mineralurgia III

PROCESAMIENTO DE MINERALES – MINERALURGIA III.

MSc. Ing. Nataniel Linares G

CAPITLO VI

6.1.

OBJETIVO.

Al concluir el estudio de este capítulo, el estudiante quedará capacitado para manejar correctam ente las operaciones de espesamiento, filtrado, secado de concentrados y deposición de relaves a nivel de laboratorio y a escala industrial o en la Planta Concentradora.

6.2.

INTRODUCCIÓN.

En procesamiento de minerales, las operaciones de separación sólido-líquido se clasificar en tres tipos: 1. Operaciones que dependen de la la sedimentación libre y acelerada de partículas finas y son:    

La clasificación (Clasificador) El espesamiento (Espesador). Depósitos de recuperación de partículas finas (cochas). Deposición de relaves. (relaveras o canchas de relaves).

2. Operaciones que dependen de la presión. 

La filtración (Filtro)

3. Operación que depende de la temperatura. 

El secado (secador)

Estas operaciones de separación sólido-líquido, tienen como objetivo la eliminación de agua contenida en los productos finales (concentrados, relaves) o intermedios de una Planta Concentradora. Esquemas típicos de estas operaciones se muestran en las figuras 6.1 y 6.2. Alimento Pulpa con 10 a 20 % de sólidos Filtro de discos

Concentrado húmedo Hu = 15 %

Espesador

Sumidero Agua con concentrado fino

Bomba Concentrado seco 6 % Hu

Poza de recuperación de concentrado fino (cocha)

Secador de solera

Agua clara

Fig. 6.1. Etapas de separación sólido-líquido de un concentrado en pulpa. 1



Agua clara recuperada

Relave Espesador Hidrociclón

Bomba Bomba

Hidrociclón A relleno hidráulico

Repulpador Bomba

Agua clara

Arenas

Relavera

Rebose o finos

Fig. 6.2. Etapas de separación separación sólido-líquido del relave. relave.

6.3.

ESPESAMIENTO.

El espesamiento es una operación metalúrgica unitaria que ocurre por sedimentación de las partículas y consiste en separar u obtener de una suspensión de partículas sólidas (baja concentración de sólidos) dos productos, por efecto de la gravedad:  

Un líquido claro o agua limpia sobrenadante que rebosa. Una pulpa o lodo denso, que contiene una concentración de sólidos sólidos más alta que que la pulpa alimentada.

Como podemos ver, el espesamiento se fundamenta en la sedimentación libre de partículas pequeñas en un volumen total de partículas, la cual predomina cuando el porcentaje de sólidos es menor a 15%.

Para el efecto, consideremos una partícula esférica de diámetro “d” y una densidad “ s” que cae por gravedad en un fluido viscoso de densidad “ l”, bajo condiciones de asentamiento libre, es decir, que

cae idealmente dentro de un fluido de extensión infinita. En tal circunstancia, sobre la partícula actúan tres fuerzas:   

2

Una fuerza gravitacional (F), debida a la gravedad hacia abajo. Una fuerza flotante hacia arriba (F´), debida al fluido desplazado, y Una fuerza de arrastre D, que actúa hacia arriba.



Agua clara recuperada

Relave Espesador Hidrociclón

Bomba Bomba

Hidrociclón A relleno hidráulico

Repulpador Bomba

Agua clara

Arenas

Relavera

Rebose o finos

Fig. 6.2. Etapas de separación separación sólido-líquido del relave. relave.

6.3.

ESPESAMIENTO.

El espesamiento es una operación metalúrgica unitaria que ocurre por sedimentación de las partículas y consiste en separar u obtener de una suspensión de partículas sólidas (baja concentración de sólidos) dos productos, por efecto de la gravedad:  

Un líquido claro o agua limpia sobrenadante que rebosa. Una pulpa o lodo denso, que contiene una concentración de sólidos sólidos más alta que que la pulpa alimentada.

Como podemos ver, el espesamiento se fundamenta en la sedimentación libre de partículas pequeñas en un volumen total de partículas, la cual predomina cuando el porcentaje de sólidos es menor a 15%.

Para el efecto, consideremos una partícula esférica de diámetro “d” y una densidad “ s” que cae por gravedad en un fluido viscoso de densidad “ l”, bajo condiciones de asentamiento libre, es decir, que

cae idealmente dentro de un fluido de extensión infinita. En tal circunstancia, sobre la partícula actúan tres fuerzas:   

2

Una fuerza gravitacional (F), debida a la gravedad hacia abajo. Una fuerza flotante hacia arriba (F´), debida al fluido desplazado, y Una fuerza de arrastre D, que actúa hacia arriba.



D F’

F

El balance de fuerzas puede escribirse del siguiente modo: mg  m g  D  m

Donde: m m´ v g

= = = =

dv dt

(6.1)

Masa de la partícula. Masa del fluido desplazado. Velocidad de la partícula. Aceleración debida a la gravedad.

Expresando la masa en función del volumen y de la densidad tenemos: 4

4 4 dv  r 3  s g   r 3  l g  D   r 3  s 3 3 3 dt

Cuando la partícula alcanza la velocidad terminal, dv/dt = 0 y por lo tanto:  d 3 g   s   l   D 6

(6.2)

(6.3)

El físico inglés, Stokes, atribuyó que la fuerza de arrastre sobre una partícula esférica se debe enteramente a la resistencia viscosa y dedujo la expresión: D  3 d  v

(6.4)

donde: 

= Es la viscosidad del fluido.

v

= Es la velocidad terminal.

Luego sustituyendo en la ecuación (6.2) se obtiene: 3 d  vt 

 6

gd 3   s   l 

y vt 

gd 2   s   l  18

(6.4)

que se conoce como la ley de Stokes. Esta ecuación también se escribir en la forma: 3



vt  kd 2

(6.5)

que al tomar logaritmos a ambos miembros se obtiene: log log vt  log log k  2 log d

(6.6)

la cual representa una línea recta, que describe el asentamiento bajo la ley de Stokes o bajo de condiciones de flujo laminar, donde la viscosidad del fluido es la que da la resistencia al flujo.

6.3.1.

EQUIPO DE ESPESAMIENTO. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El espesamiento es una operación metalúrgica principal, cuyo objetivo es separar, mediante la sedimentación, parte del agua de una suspensión, de modo que se obtenga dos productos: Una pulpa de mayor concentración de sólidos que el alimento el cual es generalmente de baja concentración de sólidos, denominado underflow o lodo y un flujo de agua clara que rebosa por la parte superior del equipo que raras veces contiene pequeñísimas cantidades de sólidos. El espesamiento se realiza en aparatos denominados “ Espesadores ” que tradicionalmente son

recipientes de forma cilíndrica con fondo en forma de cono de ángulo grande.

