Universidad Nacional Andrés Bello Facultad de Ingeniería Ingeniería civil en Metalurgia
IMET501: Laboratorio Nº1 de Flotación.
Caracterización hidrodinámica en celda de flotación.
Profesor de laboratorio : Sebastián Padilla Integrantes: Juan Carlos Espinoza Agüero Catalina Monsalve Gajardo William Zarricueta Rojas
Fecha entrega : 11 de mayo del 2017
Como objetivo general del laboratorio se plantea estudiar el comportamiento hidrodinámico de una celda de flotación a escala de laboratorio y determinar parámetros operacionales para pruebas flotación. Por otro lado, de forma más específica se busca analizar el efecto del flujo de aire sobre variables como el hold-up y velocidad superficial del gas, como también realizar u na estimación del tamaño de burbuja en función de los parámetros determinados en el laboratorio. Teniendo los objetivos claros, se procedió a realizar la práctica de laboratorio de “caracterización hidrodinámica de la celda de flotación”, haciendo en primera instancia las mediciones de la celda para calcular su volumen y luego introducir el agua para visualizar los cambios que ocurren en la celda con la variación de ½, ¼, y 1 apertura de llave, como también la concentración de espumante de 2,10,20 ppm. Finalizado esto, se obtuvieron los siguientes resultados:
Tabla 1: Volumen descendido de espuma con respecto a variables de concentración de espumante y apertura de llave.
A modo de conclusión general se determinó que según los datos obtenidos al momento de tener 1/4 de la llave abierta para el ingreso de aire ambiente a la celda el efecto que tuvo sobre el caudal de aire en el interior de la celda de flotación, fue en aumento paulatinamente dependiendo de la concentración del espumante, luego al analizarlos con la llave a 1/2 abierta tuvo un rápido crecimiento en los caudales de aire hasta un punto máx. de flujo a los 10 ppm de espumante, pero al seguir aumentando la concentración de espumante ocurre el efecto inverso al esperado, en vez de seguir aumentando este disminuye drásticamente por ultimo con la llave completa abierta para una pequeña cantidad de espumante el caudal de aire se incrementa aún mas rápido, pero al seguir con la experiencia aumentando el espumante no aumento como se esperaba tampoco dando un valor más bajo que el de 1/2 de la llave abierta.
ÍNDICE
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INTRODUCCIÓN
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MARCO TEÓRICO
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PROCEDIMIENTO
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RESULTADO Y DISCUSIONES
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CONCLUSIONES
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ANEXOS
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REFERENCIAS
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RECOMENDACIONES
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Las máquinas de flotación mecánicas son las de más amplio uso en la actualidad, se caracterizan por un impulsor (impeler) mecánicamente accionado el cual agita la pulpa y dispersa el aire que llega, en pequeñas burbujas. Las máquinas pueden ser auto aireadas, por la depresión creada por el impulsor que induce el aire, o superalimentadas en forma externa con ayuda de un compresor. En un banco típico de flotación hay un número determinado de estas máquinas en serie, y están separadas por vertederos entre cada impulsor, considerándose máquinas de “flujo abierto” (open-flow) o “flujo libre” (free-flow) que permiten virtualmente un flujo irrestricto de la pulpa al banco de celda. Los espumantes son reactivos tenso activos, que modifican la tensión superficial del agua y que producen una espuma estable. Una espuma consiste de un gas disperso en un líquido en una relación tal que la densidad aparente de la mezcla se aproxima más a la densidad del gas que a la del líquido. Al hacer pasar el aire a través de agua pura, no se produce espuma. Al agregar pequeñas cantidades de ciertos compuestos orgánicos como por ejemplo aceites, al soplar aire a través del líquido se crearán burbujas de aire en forma de pequeñas esferas que, al subir hasta la superficie del líquido, y antes de entregar su contenido de aire a la atmósfera, tratarán de detenerse en forma de espuma. El tamaño de las burbujas y su estabilidad dependerán de la cantidad de espumante agregado; con un aumento de la cantidad de espumante las burbujas mantendrán un diámetro pequeño al evitar su coalescencia, aumentando la estabilidad de la espuma, debido al mayor espesor de su película. Sin embargo, si se supera una cierta concentración la espuma desaparece completamente. Los productos más usados como espumante son: aceite de pino, ácido cresílico, alcoholes sintéticos como el Dowfroth 250, etc. Idealmente, el espumante actúa enteramente en la fase líquida y no tiene influencia sobre la superficie del mineral. En la práctica, sin embargo, hay una interacción entre el espumante, el mineral y otros reactivos, y la selección del espumante más apropiado para un determinado mineral podrá ser hecho recién después de un extenso trabajo de pruebas de laboratorio.
