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CONTROL DE PROCESOS FLOTACIÓN 1 1.1
DES DESCRI CRIPCI PCIÓN GENE GENERA RAL L DEL DEL PRO PROCESO ESO Introducción Esta unidad describe al operador la filosofía filosofía de control de la planta del proceso de flotación. Para ello es necesario describir aspectos teóricos del proceso de flotación, la filosofia de control, y los procesos involucrados. El tratamiento del tema tema invo involu lucr cra a esqu esquem emas as de inst instru rume ment ntac ació ión n de equi equipo pos, s, sist sistem ema a de infraestructura y servicios, y enclavamientos existentes. Se entrega en forma adic adicio iona nall al tema tema,, un capí capítu tulo lo que que apor aporta ta info inform rmac ació ión n rela relati tiva va a cont contro roll instrumental
1.2
Conceptos La herramienta indispensable en el beneficio de las menas es el proceso de flot flotac ació ión n en espuma. espuma. Los principi principios os de la flotac flotación ión en espuma espuma son son los siguientes: a) Los Los miner minerale ales s sulfu sulfura rados dos norma normalme lment nte e se humed humedec ecen en por por el agua agua pero pero pueden pueden ser acondic acondiciona ionados dos con reactivos reactivos que los volverá volverán n repelent repelentes es al agua (hidrófobos). b) Esta Esta hidrof hidrofobic obicidad idad puede ser creada creada en minerasles minerasles especifico especificos s dentro dentro de unas pulpa agua-mena. c) Los Los choq choque ues s entr entre e burb burbuj uja a de aire aire y los los mine minera rale les s que que se han han hech hecho o hidro hidrofó fóbic bicos os dará darán n por por result resultad ado o la unió unión n entr entre e las las burbuj burbujas as y dicho dichos s minerales. d) Las partículas partículas de mineral mineral no acondicio acondicionadas nadas (húmedas) (húmedas) no se unirán a las burbujas de aire. Por consiguiente, la flotación en espuma como se aplica a las menas de cobre consiste en: a) El acon acondic dicio iona namie mient nto o de la pulpa pulpa de mena mena para para hace hacerr hidro hidrofó fóbic bicos os los los minerales sin afectar a los otros minerales. b) El paso ascende ascendente nte de una corriente corriente dispersa dispersa de burbujas burbujas de aire a través través de la pulpa
1.3
Equipamiento
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El proceso de flotación lleva a cabo la concentración de minerales sulfurados mediante equipos de flotación tradicional, columnas de flotación, remolienda en molinos verticales, equipos de transferencia de pulpa, sumideros y bombas verticales, sistemas de adición de reactivos y sistemas de muestreo. El control del proceso se realiza mediante un sistema de control distribuido; el sistema de muestreo y análisis se realiza por medio de analizadores en línea. La energía eléctrica es distribuida mediante Salas de control de motores. Los reactivos y agua son controlados en forma automática.
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El proceso de flotación lleva a cabo la concentración de minerales sulfurados mediante equipos de flotación tradicional, columnas de flotación, remolienda en molinos verticales, equipos de transferencia de pulpa, sumideros y bombas verticales, sistemas de adición de reactivos y sistemas de muestreo. El control del proceso se realiza mediante un sistema de control distribuido; el sistema de muestreo y análisis se realiza por medio de analizadores en línea. La energía eléctrica es distribuida mediante Salas de control de motores. Los reactivos y agua son controlados en forma automática.
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2 2.1
DEFINICIONES DEL PR PROCESO Fundamentos teóricos La flotación es un proceso que contempla la presencia e interacción de tres fases: sólida, líquida y gaseosa. • La fase sólida está representada por los minerales a separar. • La fase fase líquid líquida a es el agua, agua, que debid debido o a sus sus propie propiedad dades es espe específ cífica icas s constituye un medio ideal para dichas separaciones. • La fase gaseosa corresponde al aire inyectado para la formación de burbujas
El gas utilizado en las separaciones es el aire, el cual se inyecta en la pulpa, neumática o mecánicamente, para poder formar las burbujas sobre las cuales se adhieren parte de las partículas sólidas que se desea recuperar.
Los sólidos y el agua, antes de la aplicación aplicación del proceso, se preparan en forma de pulpas que pueden contener desde pocas unidades hasta 40% de sólidos. El proceso de flotación está basado sobre las propiedades hidrófobicas de las materia materias s sólidas sólidas a separar. separar. Se trata trata fundame fundamenta ntalmen lmente te de un fenóme fenómeno no de comportamiento de sólidos frente al agua, dicho de otro modo, de mojabilidad de las materias. Los Los miner minerale ales s que son poco poco mojab mojables les con con el agua, agua, como como por por ejemp ejemplo lo los metales nativos, sulfuros de metales, se denominan hidrofóficos o hidrófobos. En tanto que los minerales que son óxidos, sulfatos, silicatos carbonatos y otros que son en su mayoría estériles y forman la ganga son hidrófilicos o hidrófilos, o sea afines al agua. En la flotación, luego de una preparación adecuada, las partículas hidrófobas se van a adherir o pegar a las burbujas de aire y pasar a la espuma, mientras que las partículas hidrófilas se van a mojar y caen al fondo de la máquina de flotación.