Alimento Rebose de agua clara Rastra o Rastrillo Descarga o Lodo Under flow

Fig.6.3. Esquema de un espesador. El diámetro de un espesador continuo varía de 2 a 200 m y la profundidad de 1 a 7m. Los tanques espesadores se construyen de acero, concreto o una combinación de ambos, donde el acero resulta más barato en los tamaños con diámetros menores de 25 m. Generalmente el fondo del tanque es plano, mientras que los brazos mecánicos se inclinan hacia la descarga central. En los espesadores de tamaño más grande son más comunes las bases y lados de concreto, así como también el piso es vaciado en concreto, inclinado de acuerdo a la pendiente de los brazos del rastrillo. Recientemente han entrado en servicio los espesadores con fondo del propio terreno, por lo tanto, son más baratos. En los espesadores de aproximadamente 180 m de diámetro, el mecanismo impulsor está soportado sobre una columna central estacionaria de concreto o acero y en la mayoría de los casos, los brazos de las rastrillos están sujetos a una jaula impulsora que rodea a la columna central y se conecta al mecanismo impulsor y los sólidos espesados se descargan a través de un canal anular que rodea a la columna central. En la figura 6.5 se muestra en forma ilustrada una sección transversal de un espesador, indicando cada una de sus zonas de sedimentación gravitacional.

4



Fig. 6.4. Zonas de sedimentación en un espesador A continuación se definen cada una de las zonas de sedimentación del espesador continuo:  

 



Zona A: Zona de clarificación, donde se tiene agua clara o con mínima cantidad de sólidos que fluye hacia arriba y rebosa por la canaleta periférica del espesador. Zona B: Zona de sedimentación, a la cual ingresa la pulpa que se desea espesar a través de un sistema que evita la turbulencia, originando una zona con contenido de sólidos similar al de la alimentación. Zona C: Zona de transición, en la que la pulpa se concentra en condición intermedia entre la sedimentación y la de compresión, es decir, entre la zona B y la zona D. Zona D: Zona de compresión, denominada así porque los sólidos eliminan parte del agua por compresión para luego ser descargados por la parte central inferior del espesador.

PARTES ELEMENTALES DE UN ESPESADOR.

A continuación se describen cada uno de los componentes más importante de un espesador prototipo, y en los casos en que estos componentes requieren de intervención del operador se explica en que consiste, en la Figura 6.5 que se presente se explican sus componentes:

5



Fig. 6.5. Componentes de un Espesador Tipo Puente. 

Anillo de alimentación (Pozo de Alimentación)

El objetivo de este sistema es el de disipar la energía de movimiento de la corriente de alimentación, para causar que ésta entre al estanque en una condición relativamente tranquila y además proveer los medios de introducir la pulpa a una profundidad apropiada en el espesador si se desea. Ver Figura 6.6. Salida de agua Alimento

Entrada de floculante

Descarga de pulpa

Fig. 6.6. Anillo caja de Alimentación

6



Esta unidad fue diseñada para permitir que la alimentación ingrese al espesador con la turbulencia mínima y una distribución uniforme, disipando la mayor parte de la energía cinética. La pulpa ingresa al espesador a través de un tubo o canal suspendido del puente. Para evitar un exceso de velocidad, el canal abierto suele tener una pendiente no mayor a 2%. La pulpa debe entrar al canal con una velocidad que evite la acumulación de arena en la entrada. La alta turbiedad causada por la desviación de la alimentación hacia el sobreflujo se puede reducir al aumentar la profundidad del pozo de alimentación. Los pozos poco profundos se pueden utilizar cuando la claridad del sobreflujo no es importante, la velocidad del sobreflujo es baja o la densidad de los sólidos es considerablemente mayor que la del agua. En conclusión: "La caja de alimentación" es la encargada de evitar la turbulencia del flujo de carga que alimenta al espesador, impide que la pulpa sea retirada por el arrastre del flujo de rebose (overflow) con lo que se mejora el funcionamiento del espesador y ordena el ingreso de carga al espesador, aumentando su efectividad. 

Tanque del Espesador.

Este elemento provee el tiempo de residencia para producir la sedimentación de los sólidos. El fondo inclinado le da movimiento a los sólidos concentrándolos hacia el punto de descarga (en el centro). Consiste en un estanque cilíndrico terminado en forma cónica, éste puede ser fabricado de madera, metal, Hormigón armado, etc. Ver Figura 6.7. Estanque

Fig. 6.7. Estanque del Espesador En consecuencia: El "estanque de sedimentación" permite colectar y producir la sedimentación de la pulpa en un espesador. 

Brazos y Rastra del Espesador. Estos brazos pueden cumplir 3 objetivos distintos:   

Mover los sólidos sedimentados hacia el punto de descarga. Mantener un grado de fluidez en el espesador para asegurar una remoción hidráulica. Incrementar la concentración de sólidos en el "underflow" formando canales para que el agua sea separada de los sólidos que están sedimentando en la zona de compresión.

Fig. 6.8. Muestra algunos Componentes del Espesador. 7

PROCESAMIENTO DE MINERALES – MINERALURGIA III. 


Brazos y Rastras o rastrillos.

Este mecanismo de arrastre o de rastrillos ayuda a desplazar los sólidos sedimentados hasta el punto de descarga. Estos mecanismos se diseñan para aplicaciones específicas y suelen tener dos brazos largos, con rastrillos y en forma opcional, dos brazos cortos para las unidades con el mecanismo apoyado en un puente o una columna central. Las unidades de tracción tienen generalmente un brazo largo y tres cortos. Existen 2 tipos de brazos de arrastre:  

Brazo tradicional (Acción hacia adentro). Ver Figura 6.9. Se utiliza en las unidades apoyadas en un puente. Brazo de doble pendiente. Se utilizan en espesadores de mayor diámetro que el tradicional. Ver Figura 6.10.

Fig. 6.9. Brazos tradicionales (acción hacia adentro).

8



Fig. 6.10. Se muestran distintos tipos de brazos. 

Rastras. Realizan una función similar a la de los brazos inclinados para que los sólidos del "Underflow" puedan ser descargados. Estas rastras tienen 3 objetivos distintos   



Mover los sólidos sedimentados hacia el punto de descarga. (en el centro) Mantener un grado de fluidez en el espesador para asegurar una remoción hidráulica. Incrementar la concentración de sólidos en la descarga formando canales para que el agua sea separada de los sólidos que están sedimentando en la zona de compresión.