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La flotación se define como un proceso físico-químico mediante el cual se produce la separación de los minerales sulfurados del metal a recuperar del resto de los minerales y especies que componen la mayor parte de la roca original. La pulpa proveniente de la molienda, con los reactivos necesarios para la flotación ya incorporados alimenta a las celdas de flotación. En el fondo de las celdas se hace burbujear aire, no en todas, a través de las aspas de agitadores rotatorios ubicados uno por celda, lo cual mantiene la pulpa en constante agitación para permitir que todas las partículas de mineral dispersas en la pulpa mantengan el mejor contacto con los reactivos, el agua y el aire para que con ello el proceso de flotación se lleve a cabo en forma eficiente. Los reactivos, que se incorporan a la pulpa en la etapa de molienda para dar el tiempo de residencia que cada uno de ellos necesita para conseguir una pulpa homogénea a la entrada de la flotación, tienen diferentes naturalezas y cumplen distintas funciones, estos son espumantes, colectores, depresantes y modificadores de pH . Las burbujas de aire generadas con la agitación de la pulpa y el aire insuflado en el fondo de las celdas, arrastran consigo hacia la superficie los minerales sulfurados hacia donde rebasan por el borde de la celda hacia canaletas que las conducen hacia otras celdas, bombas o espesadores, desde donde esta pulpa es enviada a la etapa siguiente
Figura Nº1: Comportamiento de una partícula. La flotación contempla la presencia de tres fases: sólida, líquida y gaseosa. La fase sólida representa las materias a separar, la fase líquida es el medio para dichas separaciones y la fase gaseosa generalmente es aire inyectado en la pulpa en forma neumática o mecánicamente para poder formar las burbujas que son los centros sobre los cuales se adhieren las partículas sólidas. 4
De acuerdo a lo mencionado anteriormente, la flotación de los distintos minerales se basa en las propiedades hidrofílicas o afinidad por el agua e hidrofóbicas, afinidad por el aire de cada especie mineral de interés que se requiere separar de otras especies sin valor comercial, llamadas gangas. [1] Para entender mejor lo que acontece en la celda, previamente se describirán algunos conceptos.
Separación de burbujas: El agregado partícula-burbuja es separado de la mezcla suspensión-burbuja por levitación, formando una capa de espuma que finalmente rebalsa como producto concentrado. Idealmente las burbujas no son arrastradas hacia las colas donde se retira la ganga no flotada. En la práctica existe arrastre de burbujas finas, arrastre de mineral valioso a las colas, arrastre de ganga al concentrado y retorno de mineral valioso a la pulpa. [2]
Figura Nº2: Esquema real del proceso de flotación.
Espumante: En la flotación es necesario incorporar burbujas de aire las cuales al colisionar con las partículas de mineral manifiesten su avidez por el aire adhiriéndose a las burbujas. La estabilidad de la adherencia a la burbuja dependerá de la eficiencia del espumante. Además, dentro de los equipos se produce en forma espontánea coalescencia de las burbujas y estas crecen. El espumante modifica las ́ propiedades superficiales de la burbuja para reducir la coalescencia. Los líquidos puros (agua, parafina, alcohol etílico) no producen una espuma estable cuando se agitan con aire y las burbujas que se producen coalescen o colapsan muy rápido. Sin embargo, la adición de pequen as ̃ cantidades de substancias activas como alcoholes superiores, forman una espuma estable con la adición de aire disperso. La resistencia de la espuma dependerá de la intensidad en la interacción del espumante con el agua en la zona interfacial lıquido-gas. [2] 5
Flujo especifico de aire: El flujo de aire es una de las variables más importantes en el control del proceso de flotación en columna, por su gran influencia en la de estabilidad de la recuperación del mineral flotado. Dentro de los l ımites ́ columna, la recuperación del mineral flotado normalmente aumenta con el aumento del flujo de aire hasta alcanzar su valor máximo. Este aumento en la recuperación se debe al aumento del área superficial de las burbujas introducidas ́ en el equipo de flotación. Por otra parte, un aumento excesivo del flujo de aire puede perjudicar el proceso de flotación debido al incremento de la turbulencia, arrastre, y perdida de la interface. [2]
Hold-up de aire: El hold-up de aire corresponde a la fracción volumétrica de aire contenida en una determinada zona de la columna. Normalmente, el hold-up de aire se determina en la zona de colección y constituye un parámetro que depende del valor del flujo de aire, tamaño de burbujas, densidad de la pulpa, carga de s olidos ́ en las burbujas y la velocidad de descenso de la pulpa [30]. A través de esta medición es posible estimar el tamaño de las burbujas mediante modelos matemáticos. [2]