De este modo, un mineral de cabeza, que contiene en el caso más simple dos componentes, uno útil y otro estéril, por medio de la flotación se separa en un concentrado que se recupera en forma de una espuma y un relave o cola que se elimina por la parte inferior de la máquina. Cuando el mineral consta de varios componentes útiles, como es el caso de mina minas s compl complej ejas as de cobre cobre,, fier fierro ro y molib molibde deno no o de plomo, plomo, zinc zinc y cobre cobre,, ento entonc nces es la sepa separac ración ión de miner mineral ales es es algo algo más más compl complica icada. da. En prime primer r
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térmi término no,, en la flot flotac ación ión prima primaria ria (inici (inicial al)) se puede puede optar optar por una una flot flotac ació ión n colectiva o selectiva. También es posible realizar la separación de los distintos sulfuros en plantas en serie teniendo como flujo de alimentación el concentrado.
Esto Esto sign signif ific ica a que se puede pueden n flotar flotar todas todas las espec especies ies útiles útiles en conju conjunt nto o (flotación colectiva) para separarlas de la ganga y después entre sí o se puede flotar un componente tras otro en forma selectiva. A este último método se le llama flotación diferencial. (Figura Nº 1.1).
MINERAL CRUDO
TRITURACIÓN
MOLIENDA FINA
FLOTACIÓN SELECTIVA (PRIMARIA)
CONCENTRADO
RELAVES
FLOTACIÓN SELECTIVA
DEPÓSITO RELAVES
CONC CONCEN ENTR TRAD ADO O1
CONC CONCEN ENTR TRAD ADO O2
PURIF RIFICACIÓ IÓN N
PURIF RIFICACIÓ IÓN N
DESAGÜE
DESAGÜE
ACOND. CON REACTIVOS
FIGUR GURA 1.1 1.1 :
Diag Diagrrama ama de de flu flujjo tí típico pico de un pro proce ceso so de flot lotac ació ión n
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2.2
Mecanismo de la Flotación Para estudiar el mecanismo de la flotación es suficiente, en principio, enterarse con todo detalle de lo que sucede entre una partícula de mineral y una burbuja de aire para que ellos formen una unión estable.
Con respecto a las partículas de minerales, es sabido que pocas de ellas tienen propiedades hidrófobas suficientemente fuertes como para que puedan flotar. En primer lugar, en la gran mayoría de los casos hay que romper enlaces químicos (covalentes y iónicos principalmente) para efectuar la liberación de mineral. Esto inmediatamente lleva a la hidrofilización de las superficies minerales, o mejor dicho a hidratación. En resumen, es necesario hidrofobizar las partículas minerales en la pulpa para hacerlas flotables. Esto se efectúa con los reactivos llamados colectores, que son generalmente compuestos orgánicos de carácter heteropolar, o sea, una parte de la molécula es un compuesto evidentemente apolar (hidrocarburo) y la otra es un grupo polar con propiedades iónicas. Para facilitar la adsorción de estos reactivos sobre la superficie de las partículas minerales hay que crear condiciones favorables en la capa doble de cargas eléctricas, lo que se hace con los reactivos llamados modificadores. Estos disminuyen el potencial de la capa doble o, a veces cambian su sentido.. De este modo se crean condiciones favorables, para la adsorción de los colectores: disminución de potencial o, todavía mejor, el punto isoeléctrico (potencial cero).
La partícula mineral queda cubierta por el colector que se afirma en su red cristalina por medio de la parte polar, proporcionándole con la parte apolar propiedades hidrófobas. Sobre el mecanismo de adsorción de los colectores, hasta la fecha no hay opinión unánime de si se trata de un mecanismo de adsorción física o química. la evidencia experimental ofrece ejemplos de ambos tipos, por lo que cada caso particular tiene que considerarse aparte. El otro componente del futuro agregado partícula-burbuja, es la burbuja de aire. Esta es necesaria para: 1) recoger las partículas en la pulpa, 2) transportarlas hacia la superficie. El transporte se efectúa mediante la fuerza de empuje (ej., de Arquímedes). La interfase gas-líquido. Las partes polares de estos compuestos tensoactivos se orientan hacia el agua y la parte polar hacia la burbuja misma. Las partículas y burbujas están en una constante agitación, debido a los motores de las máquinas de flotación, de modo que para realizar su unión son necesarios:
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• su encuentro, y • condiciones favorables para formar el agregado. El encuentro se realiza por el acondicionamiento y la agitación dentro de la máquina misma. El contacto permanente entre la partícula y la burbuja de gas es el punto más débil de la teoría de la flotación.
Los conceptos de las condiciones que determinan la unión estable entre la partícula y la burbuja son los siguientes: no hay problemas en explicar el acercamiento de la burbuja y la partícula hasta el punto en que la película de agua las separa queda muy fina. En este momento, las partículas, para acercarse más a la burbuja tiene que superar lo que se considera una barrera energética. Para las partículas hidrófilas, en que la asociación de la partícula con las moléculas de agua es muy firme, esta barrera nunca se supera y las partículas no flotan. Para la partículas hidrófobas, la barrera queda repentinamente rota por fuerzas todavía no bien conocidas, permitiendo un contacto trifásico. En realidad, el mecanismo no es tan simple como parece. En primer lugar, la película de agua nunca se rompe hasta el fin y la partícula queda siempre cubierta por una película.