Rebose del líquido clarificado, (Overflow).

El objetivo es colectar los líquidos clarificado desde un canal de rebase periférico, para después ser enviado por la bomba centrífuga hasta el estanque de recuperación de agua industrial y/o canal de relave.

Rebose

Fig. 6.11. Muestra descarga periférica del Overflow. 9



El mejor diseño práctico es para una velocidad uniforme del "overflow" alrededor de la periferia del estanque. En forma característica, el efluente clarificado se elimina por medio de un canal periférico, localizado dentro o fuera del tanque. El efluente entra al canal al sobrefluir un vertedero plano o con muescas en "V", o mediante orificios sumergidos en el fondo del canal. Las velocidades no uniformes de sobreflujo, causadas por el paso del viento sobre la superficie del líquido en los espesadores grandes se puede controlar mejor si se utilizan vertederos sumergidos con orificios o muescas en "V". Los canales radiales se emplean cuando se requiere de un flujo de líquido ascendente y uniforme. La capacidad hidráulica del canal debe ser suficiente para evitar la inundación, que puede causar la desviación de la alimentación, con el consecuente deterioro en la claridad del sobreflujo. Ver fotografía 6.7. El canal del overflow (rebase) permite colectar el liquido clarificado fuera del espesador y mediante los equipos necesarios recuperar este elemento para ser reutilizado nuevamente en el proceso de la Planta (por ejemplo la concentradora). CANAL DE REBALSE

Fig. 6.12. Muestra el canal de rebalse o la salida del Overflow. 

Sistema Motriz de los Brazos y Rastras.

Este sistema provee la fuerza necesaria para mover los brazos inclinados y rastras contra la resistencia de los sólidos espesados. Ver Figura 6.13.

Fig. 6.13.Mecanismo Impulsor de los Brazos y Rastras. 10



Se debe disponer del Torque o par motor suficiente en el mecanismo impulsor de los rastrillos para permitir que dicho mecanismo se mueva a través del precipitado y, cuando se requiera, arrastre los sólidos a la salida del underflow. 

Motor del Mecanismo de Impulsión de las Aspas.

El montaje de la unidad motriz es el componente clave de una unidad de sedimentación, ya que este proporciona. (Vea Figura 6.14): 

La fuerza necesaria para mover los rastrillos a través de la pulpa espesada y para desplazar los sólidos sedimentados hasta el punto de descarga.



La capacidad adecuada de reserva para soportar perturbaciones y sobrecargas temporales.



Un control confiable que protege al mecanismo de daño cuando se presenta una sobrecarga importante. En forma característica, los mecanismos de impulso proporcionan la medición de torque indicado en el mecanismo, que puede ser transmitida a un indicador a distancia. Si el par motor se vuelve excesivo puede activar automáticamente los dispositivos de seguridad, como una alarma sonora, la elevación de los rastrillos, o bien, detener el mecanismo. Esto no se da en todas las unidades de espesamiento.

Fig. 6.14. Prototipo de Mecanismo de impulsión y Elevación. 

Mecanismo de Elevación de la Rastras.

El Mecanismo de Elevación de la Rastras. Tiene como objetivo aliviar la carga sobre el motor de impulsión cuando ocurre una sobre carga por un deposito en exceso de sólido en el fondo del espesador y por ende sobre los rastrillos. Esto normalmente se debe a dos causas, (Vea Figura 6.13):  

Aumento de la carga de entrada al espesador. Disminución de la salida de pulpa del espesador, (salida de carga gruesa).

Provee los medios para levantar los brazos del rastrillo fuera del contacto con los sólidos más concentrados para reducir la demanda de la fuerza del impulsor. 11



El suministro de fuerza para mover el volante puede ser de dos maneras:  

Suministro de fuerza mediante un motor. Suministro de fuerza manual por acción del operador.

Cuando el mecanismo de control de carga del espesador detecta un mayor esfuerzo en la impulsión de los rastrillos, suena una alarma, el operador deberá en este caso actuar: a) b) c) d)

Evacuar un mayor caudal de pulpa aumentando la velocidad del equipo de bombeo. Disminuyendo la recirculación. Si ninguna de estas recomendaciones anteriores da resultado, levante los rastrillo mientras normaliza la situación. Si el sistema motorizado falla, hágalo en forma manual. En caso de no solucionar la evacuación de carga del espesador, detenga el ingreso de nueva carga, para evitar seguir agravando la situación, avise a su supervisor.

El levantador de aspas, (brazos), operará mientras los brazos inclinados estén rotando. Los dispositivos de elevación pueden ser manuales para espesadores de diámetro pequeño o motorizados para espesadores de gran diámetro. Los dispositivos manuales de elevación constan de un volante y un tornillo sin fin para elevar o bajar el mecanismo de rastrillos en una distancia que por lo general varía entre 30 y 60 cm. (1 a 2 pies). Los mecanismos de elevación motorizados están diseñados para permitir una elevación vertical del mecanismo de rastrillos hasta de 90 cm. (3 pies). El dispositivo de elevación tipo plataforma eleva todo el mecanismo de rastrillos e impulsor hasta 2,5 m. (8 pies) y se utiliza para aplicaciones en las que se espera un valor excesivo del torque o cuando se desea almacenar los sólidos en el espesador, es necesario aclarar que no todas las unidades de espesamiento cuentan con un mecanismo de levante, por lo que será necesario informarse acerca de las unidades presentes en el área de trabajo específica. Se puede concluir que si este mecanismo* de impulsión falla o se detiene el espesador corre el peligro de embancarse por el proceso que ocurre en su interior, provocando serios problemas si el operador no actúa a tiempo y hace lo correcto, la solución optima es poner en marcha nuevamente el equipo, dejando la carga tomada por el mecanismo de impulsión en su nivel normal, esto último se hace levantando o bajando las aspas. 

Tablero de Control

El tablero de control es el medio que permite controlar eléctricamente el funcionamiento del motor, su carga y alarmas correspondientes. Estos tableros están provistos de botones de comandos Partir Parar los cuales mediante lazos de control se transforman en ordenes de operación. Ver Figura 6.15. Luz Roja: “Detención”

PARAR

Luz Verde: “Funcionando”

PARTIR Alarma Sonora RESET

Fig. 6.15. “Comandos Partir - Parar”

12

Fig. 6.16 “Panel de Luces”



Además están provistos de Paneles de Luces que cumple la función de Avisar mediante luces el actual régimen de operación del equipo y en caso de emergencia con una alarma sonora: Luz Roja Luz Verde Alarma Sonora

: Problemas en el espesador. : Operación Normal. : Emergencia.

