisten el cobre, el plomo y el zinc, sino que est presente toda la tabla de Mendeliev, y as metales como Hg, As, Sb y otros, contaminan los concentrados afectando negativamente su valor de venta.11

En este panorama, la clasificacin en la molienda juega un papel importantsimo tratando de obtener un producto suficientemente fino para poder separar las especies en la flotacin diferencial, pero produciendo el menor nmero de ultrafinos que por falta de selectividad se perderan y complicaran adems las etapas finales de sedimentacin y filtracin.

3.2 Clasificacin de estriles para relleno de minaComo se mencionaba en la descripcin del principio operativo del hidrocicln de fondo plano, su tercera corriente provoca una reclasificacin de la fraccin gruesa clasificada, inmediatamente antes de su descarga, y ello trae como consecuencia que dicho producto grueso contenga menos partculas finas que el obtenido en la descarga de un hidrocicln convencional cnico. El primer y mayor condicionante en esta aplicacin es obtener un producto vlido para su empleo en relleno de mina, y ello pasa por reducir al mnimo el contenido de partculas ultrafinas que es precisamente la mayor ventaja de un cicln CBC. El segundo condicionante es alcanzar el mayor aprovechamiento de los estriles de la flotacin, primero porque as se disminuir el problema de vertido de estriles: volumen de presa, espacio ocupado, problemas ambientales, etc; y por otro lado porque al mismo tiempo se reduce la necesidad de adquirir material externo de prstamo para el relleno. Como igualmente se mencionaba, el hidrocicln CBC presenta una operacin muy estable frente a las variaciones de la alimentacin, tanto en tonelaje como en concentracin de slidos, y lgicamente todas las variaciones que se producen en una planta repercuten finalmente en la corriente de estriles. En la operacin con hidrociclones cnicos convencionales para evitar que estas fluctuaciones provoquen un atasco de la descarga de los mismos es preciso ser generoso con el dimensionamiento de la boquilla de descarga, y ello supondra que el producto grueso material para el relleno- tendra exceso de finos por lo cual es preciso operar a un tamao de corte superior al que sera necesario y conveniente, a fin de evitar la presencia de partculas muy finas, y ello significa que al ser el tamao de corte ms alto, es ms baja la recuperacin de masa en la descarga.

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El hidrocicln CBC por su estabilidad e imposibilidad de atasco en la descarga puede ser ajustado desde el primer momento para el objetivo a alcanzar, es decir, calidad de producto y recuperacin de masa. El relleno hidrulico realizado con estriles de la propia planta significa reducir importantemente los costos de operacin, resolviendo los problemas en casa sin necesidad de ayudas externas y ello es de vital importancia especialmente en las minas subterrneas del altiplano andino, donde los espacios para el vertido de los estriles son reducidos y las posibilidades de adquirir material de prstamo escasos. La figura 6 muestra las instalaciones de una concentradora de polimetlicos en los Andes peruanos sobre los 4.000 msnm, y en primer plano los depsitos de estriles clasificados para el relleno de la mina subterrnea.

Figura 6

3.3Los

Concentracin gravimtricaequipos de concentracin gravimtrica, generalmente sencillos en su

funcionamiento, requieren por norma una alimentacin lo ms uniforme posible, tanto en tonelaje como en concentracin de slidos. Este requisito, por otro lado comn a la mayora de los equipos de tratamiento, es ms importante, si cabe, en aquellos de concentracin gravimtrica, como jigs, mesas de13

sacudidas, espirales y conos concentradores. Adems, estos equipos requieren una alimentacin sin lamas o partculas ultrafinas que, aumentando la viscosidad del medio lquido en que van suspendidos los slidos, dificultan el proceso de separacin. Ambas necesidades pueden ser resueltas al mismo tiempo mediante el empleo de los ciclones CBC. Llevando a cabo la alimentacin al equipo de concentracin, espirales, jigs, etc., a travs de hidrociclones CBC se consigue, al mismo tiempo que el deslamado o clasificacin necesaria, una alimentacin estable gracias a la descarga uniforme de estos equipos. En la figura 7 se ve una seccin de espirales alimentadas por hidrociclones de fondo plano, en una planta de concentracin de wolframio.

Figura 7 El lecho fluido creado en el fondo plano acta como un colchn que amortigua las variaciones en la concentracin de alimentacin al mismo tiempo que permite mantener prcticamente constante el tamao de corte. Por otro lado, como tambin se mencionaba, se crea una clasificacin selectiva de los diferentes minerales existentes en la alimentacin de modo que se alcanza un considerable enriquecimiento del producto descargado como grueso o pesado, lo cual favorece el proceso de concentracin posterior. No debe olvidarse que, en ocasiones, un cicln CBC puede ser un medio sencillo de preconcentrar minerales pesados (por ejemplo: oro, estao, diamantes, etc), o bien minerales carbonferos.14