Las experiencias con inyección directa de aire en la pulpa generalmente dan resultados negativos si no se emplea un espumante, por cuanto el aire se distribuye en forma dispareja, las burbujas son inestables y se asocian unas con otras. Al agregar el espumante, se estabilizan, se obtiene el tomarlo deseado y la dispersión del aire es pareja.
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La Figura Nº 1.2 muestra la mineralización de las burbujas de aire.
FIGURA Nº2 : Mineralización de partículas Como es fácil comprender, cada burbuja se puede considerar como el contacto de dos fases, líquido y gas, igual que en el caso discutido de un líquido en equilibrio con la atmósfera. De este modo, por las razones ya explicadas y en cumplimiento de la segunda ley de la termodinámica, los espumantes, que son reactivos tensoactivos, se absorben en la molécula de agua, de unas lo moléculas de grosor que participan en las asociaciones posteriores. Esta película de agua tiene propiedades totalmente distintas a las del agua en masa. Por ejemplo, es mecánicamente más firme y más dura que la asociación común de moléculas de agua. Tienen no sólo mayor viscosidad, sino que es considerada mecánicamente dura hasta tal punto que se le atribuyen propiedades de un sólido. De este modo, el contacto real, entre la partícula y la
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burbuja es trifásico, sólo si consideramos esta finísima película de agua como un sólido.
Es imposible evitar esta película, porque incluso se supone que el sólido no la lleva consigo, al acercarse a la burbuja, dentro de ésta existe vapor de agua que se condensa formando sobre la superficie del sólido una finísima película que impide su contacto directo con el aire.
Los conceptos modernos de la dinámica del contacto entre la burbuja y la partícula consideran que el encuentro entre ambas se efectúa del modo como ocurre la colisión entre dos cuerpos elásticos. Esto significa que los cuerpos chocan y rebotan. Se ha podido observar el hundimiento de la burbuja cuando es chocada por la partícula y el rebote elástico de esta última. La partícula, enseguida, vuelve nuevamente a chocar con las burbujas hasta que se encuentre con la que tiene condiciones energéticas y eléctricas para asociarla. Este mecanismo, entonces, contempla como factores de importancia, el tamaño de la partícula (fuerza dinámica) y su mojabilidad (condiciones eléctricas).
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2.3
Etapas en flotación Las etapas se pueden clasificar como: ♦ ♦ ♦ ♦ ♦
2.3.1
Flotación primaria Remolienda Flotación primera limpieza y scavenger (repaso) Flotación segunda limpieza (en columnas de flotación) Retratamiento de colas
Flotación primaria rougher El proceso de molienda consiste en dos líneas de tratamiento, una por cada molino SAG, este proceso finaliza con la clasificación mediante cuatro (4) baterías de hidrociclones, dos por cada línea. El rebase u overflow de los hidrociclones se conduce al cajón distribuidor de flotación primaria por cada línea. En el trayecto los rebases por cada línea se juntan y son muestreados mediante muestreadores primario y secundario. La etapa de flotación consiste en dos líneas de tratamiento, línea 1 y línea 2, cada una comprende un cajón distribuidor (común para los dos bancos de celdas), dos bancos de celdas con ocho celdas cada uno. La pulpa se alimenta a los bancos de celdas de flotación donde ocurre la separación de los sulfuros como concentrado mediante la adición de reactivos espumantes, colectores y adición de aire. el concentrado se recoge en la canaleta de cada celda. La cola se recoge en el cajón colector de colas ubicado a la salida de la última celda (por cada banco). En esta etapa, el contenido de cobre aumenta desde 2 % hasta 13 % en cobre. El cajón de colas es común para ambos bancos de celdas. Los derrames que ocurren son evacuados mediante bombas de piso Se dispone de dos grúas puente para mantenimiento. Los reactivos son agregados mediante control distribuido. El aire necesario para la flotación es aportado por compresores que son descritos más adelante.
2.3.2
Remolienda
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La etapa de flotación primaria tiene como objetivo metalúrgico la recuperación de las especies de valor y no la ley de concentrado. Por lo tanto para que ocurra la liberación necesaria adecuada se considera una etapa posterior de remolienda. Posterior a la remolienda se practica una clasificación de concentrado rougher, donde el overflow o rebase de los hidrociclones pasan a la etapa de primera limpieza, mientras que la descarga del ciclón (underflow o spigot) es recirculado hacia los molinos.
2.3.3
Flotación primera limpieza y scavenger (repaso) El overflow o rebase de los ciclones que abandona la etapa de remolienda, se envía a la flotación de primera limpieza (cleaner) con el objeto de aumentar la concentración del cobre contenido. Es decir el concentrado primario o rougher es tratado con el objeto de elevar el porcentaje de cobre contenido en él desde 13.9 % hasta un 34.4 % en Cu. En esta etapa se realiza un aumento en la concentración de cobre . La alimentación a la flotación de primera limpieza corresponde al rebase de los hidrociclones de remolienda. Este es transferido a un cajón distribuidor por intermedio de bombas centrífugas. La alimentación a las celdas se realiza por gravedad (diferencia de altura). La disposición de celdas es la siguiente: Tres bancos de celda de 1ª limpieza, cada uno con cuatro celdas. El concentrado se envía a segunda limpieza; la cola es tratada en un banco en serie el cual es llamado flotación scavenger
2.3.4
Flotación segunda limpieza La etapa de flotación de segunda limpieza tiene por objetivo aumentar la ley de cobre desde 34.4 % Cu a un 46 % Cu, que representa al concentrado final.. Esta se realiza mediante celdas de columnas. La flotación columnar, con pocos años de permanencia en el mercado minero ha demostrado ser un excelente medio para concentración de especies, aunque no presenta buenas características en cuanto a recuperación (esto significa que las colas siempre serán altas).