Se concluye que el panel de alarmas es un dispositivo de control que permite al operador manipular el espesador respaldado por los parámetros detectado por la instrumentación instalada en el espesador. Este equipo está provisto de un pequeño panel de alarma que indica cuando el espesador está en problemas. Este panel consiste de dos luces, una Roja de Emergencia y una luz Verde de operación normal, además posee un botón de color negro para aceptar la alarma apagando la bocina. Las posibles señales de alarma del espesador se muestran a continuación. Luz Roja Espesador Detenido por cualquier causa: Corte energía, motor quemado, Salto de la protección por fluctuación momentánea de la carga, suciedad de contactores, suciedad de los motores eléctricos recalentando las protecciones electromagnéticas las cuales se verán activadas. Espesador Detenido por la operación: Sobrecargas, pulpa muy densa, mal regulado el mecanismo de carga y arrastre. Luz Verde. Señales de advertencia normales a la operación. Alarma Sonora. Avisar con tiempo que el espesador está aumentando la carga y se está poniendo pesado, para que el Operador tome las providencias del caso. Espesador parado mucha carga salta el automático del motor eléctrico. Botón de Reconocimiento (Reset). Acepta la alarma sonora dejando silenciada, también es llamado botón de alarma aceptada o Reset. 

Control automático del proceso.

En lo que respecta al control automático, o mejor dicho, la filosofía de control de un espesador del tipo de alta velocidad utiliza dos lazos de control discreto simple, a saber:  

Mantener una capa o cuerpo de masa constante mediante la variación de la descarga del underflow. Mantener un nivel constante del cuerpo, variando la velocidad de adición del floculante.

Los equipos de control del proceso son: Un detector del nivel de cuerpo de masa sedimentante.  

Monitorea continuamente la interfase sólido-líquido y da una señal del grado de floculación en el cuerpo de sólidos. Utilizado para controlar la velocidad de la bomba de floculante.

Un transductor de presión.  

Mide la presión creada por la masa de sólidos en el tanque Utilizado la velocidad de la bomba del underflow.

13


Fig.6.17. Sistema de control Supaflo

Fig.6.18.Sensor de nivel Multronics

Fig.6.19. Sistema de control Foxboro 14




Fig. 6.20. Instalación de espesadores continuos. 

VARIABLES OPERACIONALES DE UN ESPESADOR CONTINUO.

Las variables de operación de un espesador continuo más importantes son: o o o o o o o

Densidad de la pulpa de la descarga o underflow. La velocidad de la descarga de la pulpa espesada. La dosificación de los floculantes cuando éstos se utilicen. El inventario de sólidos en el tanque. La velocidad de alimentación de sólidos. Las restricciones que limitan el torque mecánico del mecanismo giratorio de rastrillos. Control operacional de la velocidad de flujo en el equipo.

A continuación haré un análisis de cada una de estas variables: Una alta densidad de pulpa en la descarga afecta a la operación de la siguiente manera:    

La bomba no impulsa adecuadamente, tendiendo a obstruirse y entrega un caudal reducido o podría dejar de impulsar a esta pulpa. Sobrecarga del motor eléctrico que mueve a impulsor de la bomba, que al retirar más corriente de la línea activa los sistemas de protección eléctrica. La pulpa muy gruesa puede decantarse en la tubería impidiendo el paso de la descarga del espesador. Sobrecarga de la fuerza de impulsión necesaria para mover los rastrillos, se activan las alarmas de sobrecarga del espesador haciéndose necesario levantar las aspas o brazos o aumentar la evacuación de carga del espesador.

En estos casos podemos recurrir a las siguientes soluciones:   



Adicionar agua de sobre-flujo para diluir la pulpa saliente por el cono de descarga del espesador, aumentando el transporta al incrementar la velocidad de la bomba. Poner más bombas en servicio para aumentar la descarga de pulpa del espesador. Levantar los brazos para disminuir por el momento el arrastre de carga hacia el cono de descarga y permitir su evacuación mediante las bombas, luego de normalizado el evento, proceder a bajar las aspas a su posición normal. Cortar la pulpa hacia el espesador, para incrementar la evacuación de carga y de este modo bajar la concentración de la pulpa y será más fácil su transporte.

La velocidad de extracción de la pulpa por la descarga del espesador es una de las variables de cómo el operador puede controlar la densidad de pulpa. En consecuencia, de esto se concluye que: 

A mayor velocidad de evacuación de la pulpa del espesador por el cono de descarga en dirección al proceso siguiente, disminuye su velocidad debido a que la velocidad de sedimentación es casi fija cuando el inventario de carga ya está en equilibrio, en otras palabras retiramos más pulpa de la que se está sedimentando, esto trae como consecuencia su dilución, es decir disminuye su densidad. 15





Una menor velocidad de flujo de la pulpa de salida, aumenta el tiempo de permanencia de la carga dentro del espesador incrementando la posibilidad de un mayor espesamiento o densidad de la carga. La disminución de la velocidad de flujo puede ser crítica cuando no es lo suficiente para mantener las partículas en movimiento, produciendo su decantación en medio de transporte, provocando obstrucción en él.

En la dosificación de los floculantes, el floculante tiene como objetivo aumentar la velocidad de sedimentación del espesador, por tanto, su alimentación debe ser cuidadosa por lo siguiente:   

Si se coloca una mayor dosis de floculante que la requerida por el proceso, incrementa los costos durante la operación. Si se coloca una menor dosis de floculante, disminuye la eficiencia del material sedimentado en el espesador disminuyendo la producción objetivo y deja en evidencia una mala operación. El operador deberá ser cuidadoso con el manejo de este reactivo, porque su uso de forma equivocada afecta a la operación de la Planta Concentradora.

El inventario de sólidos en el tanque, es una variable que tiene que ver con la capacidad del operador de operar el espesador en un régimen estable sin perturbaciones de ninguna especie, para ello hay que sincronizar lo siguiente:     

La recepción de carga de acuerdo con la capacidad de diseño del espesador. La evacuación de pulpas de acuerdo a los requerimientos operacionales. La evacuación de los sobreflujos. La adición de reactivos. La posición de los brazos, normalmente en su punto más bajo.