Tamaño de burbuja: El tamaño medio de las burbujas y su distribución son importantes en la flotación, debido a su efecto en la eficiencia de la colección y transporte de partículas. El uso de burbujas pequeñas, permite obtener niveles m as ́ elevados de cinética de colección y transporte de sólidos por volumen de aire. Por otra parte, las burbujas de tamaño muy reducido presentan una velocidad de ascenso baja pudiendo ser inferior a la velocidad de descenso de la pulpa, acarreando la perdida de partículas hidrófobas en el flujo de relave. Por lo tanto, existe un tamaño medio ideal de burbujas en función del tamaño medio de las partículas, que podrá ser ajustado a través de las variables operacionales del sistema de aireación y la adición de espumantes. El diámetro y la distribución de tamaño de las burbujas depende del tipo de generador de burbujas, de su operación y mantenimiento, del flujo de aire y de la adición de reactivo espumante. En columnas de flotación industriales, donde se controla el flujo de aire y se usan generadores de burbujas independientes del transporte y la dispersión de la pulpa, se han observado diámetros de burbuja en el rango de 0.5 − 2.0 [mm]. El uso de diámetros de burbuja pequeños favorece la captura y transporte de las partículas más finas. Sin embargo, asociado a la velocidad mínima de ascenso de la burbuja relativa al existe un l ımite ́ movimiento descendente de la pulpa. De esta forma, las burbujas de 0.2 − 0.4 [mm] o m as ́ pequen as ̃ no alcanzan a superar la velocidad mínima y son arrastradas a las colas, debido a la disminución de su velocidad terminal por efecto del enjambre de burbujas y la carga mineral. Además, la generación de burbujas muy pequeñas aumenta la retención de gas en la zona de colección y aumenta el arrastre de pulpa a la espuma, llegando a perder la interface, lo que favorece el arrastre de partículas finas al concentrado. [2] 6
Para la realización de una correcta experiencia, se comenzó por la organización del material necesario para realizar la experiencia, como celda Denver, probetas de 100 ml y 250 ml, dosis de espumante, propipeta, además de los elementos de protección personal (zapatos de seguridad, lentes, guantes, capa).
Paso 1) Fue medir el volumen de la celda (alto, ancho y largo) con regla, debajo de 1 cm del rebose. Para poder medir el hold-up (volumen de burbuja que ocupa dentro de la celda).
Paso 2) Llenar la celda con agua hasta la línea dibujada (1 cm bajo el rebose). Paso 3) Comenzar las pruebas, llenando una probeta de 250 ml con agua Paso 4) Introducir la probeta, previamente tapada con una mano y dentro de esta soltarla manteniéndola durante 20 segundos dentro.
Paso 5) Retirar la probeta y medir la cantidad de volumen de agua que bajó en la probeta. Paso 6) Volver a realizar el paso 3, 4 y 5 con dosis de 2, 10 y 20 ppm, variando el flujo de aire en ¼ llave, ½ llave y llave completa.
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Desde los datos experimentales descritos en laboratorio número 1, se pudieron obtener las siguientes conclusiones dentro de la celda de flotación:
Al compararse la primera prueba con la celda sin RPM, además sin flujo de aire (llave cerrada), con la celda solo con RPM (sin flujo de aire). El delta de volumen descendido en ml fue de 6, dando a entender que el primer factor influyente en este proceso son las revoluciones por minuto en la cual se encuentre dicha celda.
Al comenzarse con las pruebas con flujo de aire (1/4 llave, 1/2 llave y llave completa), pero sin espumante, se compararon las 3 experiencias, dando a conocer que el flujo de aire tuvo un mayor impacto al pasar de 1/4 de llave abierta a 1/2 llave abierta, en comparación al abrir la llave de ½ a llave completa.
Efecto de la seccion de llave abierta 400
] n i m / 300 3 m c [ 200 e r i A e 100 d l a d 0 u 0 a C
0,25 0,5 1 2
4 6 8 0 2 4 6 8 0 2 1 1 1 1 1 2 2
Espumante [ppm]
Gráfico Nº1: Efecto de la apertura de la llave.
A lo largo de toda la experiencia el volumen descendido de l a probeta iba en aumento en cada aumento de espumante (ppm), excepto cuando se le agregaron 20 ppm, ya que en esa cantidad de espumante el volumen de agua descendido disminuyo para ½ llave y llave completamente abierta respectivamente. De esto se concluye que luego de una determinada cantidad de espumante, este comienza a descender su importancia dentro del proceso de concentración, es decir, si se sigue agregando espumante, solo se convertirá en una pérdida de material y en consecuencia en un costo sin remuneración.