2.3.5
Retratamiento de colas La cola primaria es clasificada en una batería de hidrociclones, la descarga de los ciclones es tratada en las celdas de retratamiento de colas; el rebase se destina a la batea colectora de colas y son retiradas del circuito.
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En las celdas de retratamiento el concentrado se envía a remolienda mientras que la cola de flotación se envía a la batea recolectora de colas.
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3
CONTROL DEL PROCESO
3.1 3.1.1
Filosofía de control Objetivo del Control El objetivo de control operacional de la Planta es maximizar la recuperación y ley de concentrado. Esto se logra manteniendo las características de la pulpa en los rangos requeridos. Este objetivo se satisface en general mediante Un adecuado control de la densidad y pH de la pulpa de alimentación a flotación primaria y flotación limpieza. Una adecuada dosificación de reactivos. Un control operacional de las celdas de flotación primaria y molinos de remolienda.
3.1.2
Control Manual y Lazos de Control Los lazos de control automático y controles manuales considerados en la operación de las diferentes etapas de la Planta son:
3.1.2.1
Flotación Primaria • • • •
3.1.2.2
Control de densidad de la pulpa de alimentación Control de pH de la pulpa de alimentación Control de nivel de las celdas de flotación Control de adición de reactivos
Remolienda de Concentrado • Control de densidad de la pulpa alimentación, • Control de nivel cajón bomba alimentación hidrociclones • Control de adición de lechada de cal
3.1.2.3
Flotación 1ª Limpieza • Control de nivel cajón bombas alimentación flotación limpieza (E) • Control de pH alimentación flotación limpieza • Control de nivel en las celdas
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3.1.2.4
Flotación Scavenger colas 1ª limpieza • Control de nivel en las celdas • Control de nivel en cajones de traspaso
3.1.2.5
Adición de Reactivos • Control adición de reactivos a flotación • Control flujo alimentación a estanques distribuidores de reactivos
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3.2 3.2.1
Controles en Flotación Primaria Control de Densidad de la Pulpa de Alimentación Este lazo de control permite regular el porcentaje de sólidos de la pulpa de alimentación a las celdas de flotación primaria. El lazo opera en base al porcentaje de sólidos del overflow de los ciclones que alimenta a la flotación primaria, medida en Medidores de Tamaño de Partículas (PSM o particle size meter). El porcentaje de sólidos del rebase de los ciclones es medido en el analizador y envía la señal para control de adición de agua. El sistema es identico para ambas líneas de flotación primaria
La Figura Nº.1 muestra un esquema del control de densidad para la flotación primaria.
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FIGURA Nº1: Control de densidad alimentación flotación primaria
3.2.2
Control pH de la pulpa de Alimentación El pH de la pulpa de alimentación a las celdas de flotación primaria se controla actuando sobre la alimentación de lechada de cal a la molienda SAG. La medición de pH se realiza en los cajones distribuidores a flotación primaria. La Figura Nº2 muestra un esquema del control de pH.
FIGURA Nº 2: Esquena de control de pH en flotación primaria
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3.2.3
Control de Nivel de las celdas de flotación El control de nivel de cada banco se realiza midiendo el nivel de la última celda y actuando sobre las válvulas tapón de la caja de traspaso. La referencia de nivel la puede fijar el operador desde el DCS (Figura Nº 3)
FIGURA Nº 3: Control de nivel en celdas
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3.3
Remolienda de Concentrado Primario
3.3.1
Control de Densidad Alimentación Hidrociclones El control de densidad se realiza regulando el flujo de agua fresca que alimenta el pozo de descarga del molino para ello, se mide la densidad de entrada de la batería de hidrociclones de remolienda y se regula el flujo de agua al pozo de descarga del molino. El controlador actúa sobre la válvula reguladora de flujo de agua al pozo. Ver Figura Nº 4
FIGURA Nº 4: Control de densidad en la alimentación a los hidrociclones en remolienda
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3.3.2
Control de Nivel Sumidero Bomba Alimentación Hidrociclones Este control se realiza midiendo el nivel de pulpa en los pozos y actuando sobre el variador de velocidad de las bombas alimentación de hidrociclones de remolienda. La Figura Nº 5 muestra el control de nivel en pozos de bombeo a hidrociclones.
FIGURA Nº 5: control de nivel en pozo de bombeo a hidrociclones remolienda Descripción de instrumentos en figura:
3.3.3
LSLL : LIC : LIT :
Interruptor de nivel Control de nivel Medidor de nivel
Control de nivel cajón bomba alimentación hidrociclones El cajón de bombeo a hidrociclones, compuesto por dos secciones, posee un sistema independiente de control de nivel que actúa sobre la velocidad de la
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bomba. El control automático fija la velocidad de la bomba, manteniendo el nivel del cajón estable. El controlador LIC aumenta o disminuye la velocidad de la bomba al detectar, mediante el medidor LIT alguna subida o bajada de nivel.
3.3.4
Control de Densidad En la línea de alimentación a la batería de hidrociclones se encuentra ubicado un densímetro nuclear, el cual forma parte de un lazo de control usado para mantener estable la densidad de la pulpa.