La velocidad de alimentación de pulpa es también una variable controlada por el operador mediante la alimentación al espesador y normalmente se controla en un cajón repartidor de carga asignándole un flujo o carga de trabajo a cada espesador en operación en la Planta Concentradora. El flujo de entrada al espesador estará de acuerdo con la capacidad de tratamiento de este equipo, puede ocurrir lo siguiente durante esta fase de la operación: 



Ingreso de menos flujo que la capacidad nominal del espesador, en este caso conseguir la densidad deseada para la operación adecuada de los filtros requerirá más tiempo, lo que hace más lento el proceso. Ingresar más flujo que la capacidad del espesador puede ocurrir rebalse de líquido con sólido, sobrecarga de los equipos de transporte, mayor desgaste de equipo por pasar la capacidad nominal de diseño, posible acumulación de carga dentro del espesador, obligando al operador a levantar los brazos. En este caso, el operador deberá avisar a su supervisor y tomar las medidas del caso hasta que pase esta emergencia.

Las restricciones que limitan el torque mecánico del mecanismo giratorio de rastrillos, ello se debe a que el producto resultante de la acción de mover los brazos por sobre el fondo del espesador trae consigo el consumo de una cierta cantidad de energía, en hacer el trabajo de arrastrar la carga sedimentada hacia el cono de descarga, vencer el roce de los mecanismos internos del sistema de propulsión, las cuales traen consigo algunas restricciones y para evitar problemas que estas puedan ocasionar durante la operación se debe hacer lo siguiente:     

16

No sobrecargar el espesador. La capacidad del mecanismo impulsor, está dada y no puede ser sobrecargada sin que actúen los sistemas de protección Hacer un adecuado mantenimiento, puesto que una adecuada lubricación disminuye notablemente la carga originada por el roce de los mecanismos impulsores. Mantener las variables de operación dentro de los rangos de diseño, no pedir al sistema que haga más de lo que fue diseñado. Mantener los brazos del rastrillo en su punto más bajo, es decir, se debe evitar mantener cargas acumuladas en el interior del espesador. Mantenga las bombas trabajando a régimen normal para mantener un inventario de carga normal.



Fig. 6.21. Espesador de relaves de una Planta Concentradora de cobre. 

BALANCE DE MASA EN UN ESPESADOR.

El balance de masa del espesador es una operación muy fundamental para asegurar su buen funcionamiento, debido a los flujos que se manejan es necesario mantener siempre el control con respecto a densidad y caudal los cuales están directamente relacionados.

Flujos Consideremos al espesador como una caja a la cual entran y salen flujos de acuerdo a la figura 6.22. Flujo #1 Alimento de Pulpa Feed

Flujo # 3 Rebose de agua clara Overflow Flujo # 2 Descarga de lodo Underflow

Fig.6.22. Diagrama de Flujos en una Espesador. Vemos que la idea del balance masa o material (flujo #1), es mantener en equilibrio los flujos de entrada con respecto a los de salida, en este caso, los flujos # 2 y # 3.

Densidad de los flujos. Un análisis especial requiere el tema de la densidad el cual se gráfica mejor con los siguientes ejemplos: Ej. Nº 1, condiciones: - Flujo alimentado

= 100 m3/h

- Densidad de alimentación

= 2050 Kg/m3

- Porcentaje de sólido en la alimentación

= 65%

- Densidad de descarga

= 2300 Kg/m3

- Porcentaje de sólido en la descarga

= 72% 17


QF = 100 m /h DpF = 2050 Kg/m3 CwF = 65 %


FLUJO DE ENTRADA O ALIMENTACIÓN FLUJO # 1 ¿...? m /h

FLUJO # 2

DpU = 2 300 Kg/m Cw = 72% ¿...? m3/h

Fig. 6.23 Datos para el Balance de Materia en el Espesador.

Cálculos: a) Determinación toneladas/hora de alimentación. Alimentación = 100(m3/h) x 2050 (Ton/1000 Kg) = 205 (Ton/h). b) Determinación de cantidad de concentrado y agua en la alimentación. Cantidad de sólido = 205 (Ton/h) x 65/100 = 133 (Ton/h) Cantidad de agua = 205 (Ton/h) - 133 (Ton/h) = 72 (Ton/h) c) Determinación de toneladas / hora totales de descarga Descarga = 133 (Ton/h) x 100/72 = 185 (Ton/h) d). Determinación del flujo de descarga de acuerdo a la densidad pedida. Flujo descarga = 185 (Ton/h) / (2300(Kg/m3) x (Ton/1000 Kg) = 80 (m3/h) e) Determinación del flujo descartado por el rebose. Del paso número 3 se calcula que el agua que se va en la descarga es: Agua en la descarga = 185 (Ton/h) - 133 (Ton/h) = 52 ( Ton/h) Del paso número n°2 la cantidad de agua que viene a la alimentación es: Agua en la alimentación = 72 (Ton/h)

por lo tanto:

Agua en el rebose = 72 (Ton/h) - 52 (Ton/h) = 20 (T on/h) Como la densidad del agua es 1 (Ton/m 3), por lo tanto: Agua en el rebose = 20 (m3/h) Esto equivale a 5.5 (l/s).

Conclusión: Si tenemos una alimentación de 100 m 3/h con un porcentaje de sólidos de 65% y una densidad de 2050 Kg/m3, y deseamos descargar del espesador una densidad de 2300 Kg/m 3 con un 72% de sólidos el flujo de descarga deberá ser de 80m3/h. A continuación se presenta una tabla, en la cual se varia la densidad de alimentación y la de descarga para ver de que manera estos cambios afectan al flujo de descarga. 18


ENTRADA 100 m3 /h. 2050 Kg/m3. 65% de sólido

SALIDA 2300 Kg/m3. 72% de sólido

FLUJO CALCULO 80 m3 /h.

100 m3 /h. 1850 Kg/m3. 59% sólido

2300 Kg/m3. 72% de sólido

66 m3 /h.

100 m3 /h. 2050 Kg/m3. 65% de sólido


90 m3 /h.

100 m3 /h. 2050 Kg/m3. 65% de sólido

2400 Kg/m3. 72% sólido

73 m3 /h.

100 m3 /h. 2050 Kg/m3. 65% de sólido

6.3.2.



94 m3 /h.

DIMENSIONAMIENTO DE UN ESPESADOR.

El dimensionamiento y selección de un espesador consiste en determinar dos dimensiones: 1. El área transversal del espesador (diámetro). 2. La altura o profundidad del espesador. Además de estas dimensiones, el dimensionamiento y selección de un espesador debe considerar el requerimiento de energía, de espacio, velocidad del rebose, tiempo de retensión, accesorios del espesador y factores económicos. 

DETERMINACIÓN DEL ÁREA DEL ESPESADOR.