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Efecto de la concentracion de espumante 140
] L m120 [ o 100 d i d 80 n e 60 c s e 40 D n 20 e m 0 u l o 0 V
0 ppm 2 ppm 10 ppm 20 ppm 0.25
0.5
0.75
1
Llave Abierta
Gráfico Nº2: Efecto de la concentración [ppm] de espumante.
Al tener un exceso de espumante (1,2 ml) se pudieron observar varios fenómenos físicos dentro de la celda Denver, uno de ellos fue, la adhesión de pequeñas burbujas de oxigeno pegadas por el interior de la probeta. Solo con encender la celda y que comenzaran a funcionar las RPM, se produjo una cantidad abundante de espuma, observándose que el nivel de agua se redujo notablemente dentro de la celda, en consecuencia, la cantidad de espuma fue proporcional a esta (la mayor parte de volumen que era ocupado por agua, se completó con burbujas mientras estaba abierta la llave).
En relación a la estimación del tamaño de burbuja dependiendo de los parámetros descritos en el laboratorio se puede observar en el gráfico Nº3 que entre 5-7,5 ppm de espumante la burbuja se encuentra estable y no existe coalescencia entre ellas.
Tamaño de Burbuja vs Concentracion de Espumante 5 4
] m3 m [ 2 2 3 D
1 0 0
2.5
5
7.5
10
12.5
15
17.5
20
22.5
25
27.5
Espumante [ppm]
Gráfico Nº3: Tamaño de burbuja en relación a los [ppm] de espumante. 9
Según los datos obtenidos al momento de tener 1/4 de la llave abierta para el ingreso de aire ambiente a la celda el efecto que tuvo sobre el caudal de aire en el interior de la celda de flotación, fue en aumento paulatinamente dependiendo de la concentración del espumante, luego al analizarlos con la llave a 1/2 abierta tuvo un rápido crecimiento en los caudales de aire hasta un punto máx. de flujo a los 10 ppm de espumante, pero al seguir aumentando la concentración de espumante ocurre el efecto inverso al esperado, en vez de seguir aumentando este disminuye drásticamente por ultimo con la llave completa abierta para una pequeña cantidad de espumante el caudal de aire se incrementa aún mas rápido, pero al seguir con la experiencia aumentando el espumante no aumento como se esperaba tampoco dando un valor más bajo que el de 1/2 de la llave abierta.
Un exceso de espumante generalmente tendrá características muy efervescentes, mientras que muy poco espumante producirá normal- mente burbujas con apariencia acuosa
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Para cálculo de flujo de aire en [cm/min]
Tabla Nº2: Calculo flujo de aire en [cm3/min]
El tiempo utilizado fue de 20 segundos para cada prueba, por lo tanto:
20seg× 6 = 0,33 (1) Teniendo nuestro tiempo en minutos se procede a calculas el flujo de aire, el cual se muestra a continuación.
= (2) A modo de ejemplo de cálculo, para una apertura de llave de 0,5 y concentración de espumante de 2 [ppm] el volumen descendido fue de 40 cm3, por lo tanto
[ ] = , = (3)
Para cálculo de caudal de aire por sección [cm3/min]/pulg2 se procedió de similar manera
Tabla Nº3: Calculo flujo de aire por sección [cm3/min)/pulg2.
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Primero se midió el diámetro de la probeta obteniéndose 3,5 cm. Según formula de área se obtuvo 38,48 cm2, como se muestra
() =×1,75 = 38,48 2
(4)
Sabiendo que 1cm2 equivale a 0,155 pulg2, se realiza la transformación obteniendo 5,97 pulg2.
= 5,97 2 38,48 2× ,
(5)
Determinada ya el área en las unidades requeridas, se calcula el flujo de aire por sección con los datos obtenidos en tabla Nº2 y cálculos realizados en (3). Para obtener tabla Nº3.
( min ) (6) á
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[1] Portal Minero. (abril, 2006). Manual general de Minería y Metalurgia. Santiago, Chile: {2} Portal Minero Ediciones. Juan Yianatos. (2005). Flotación de minerales. Chile:
UTFSM.
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Al momento de introducir la probeta de 250 ml en la celda, con una concentración de espumante de 20 ppm, se obstaculizo la medición, ya que la probeta no era lo demasiado grande para medir la disminución del volumen en el tiempo de 20 segundos, y al intentar usar una de 1000 ml no se pudo introducir en la celda. Por lo que como recomendación se considera tener más opciones de implementos para facilitar la experiencia.
Uno de los objetivos del laboratorio era ver la velocidad de agitación, lo cual no se puede llevar a cabo ya que no podemos variar las RPM de la celda, factor muy importante para el análisis hidrodinámico. Una opción sería ya que la celda no tiene incorporado un sistema de medición de RPM, medir los RPM estándar de la celda.
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