Según se muestra en la Figura Nº 6, el control de densidad funciona en base a dos elementos: controlador de densidad (DIC) y de flujo (FIC). En este caso, el operador fija la referencia de densidad deseada en el controlador DIC, el cual su vez genera una señal que sirve como referencia al controlador FIC, indicándose cual será el caudal de agua necesario para obtener la densidad deseada.
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FIGURA Nº 6:Control de densidad en batería hidrociclones Descripción de instrumentos en figura: DIC DIT FIC FIT
: : : :
Control de densidad Medidor de densidad Control de flujo Medidor de flujo
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3.3.5
Control de pH El control de pH considera la adición de lechada de cal en el sumidero de alimentación de pulpa a los molinos de torre. La adición de cal se efectúa en base a 2 líneas controladas, de las cuales una es de reserva. En la figura Nº 7 se muestra la instrumentación asociada a la adición de lechada de cal
FIGURA Nº 7: Sistema de control de pH en cajón distribuidor a molinos Descripción de instrumentos en figura:
3.4 3.4.1
AX
:
HS S
: :
Monitoreo
Generador de pulsos (la cal se adiciona por pulsos en la válvula, chorros) Selector Trampa de sólidos decantados
Monitoreo de Potencias
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En los molinos se realiza una medición de la potencia tomada por los motores. Esta potencia es desplegada en la sala de control, según se muestra en la Figura Nº 8
Descripción de instrumentos en figura: JI : JT :
Indicador de potencia Medidor de potencia
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3.4.2
Monitoreo de Presión En la batería de hidrociclones, se dispone de un manómetro en la línea principal que alimenta a los hidrociclones. La señal de dicho instrumento es desplegada al operador en la sala de control. Para operar dentro de rangos normales de presión, el operador deberá tomar la acción manual en la abertura o cierre de ciclones (Figura Nº 9).
FIGURA Nº 9 : Medición de presión en batería de hidrociclones
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3.5 3.5.1
Comando de Válvulas Neumáticas ON-OFF. Comando de Válvulas Tapón Este control permite el accionamiento de las válvulas tapón y consiste en un cilindro neumático de "doble efecto" (aire para abrir y para cerrar) y una válvula neumática de accionamiento manual. El operador posiciona dicha válvula para subir o bajar el tapón (ver esquema típico de funcionamiento en la figura Nº 10.
Los equipos que poseen este sistema de comando son: • •
Cajón de bombeo a hidrociclones Cajón distribuidor a molinos.
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3.5.2
Comando de Válvulas Cuchillo y Pinch Este manejo de válvulas es similar al utilizado en el caso de las válvulas tapón (Figura Nº 10). Se compone de un cilindro operado por una válvula neumática de accionamiento manual o eléctrico.
3.5.3
Válvulas en cajón traspaso Concentrado Scavenger1ª Limpieza La descarga de este cajón se realiza mediante dos válvulas cuchillo, con cilindro de doble efecto, accionado mediante una válvula neumática, 4 vías, y de operación manual (se necesita aire para abrir y para cerrar). En la Figura Nº11 se muestra la disposición del sistema de control usado para descargar dicho cajón.
FIGURA Nº 11: Sistema de comando de válvulas de cuchillo en la descarga del cajón de traspaso scavenger 1ª Limpieza
3.5.4
Control mediante Válvulas Pinch El accionamiento de la válvula Pinch se efectúa en base a un cilindro de efecto simple (aire, para cerrar y resorte para abrir) y una válvula neumática de operación manual.
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El interruptor de presión sirve para indicar al operador de la sala de control, la posición que posee la válvula Pinch: abierta (cilindro con presión) o cerrada (cilindro sin presión).
3.6
Control de Agua de Sello En las líneas de agua sello de las bombas que alimentan la batería de hidrociclones, se dispone de un interruptor de flujo y un interruptor de presión baja. Estos elementos generan una alarma cuando baja la presión o el flujo de agua de sello (ver Figura Nº 12).
FIGURA Nº 12: Instrumentación en líneas agua de sello a bombas de alimentación hidrociclones
Descripción de instrumentos en figura: FAL : PSL : FSL :
3.7
Alarma Detector de presión baja Detector de flujo bajo
Control en Bombas de Piso
28
En la Figura Nº 13 se muestra el esquema de lazo de control que comanda las bombas de piso sector molinos. La bomba parte automáticamente, cuando el interruptor detecta pulpa en el estanque. La bomba se detiene si se detecta estanque vacío.
29
4 4.1
INSTRUMENTACIÓN Acondicionamiento de Pulpa El objetivo del control operacional asociado a esta etapa es acondicionar la pulpa a los valores de pH y porcentajes de sólidos requeridos para la operación. La instrumentación es la siguiente: Válvulas automáticas de adición de agua y lechada de cal. Analizadores de muestras para determinar leyes de Cu, Fe, Mo, Zn, As y densidad.
4.2
Flotación Primaria La instrumentación asociada a esta etapa es: Válvulas de tapones electroneumática Botoneras partir/parar agitadores Medidor de pH Analizadores de muestras
4.3
Remolienda de Concentrado La instrumentación asociada a esta etapa es: Molinos de Remolienda • • • • •
Medidores de potencia y corriente Botoneras partir/parar molino Medidores de temperatura molinos Flujómetros Válvulas automáticas de adición de agua
Bombas de Alimentación a Hidrociclones Variadores de velocidad • Interruptores de flujo bajo agua de sello • Medidores de presión • Medidores de nivel • Válvulas electroneumática Batería de Hidrociclones • • .