Tanto el área como la altura, pueden ser determinadas por diversos procedimientos, algunos de los cuales son los siguientes: a) Pilotaje continuo en espesadores pequeños de la misma altura que el prototipo. b) Pruebas semi-continuas, que se realizan en columnas. c) Pruebas de sedimentación discontinua en probetas de laboratorio. De estos, las pruebas de sedimentación discontinua son de fácil ejecución, debido a que requieren de muy poca muestra y originan información que al ser elaborada correctamente permite el diseño del espesador. En efecto, existen los siguientes métodos para la determinación del área transversal de un espesador:    

Método de Coe y Clevinger. Método de Talmaje y Fitch. La construcción de Oltmann. Método de Moncrieff.

Estos métodos requieren que las pruebas se lleven a cabo en cilindros graduados (probetas) de no menos de un litro de capacidad. La muestra inicial alimentada debe mezclarse completamente y 19



luego dejarse en reposo y como los sólidos sedimentan, la posición turbia es medida y ploteada para cada tiempo, tal como se muestra en las figuras 6.24 y 6.25.

Fig. 6.24. Diferentes etapas de la sedimentación. A = Agua clara, B = pulpa que sedimenta, D = sólidos compactados. (a)

(b) Velocidad de sedimentación

Altura H

R

dH 

dt

1

2

1 2

3

3 t 1

t 2

tiempo

t 1

t 2

tiempo

Fig. 6.25. Curvas de sedimentación. Para obtener resultados confiables, debe cuidarse que las muestras tomadas sean representativas y que la temperatura de la pulpa en el laboratorio de investigación sea similar a la esperada en el campo o lugar de instalación del equipo. 

MÉTODO DE COE Y CLEVENGER .

Este método fue propuesto en el año de 1916 por los investigadores H.S.Coe y G.H.Clevenger, ahora poco utilizado, en parte porque fue ideado antes de la aparición de los floculantes sintéticos y porque requiere de una serie de pruebas de sedimentación discontinua. Es más adecuado para pulpas no floculadas.

20



Las pruebas se basan en la obtención de datos de velocidad de sedimentación para una serie de diluciones de pulpa entre la del alimento y una concentración conveniente en la zona de compresión. Esto conlleva a la determinación del flujo crítico del espesador. El área del espesador se puede calcular de la expresión:

1 1   C  Cu  A 

(6.7)

R

Donde: A C Cu R

= = = =

Area unitaria del espesador (m2/d/t). Concentración inicial de la prueba (t/m3). Concentración requerida en la descarga (t/m3). Velocidad de sedimentación inicial (m/d).

El área unitaria se calcula para cada dilución y se toma la velocidad de flujo más baja para propósitos de diseño. Como la concentración en función de la dilución es: C 

1 D

(6.8)

reemplazando en la ecuación (6.7) se obtiene: A  

D  Du R

(6.9)

MÉTODO DE TALMADGE Y FITCH.

Este método se fundamenta en la teoría de la sedimentación de Kynch (1952) utilizada por Talmadge y Fitch de la Door-Oliver Co. Para determinar el área unitaria de un espesador. Este método generalmente es más aceptado porque da resultados razonables bajo condiciones compatibles con la práctica. Una sola prueba de sedimentación discontinua proporciona los datos suficientes. Se plotea altura turbia versus tiempo, como en el caso anterior y luego se identifica el punto de compresión. Este es el punto en la curva donde la velocidad de sedimentación del lodo comienza a disminuir debido a las fuerzas físicas de compresión en la pulpa. Generalmente está indicada por un cambio en la pendiente de la curva en el punto de compresión, juntamente con una línea horizontal que representa la concentración deseada de la descarga. Donde, la altura Hu de la pulpa sedimentada correspondiente a aquella concentración de la pulpa requerida se calcula de:

HoCo  HuCu

(6.10)

Donde: Ho Co Hu Cu. Cu

= Altura de pulpa inicial en el cilindro (cm). = Concentración inicial de la pulpa (g/l). = Altura de la línea de lodo (cm) correspondiente a la concentración de la descarga, = Concentración de la descarga (g/l).

Como es de verse, con los datos de una prueba de sedimentación, se plotea el gráfico de la figura 6.26. A partir de ella podemos determinar el área requerida por el espesador, la cual está dada por: A 

tu Ho * Co

(6.11) 21


Donde: A tu Ho Co

= = = =


Area unitaria del espesador (m2/d/t de sólido). Tiempo de la descarga (días). Altura inicial de la pulpa (m). Concentración inicial de la pulpa (t/m3). Ho

m c , a i b r u t a r u t l A

Construcción de Oltmann

H Punto crítico o de compresión Hu Ty tu Tiempo de sedimentación, min

Fig. 6.26. Muestra las curvas de sedimentación para Talmadge & Fitch y Oltmann. Si hay duda acerca de la posición del punto de compresión, como suele ocurrir, puede construirse una serie de tangentes y calcular sus áreas para cada posición y tomar la velocidad de flujo más baja para propósito de diseño. 

CONSTRUCCIÓN DE OLTMANN.

Es una modificación de Talmadge & Fitch desarrollada empíricamente por Oltmann de la DorrOliver. Da resultados parecidos o cercanos a el método de Coe-Clevinger pero depende del aceleramiento o rapidez de la identificación del punto de compresión y tiende a sobre-estimar la capacidad del espesador. Utilizando los datos de una prueba de sedimentación simple, se dibuja una línea desde el origen de la curva Ho y pasa a través del punto de compresión (PC) para luego intersecar a la línea de densidad de pulpa requerida Hu. De aquí se traza una línea vertical para intersecar al eje de tiempo en Ty que es menor a tu y se le denomina tiempo de descarga de Oltmann. Luego el área requerida por el espesador está dada por: A  

Ty Ho * Co

(6.12)

TORQUE.

El torque requerido del sistema accionador está determinado por la fuerza necesaria para mover el mecanismo de arrastre (rastra o rastrillo) de toda la pulpa espesada. Este depende de la densidad esperada en la descarga y de algunas características especiales de la pulpa tales como el grado de tixitropía, forma de la partícula o carga magnética. Luego el torque de arranque máximo requerido está dado por: T  14,6kD 2 Donde: T 22

= Torque (Kg.m).

(6.13)


D 14,6


= Diámetro (m). = Es un factor de conversión de unidades inglesas a m´tricas.

El factor k depende del rendimiento, del área del espesador y de las características de los sólidos. Los valores de k se muestran en la tabla 6.2 que se muestra a continuación.

Tabla 6.2. Factores que afectan la selección del torque Trabajo Área unitaria m2/d/t Descarga % de sólidos Alimento % -m200 Alimento % +m65 S.G de sólidos Valor de k 

Ligero >60

Estándar 10 - 60

Medio 2 - 20

Duro 0,3 - 10

Extraduro < 0,3

< 5

5 - 25

25 - 50

25 - 60

60 - 70

66 - 100

65 - 100

65 - 100

40 -56

< 40

0

1

2-3

3-5

< 4,0

1,0 – 2,6 2 – 7

1,5 – 3,0 7 - 13

1,5 – 3,0 10 - 15

2,5 – 4,0 13 – 20

> 4,0 > 20

DETERMINACIÓN DE LA PROFUNDIDAD O ALTURA DE UN ESPESADOR.

La altura o profundidad de un espesador es aquella comprendida entre el borde de rebose y la abertura de descarga. Esta altura está formada por las alturas correspondientes a la zona de compresión, inclinación del fondo, almacenamiento por interrupciones, zona de sedimentación y zona de clarificación, las que son fijadas por la experiencia del Ingeniero de diseño o por características de fábrica, a excepción de la altura de la zona de compresión que es una variable que debe ser determinada mediante pruebas experimentales y que condicionará el tiempo de retención de los sólidos en el espesador, así como la concentración en la descarga (Cu). Tradicionalmente se ha identificado la zona de compresión en una prueba de sedimentación por una discontinuidad en la pendiente de la curva de sedimentación, según se muestra en la figura 6.27 o haciendo más notoria esta discontinuidad mediante un gráfico log(H) versus log(t), según se muestra en la figura 6.28.

H

Zona de R constante

Zona de Kynch = R = f(c)

Zona de compresión; R /= f(c)

t Segunda discontinuidad

Primera discontinuadad

Fig. 6.27. Curva de sedimentación y discontinuidad en la zona Kinch y de compresión.

23



log H Zona de R constante

Zona de Kinch

Zona de Compresión

log t Segunda discontinuida d Primera discontinuida d

Fig. 6.28. Discontinuidades mediante el gráfico log H vs log t Una manera de calcular esta altura es por el método de Roberts, quien en 1949, utilizando el concepto de Coe y Clevinger de que la concentración en la descarga es una función del tiempo en que la pulpa permanece en la zona de compresión, planteó un método para determinar la altura de compresión de los espesadores que pueden utilizarse para pulpas metalúrgicas. El método asume lo siguiente: 1. La altura de compresión en un espesador, es aquella comprendida entre el nivel en que las partículas entran en compresión y el nivel en que las partículas adquieren la concentración a la cual se descarga el lodo. 2. El tiempo en el cual la pulpa pasa de una concentración crítica a la concentración de la descarga en una prueba discontinua, será igual al tiempo de retención de los sólidos en un espesador continuo. 3. La velocidad con que se elimina el agua desde la pulpa comprimida es en todo tiempo proporcional al agua remanente. El tercer planteamiento se origina al observar el comportamiento de la curva de sedimentación en la etapa de compresión en la que si se plotea ln(H - H ) vs tiempo, se obtiene una línea recta de la forma:

 ln( H  H  )  B  kt tal como se muestra en la figura 6.29. Donde: H - H = Es la altura de agua factible de eliminar luego de un tiempo t. H

= Es la altura de la pulpa a un tiempo de retención infinito.

Derivando la ecuación 6.14 respecto al tiempo se obtiene: 24

(6.14)

PROCESAMIENTO DE MINERALES – MINERALURGIA III. 1 H  H 



dH

dt (6.15)


dH  kdt

 k ( H  H  )

donde H puede transformarse a dilución si se multiplica por el área de la probeta y luego dividir por el peso de sólidos contenidos en ella (constante).

) o H H ( n l

B Zona de compresión

C Tiempo

Fig. 6.29.

 AH   ws    k  AH  AH     dt ws   ws

d 



d ( D) dt

 k ( D  D )

(6.16)

donde el término dD/dt representará la velocidad de eliminación del agua, puesto que: Peso de líquido D = -------------------------Peso de sólido

Peso de líquido final – Peso de líquido inicial y D =------------------------------------------------------------Peso de sólido

Y el término: Peso de líquido al tiempo t - Peso de líquido al tiempo infinito D - D = -----------------------------------------------------------------------------------Peso de sólido Representa el agua factible de eliminar que permanece en la pulpa luego de un tiempo t. Integrando la ecuación 6.16 se obtiene: D

dD

Di

D  D



t

  kdt 0

25

PROCESAMIENTO DE MINERALES – MINERALURGIA III. D  D Di  D


 e kt

(6.17)

Donde Di es la dilución a la cual se inicia la compresión. Una solución alternativa es integrando la ecuación 6.15, de la cual se obtiene: H  H  Hi  H 

 e kt

(6.18)

donde Hi es la altura a la cual se inicia la compresión y el tiempo t se toma como cero. En la figura 6.30 se observa que la curva cumple con la ec. 6.17 sólo en el tramo BC, que es aquel en el cual todos los sólidos están en compresión, pero esta no se inicia en el punto B sino en un anterior al cual se denominará `punto de compresión crítico. Para el efecto trazamos la curva tal como se muestra en la figura 6.31 que es similar y de mayor generalidad que la figura 6.29.

Ho

I

Ho´ Hi B

C

ti

Tiempo (minutos)

Fig. 6.31. Determinación de la altura crítica Hi Para determinar la altura crítica será necesario extrapolar la recta BC hasta el tiempo cero al cual corresponderá una altura Ho’. Si por el punto medio del segmento HoHo’ se traza una horizontal, ésta

cortará la curva en el punto I. A partir de él, se baja una perpendicular que al cortar a la recta extrapolada, originará el punto (ti,Hi). Hi corresponde a la altura a la altura crítica y ti será el tiempo en que se inicia la compresión, el cual deberá considerarse igual a cero. Conocidos Di y D , el volumen de la zona de compresión para una tonelada métrica de sólidos puede calcularse por: Vc  V 1  V 2  V 3 Donde V1 26

= Es el volumen ocupado por los sólidos.

(6.19)


V 1 

V2

T


(m 3 )

(6.20) d s = Es el volumen de agua asociado a los sólidos a la dilución de tiempo infinito (D).

V2 = TD (m3) llegar

V3

(6.21)

= Es el volumen de agua que será eliminada desde la concentración crítica hasta a la dilución de la descarga (Du).