Medidores de presión Válvulas electroneumáticas
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4.4
Flotación Limpieza La instrumentación asociada a esta etapa es: Válvulas de tapones electroneumáticas Botonera partir/parar agitadores Medidor de pH
4.5
Flotación Relimpieza La instrumentación asociada a esta etapa es: - Válvulas de tapones electroneumáticas - Botonera partir/parar agitadores
4.6
Distribución de Reactivos La instrumentación asociada a esta etapa es: - Medidores de nivel - Variadores de velocidad
31
5
ENCLAVAMIENTOS Los enclavamientos principales de los equipos de la Planta son:
5.1
Bombas alimentación hidrociclones. Están enclavadas con: Agua de sello bombas
5.2
Molinos de remolienda. Están enclavados con: Servicios motor molino Servicios del molino Baja presión aire embrague del molino
5.3 Válvulas de tapones de control de nivel celdas de flotación. Están enclavadas con: Aire de instrumentación
5.4
Dosificadores de reactivos. Están enclavadas con: Bajo nivel estanque de reactivo.
5.5
Bombas de traspaso. Están enclavadas con: Nivel pozo bombeo
5.6 5.6.1
Posición Falla de Tapones y válvulas Tapones distribuidores motorizados y mecánicos. Ante una falla de suministro eléctrico estos tapones se cierran.
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5.6.2
Válvulas de tapones de control de nivel celdas de flotación Ante una falla de suministro de energía eléctrica y una pérdida en la presión de aire, los tapones se abren.
5.6.3
Válvulas de cuchillo pozos alimentación bombas hidrociclones Ante una falla de suministro de energía eléctrica las válvulas se cierran.
5.6.4
Válvulas de cuchillo pozo de bombeo traspaso Ante un falla de suministro de energía eléctrica las válvulas se cierran.
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6 6.1
TIPOS DE CONTROL Control Clásico En la industria se basa en la existencia de tres instrumentos: Transmisor, Controlador y Válvula de control, relacionados a través del lazo o bucle de retroalimentación, que es único para cada variable controlada del proceso industrial. Existen tantos lazos de control como variables controladas. Utilización hasta los años 1960.
6.2
Control Digital Directo DDC En el control digital directo, un computador sustituye al instrumento controlador, efectuando los cálculos de acuerdo con las acciones de control deseadas y enviando las correspondientes señales de salida a las válvulas de control. Esta función de cálculo la efectúa secuencialmente para cada variable de entrada analógica o digital y para cada válvula de control del lazo correspondiente. Una falla en el computador da lugar a la pérdida total del control de la planta. Utilización desde los años 1960 a 1975.
6.3
Control de Puntos de Consigna SPC Al descartar el empleo de un único computador (control DDC) por el serio inconveniente de la seguridad y sustituirlo por varios controladores digitales capaces de controlar individualmente un cierto número de variables, para así “distribuir” el riesgo del control único. Cada controlador digital, debía ser “universal”, es decir disponer de algoritmos de control seleccionables por software, que permitan resolver todas las situaciones de control y dieran así versatilidad al sistema. Para comunicarse entre sí los transmisores electrónicos de terreno, los controladores y las interfases para la comunicación con el operador de la planta, se adoptó el empleo de una vía de comunicaciones, en forma de cable coaxial. Para eliminar el espacio de panel requerido por el control clásico, se adoptó el uso de uno o varios monitores de CRT, en los cuales, el operador, a través de teclado, debía examinar las variables de proceso, las características de control, las alarmas, etc., sin perturbar el control de la Planta y con opción de cambiar cualquier característica de control de las variables del proceso. Utilización desde el año 1970.
6.4
Control Distribuido El control distribuido consiste en uno o varios microprocesadores que controlan cada uno más de una variable (aproximadamente 8) y que están repartidos por
34
la planta y conectados a las señales de los transmisores de las variables y a las válvulas de control. El primer sistema de control distribuido para la industria fue presentado por la firma Honeywell Inc. en noviembre de 1975.
6.5
Control Supervisor La distribución de los microprocesadores a lo largo de la planta en los puntos con mayor concentración de señales es la de una distribución arquitectónica múltiple, unida mediante una vía de comunicaciones, que permite la supervisión desde la sala de control, e incluso desde un computador personal. Utilización desde aproximadamente 1980. En esencia, la diferencia entre el control distribuido y el control clásico es la posibilidad de configuración por software y la capacidad de comunicación entre microprocesadores y el centro supervisor, que se ofrece actualmente en los sistemas de control distribuido.
7 7.1
CLASES DE INSTRUMENTOS Transmisores Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor indicador, registrador, controlador o combinación de estos. Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, digitales, hidráulicas y telemétricas. las más empleadas en la industria son las tres primeras, las eñales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas cuando hay una distancia de varios kilómetros entre el transmisor y el receptor. Los transmisores neumático generan una señal neumática variable linealmente de 3 a 15 psi para el campo de medida de 0 - 100 % de la variable Los transmisores electrónicos generan la señal estándar de 4 - 20 mA c.c. a distancias de 200 m a 1 km. Las fibras ópticas en la transmisión se están utilizando en lugares de la planta donde las condiciones son duras (campos magnéticos intensos que influyen sobre la señal ..). Los módulos de transmisión pueden ser excitados por fuentes de luz de LED )Light Emiting Diodes) o diodos Láser.
7.2
Elementos sensores El sensor es un elemento que transforma la manifestación física de la variable controlada en otra que es apta de ser interpretada por el transmisor o directamente por el controlador en caso de no existir éste.
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7.2.1
Sensores de Presión Algunos principios utilizados para medir presión: • • • • • •
Bourdón Manómetro de émbolos Fuelle Membrana Piezoeléctrico Presión diferencial
Más utilizado: Bourdón
7.2.2
Sensores de Nivel Métodos • • • • • • •
utilizados para medir nivel: Por flotador Por desplazamiento Diferencia de presión (altura de carga) Por peso Capacitivo Resistivo Por radiación
Más utilizado: Diferencia de presión y flotador
7.2.3
Sensores de Temperatura Métodos utilizados para medir temperatura: • • • • • •
Sistema de bulbo lleno de fluido Bimetal Termopar (termocupla) Termómetro de resistencia (PT-100) Dilatación Radiación
Más utilizado: Sistema de bulbo lleno
7.2.4
Medición de caudales de fluidos
36
Métodos empleados para medir caudales de líquidos y gases: • Caudalímetros de altura de carga: • Rotámetro • Caudalímetro de inducción • Caudalímetro por ultrasonido • Venturi • Plato orificio • Desplazamiento positivo • Turbina • Medidor de flujo por impacto • Anemómetro de hilo caliente • Medidor de Vortex • Pitot • Medidor de codo Más utilizado: Plato orificio La elección del medidor depende de las pérdidas y del costo, como se ilustra en la siguiente tabla:
7.3
Tipo de Medidor
Pérdida de Carga
Costo
Orificio
Grande
Pequeño
Tobera
Media
Media
Venturi
Pequeña
Grande
Medición de la presión La presión es una variable de proceso fundamental y su medición puede utilizarse directamente para controlar o para reducir otras mediciones, por ejemplo, el nivel, el flujo y la temperatura. Se pueden utilizar muchos tipos de transductores Estos transductores pueden estar eslabonados a transmisores electrónicos o neumáticos para que desarrollen una señal de 3 a 15 psig. (0.02 a 0.1 MPa) o de 4 a 20 mA. El "corazón" del transmisor neumático es el conjunto de boquilla y aleta, que incluye el relevador neumático.
7.4
Medición del flujo El objetivo principal de los sistemas de control industrial es balancear los flujos de material y energía en un proceso. El flujo es la variable más común del proceso. Las dos funciones más importantes de la instrumentación son la exactitud de la medición y el control. La Tabla 1-5 cita algunos de los métodos más comunes de medición y sus características.
37
38
Tabla 1 - 5. Mediciones de Flujo* Tipo de Cabeza
Líquidos
Líquidos Viscosos
Lechada
Gas
Sólidos
Lineal
Capacidad de Cobertura
Costoso
Exactitud en % de la escala completa
Totalizador Indirecto
Pérdida de Presión
√
SR
4:1
Bajo
¼-2
√
Elevado
1. Placas de Orificios
√
L
2. Rotámetros
√
L
L
√
√
10:1
Med
½-2
--------
F
3. Tubos Venturi, Boquillas
√
L
√
√
SR
4:1
Elevado
¼-3
√
Med
4. Tubos Pitot
√
√
SR
3:1
Bajo
2-5
-------
L
5. Codo
√
L
L
√
SR
3:1
Bajo
5 - 10
-------
No
6. Medidores de Blanco
√
L
L
SR
4:1
Med
½-2
√
Elevado
7. Vertederos, Canales
√
L
L
NL
100:1
Bajo
2-5
-------
Med
1. Magnético
√
√
√
√
20:1
Elevado
½-1
√
No
2. De vértices
√
L
√
10:1
Med
½-2
√
Med
1. Desplazamiento Positivo
√
L
√
20:1
Med
¼-1
√
Med
2. Turbina
√
L
√
20:1
Med
¼-1
√
Med
Tipo de Velocodad
De Desplazamiento
L
√
Flujo de Masa 1. Tipos de Peso
√
√
20:1
Med
½-3
-------
-------
2. Fluviómetros Sólidos
√
√
20:1
Med
½-3
-------
-------
* L. limitado; NL, no lineal; SR, raíz cuadrada; F, fijo.
39
8 8.1
SISTEMAS DE CONTROL Modelos de Plantas Para poder anticipar el ajuste correcto de los controladores, es necesario conocer el comportamiento de la planta o proceso que se está controlando. Este comportamiento se define ajustando los parámetros de un modelo matemático de manera que éste describa lo mejor posible dentro de un rango determinado el comportamiento del proceso real. Determinar el modelo de una planta es un trabajo bastante difícil y normalmente el modelo se hace más complejo mientras mejor se desee describir la planta.
8.2
Controladores En el nivel más bajo de un sistema de control distribuido, las unidades funcionales del sistema están distribuidas y puestas en el terreno, en la vecindad de la planta. Estas unidades constituyen subsistemas fuertemente autónomos, cuyo dominio de influencia se restringe a unos pocos puntos de medición o lazos de control. Por un lado tienen interfaz hacia la planta y por otro hacia el sistema. Se les puede llamar estaciones de terreno y sus objetivos principales, son :
1) coleccionar y pre-procesar señales análogas y digitales, 2) monitorear y colocar los mensajes de alarmas y 3) realizar funciones de control de lazo abierto y cerrado. Para ello estas unidades están estructuradas modularmente y orientadas a un bus local. Para un control dedicado se usan los controladores digitales del tipo “Stand Alone”. Estos tienen capacidad de monitoreo y pueden ser programados o configurados desde un computador personal.
8.2.1
También pueden ser operados desde la consola en el panel frontal exterior, contienen funciones de control tales como PID, PID cascada, otros; y un manipulador manual/automático. Además tiene funciones programables usando módulos que pueden ser configurados parametrizados. Tienen comunicación serial para comunicar a un sistema Controlador Básico o Multifunción.
Controlador básico
El controlador básico de un sistema es una estación de terreno orientada a bus con capacidad de manejar varios controladores individuales, cada uno de los cuales puede hacer uso de sus algoritmos computacionales. El controlador básico tiene un lenguaje especial de control, a través del cual se pueden programar elaboradas secuencias de control. También tiene un
40
programa residente en memoria, para diagnóstico, que se usa para pruebas automáticas de funcionamiento de las funciones internas del controlador y para reportar los resultados al operador. En niveles jerárquicos entre el más bajo y el más alto se colocan unidades funcionales intermedias. Son unidades autónomas con influencia sobre un grupo restringido de estaciones de terreno. Se les llama estaciones supervisoras o estaciones de cálculo de puntos de consigna para los controladores de menor nivel, seguimiento de órdenes de proceso, reportes, intercambio de datos con estaciones de nivel superior, etc.
8.2.2
Controladores de Proceso El controlador de procesos es un equipo, dedicado a comunicar y controlar un grupo reducido de controladores de menor nivel, que realizan la acción de control propiamente tal.
8.2.3
Controladores de Lazo El controlador de lazo, es un controlador Stand-Alone, dual. Realiza la acción de control dedicado a un máximo de 4 lazos de control, con opción de despliegue de dos lazos en pantalla simultáneamente.
8.2.4
Controladores de Lógica Programable (PLC) El controlador de lógica programable PLC, está orientado al control dedicado y al nivel básico descrito anteriormente, ya que tiene incorporadas funciones para desarrollar lazos de control, comandar uno o más lazos de control, monitorear variables y comunicar a niveles superiores de la red de control.
8.3
Finalidad del Controlador El controlador es una unidad autónoma, apta para ambientes industriales. Está protegida contra polvos, soporta vibraciones, variaciones de temperatura, variaciones de tensión, etc. Estas unidades, están destinadas a niveles de control inferiores y básicos. En el nivel inferior de control se utilizan equipos de baja capacidad para controlar pocas señales (máximo 8), procesarlas, desarrollar alguna acción de control y/o transmitirlas a otros niveles de control donde se encuentran las estaciones supervisoras. En los niveles básicos de control, se utilizan equipos de gran capacidad que pueden cumplir funciones de control, de colector de datos, de concentrador de
41
datos y también como estaciones supervisoras de control, que se encargan de procesar la información y entregarla a la estación supervisora principal para ser desplegada en pantallas de computadores, reportes, alarmas, etc.
8.4
Opciones del Controlador Todos los controladores utilizados en control de procesos tienen opciones de configuración, de programación y de comunicación. Configuración:
Permite definir el tipo de control a realizar según la aplicación específica. Puede ser un lazo cerrado de control (PID, PI, P), transmisión de señales, generar alarmas, etc.
Programación:
Los controladores cuentan con un lenguaje especial de control que permite programar las instrucciones definidas en la configuración. Este lenguaje es propio de cada tipo de controlador. (En caso de controladores Bristol, Loader, Accol; en PLCs, Step5, Uni-telway, otros; controladores Taylor, PC30, etc.).
Comunicación:
La comunicación de datos en sistemas digitales distribuidos de control, es de vital importancia ya que permite que exista el sistema de control en tiempo real. La estructura típica, es : 1) nivel de terreno, 2) nivel de control de procesos, que contiene los algoritmos de control, 3) nivel supervisor, que contiene los algoritmos de control óptimo del proceso y los modelos matemáticos del proceso; y 4) nivel de administración, para la planificación de la producción, control, etc.
Para obtener transferencia de datos confiables entre los niveles de comunicación descritos, se utilizan redes de área local, seleccionadas para obtener los requerimientos en tiempo real del sistema de control.
8.5
Ajuste de Controladores: Las características en estado de régimen, las características transitorias y la estabilidad de un sistema de control pueden ser influidas por los parámetros de los controladores. Normalmente son sólo estos parámetros los que pueden ser elegidos libremente por el especialista en control, ya que las características de la planta y de los elementos de control primario y finales están dadas por la construcción del sistema. El proceso controlado por un sistema de control primario normalmente no es aislado, sino que forma parte de un conjunto de procesos que forma una
42
actividad industrial. Como tal, la salida de este control primario va a influir sobre otros procesos u otras variables del mismo proceso. Los valores óptimos de los parámetros del controlador son diferentes si se desea que el sistema responda óptimamente a variaciones en la referencia o si se desea que las perturbaciones tengan una influencia mínima en la variable controlada.