V 3 

T



0

 D  D dT (m )  D  D 3

m3 Día

(6.22

Para integrar la expresión 6.22 es necesario utilizar la expresión 6.17. Esto es:

( Di  D

V 3 

 k

kt

0

 kt T 0

( Di  D  D  D 

V 3 

V 3 

T

 e dt e 

V 3  ( Di  D )

 k Di  Du k

Du

    Di D  Do

; (m 3 )  Do  Di

(6.23)

Reemplazando 6.20, 6.21 y 6.23 en 6.19 se obtiene: Vc 

T ds

 TD 

Di  Du k

Di  Du  m3  1  T   D  ; kT  t / día  ds

Conociendo el área unitaria y el volumen del espesador, la altura de compresión (hc) podrá calcularse por: Vc  A * hc hc 

Vc A



T  1

A  ds

 D 

Di  Du  ;(m) kT 

(6.24)

ESPESADORES DE ALTA CAPACIDAD. Los espesadores convencionales tienen la desventaja de requerir grandes áreas de terreno puesto que la producción depende sobre todo del área, mientras que la profundidad es de menor importancia. En los últimos años han aparecido espesadores de alta capacidad. Existen muchas variedades y las máquinas se caracterizan por una reducción del área unitaria en las instalaciones convencionales. El espesador de alta capacidad fue desarrollado por la Enviro-Clear Company, Inc.. Estos espesadores se basan en el siguiente principio: 1. La pulpa alimentada entra al espesador por una tubería lateral horizontal a la zona de clarificación. 2. En esta línea es floculada. 27



3. La pulpa floculada entra a la zona activa de sedimentación a una velocidad controlada en la dirección horizontal. Mecanismo hidráulico del rastrillo

Alimento

Rebose Under flow

Fig. 6.32. Espesador de alta capacidad Enviro-Clear. Tabla.6.3. Características de operación y aplicación de los espesadores de alta capacidad.

ESPESADOR DE ALTA VELOCIDAD SUPAFLO (OUTOKUMPU MINTEC). Otros espesadores de este tipo son los Espesadores de alta velocidad Supaflo, el cual tiene las siguientes características: 

Cámara de aireación.



Plato deflector.



Nivel de lecho de sólidos controlado.



Alta capacidad por área unitaria.



Tamaño pequeño.



Tiempo corto de retención.



Reciclaje del underflow opcional.



Rebose claro.

28



Fig. 6.33. Dimensiones típicas de un espesador de alta velocidad Supaflo.

ESPESADOR DE PLACAS. Este espesador de SALA INERNACIONAL, utiliza un juego de placas paralelas inclinadas que reducen la distancia de asentamiento y al mismo tiempo el área efectiva. El requerimiento de espacio de piso del espesador de placas es de sólo el 20% del espesador convencional. Las bandejas paralelas inclinadas permiten que los sólidos asentados se deslicen por gravedad hacia el interior de una tolva; por consiguiente, el área efectiva de asentamiento es la proyección horizontal de esas bandejas, es decir: Aefectiva  nA cos

(6.25)

Donde: N A 

= Número de bandejas. = Área superficial de cada placa o bandeja. = Ángulo entre las bandejas y el plano horizontal.

El banco de bandejas o lamelas se vibran en forma intermitente o continua cuando trata lodos pegajosos. La alimentación entra al espesador a través de una caja de alimentación sin fondo en un punto que determina la relación entre las áreas de clarificación y espesamiento. El área debajo de la salida de la caja de alimentación se destina al espesamiento mientras que el área superior es para la clarificación. El líquido de la descarga fluye hacia arriba y se extrae a través de cajas especialmente diseñadas, proporcionando así una distribución uniforme del flujo entre las placas. 29



Fig. 6.34. Espesador de placas y su principio de operación.

6.4. FILTRACIÓN. La filtración es una operación metalúrgica utilizada en procesamiento de minerales para separar sólidos de un líquido (agua) usando un medio poroso que retiene el sólido (mineral) pero permite pasar el líquido o filtrado. Los factores que afectan la velocidad de filtración incluyen: La caída de presión. El área de la superficie de filtración. La viscosidad del filtrado. La resistencia de la torta del filtro. La resistencia del medio filtrante y de la capas iniciales de la torta.

    

La filtración puede llevarse a cabo en dos formas básicas:  

La filtración a presión constante. La filtración a velocidad o a volumen constante.

6.4.1.

EQUIPOS DE FILTRACIÓN.

Los filtros de torta son el tipo de más uso en procesamiento de minerales por tratarse grandes cantidades de material (concentrados) en forma de pulpa. Estos pueden clasificarse en:  

Filtros de presión. Filtros de vacío.

Los filtros d e presión para operación intermitente y continua, se utilizan más en la industria química y pocas veces adaptados a procesamiento de minerales. Son capaces de operar hasta 1621,2Kpa, tal como los filtros de presión Larox de la LAROX OY y los filtros Cerámicos de Acción Capilar de la OUTOKUMPU MINTEC OY. Aunque estrictamente hablando, estas máquinas no son continuas, más bien, recorren automáticamente el ciclo formado por una serie de operaciones. 

FILTROS LAROX.

El filtro LAROX a presión es una buena solución a los problemas de desaguado. El secreto o la clave es el diseño ingenioso que utiliza la gravedad y la presión de agua, en una operación totalmente automática y sin movimiento continuo de sus partes. Esto es: o

30

Cada etapa de filtración tiene lugar simultáneamente en todas las cámaras del filtro.


o

o

o

o


Las partes se mueven solamente durante el cerrado y apertura de las cámaras y durante la descarga del queque. Necesita operador solamente para poner en funcionamiento la unidad, una vez en marcha, el filtro repetirá todas la etapas de filtración una a una automáticamente. El queque extremadamente seco es descargado completamente, sin necesidad de un operador. El lavado de la tela por ambos lados es automático durante la operación.

El filtro LAROX se muestra en la figura 6.35. y sus etapas en la figura 6.36.

Fig.6.35. Filtro LAROX y su instalación. ETAPAS DE FILTRADO EN UN FILTRO LAROX. En un filtro LAROX se pueden observar las siguientes etapas: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Inicio del proceso de filtración. La presión produce más flujo del filtrado. Lavado automático del queque. Presión después del lavado Soplado de aire para secar aún más el queque. Descarga automática del queque.

31



Fig. 6.36. Etapas de la operación de filtración LAROX. BENEFICIOS. Entre los beneficios que podemos mencionar son: 1. Queque con sólidos secos conteniendo hasta 94%. 2. Ciclos de filtración tan cortos como de 6 minutos. 3. Eficiencia de lavado de arriba del 97% con el más bajo posible de consumo de líquido de lavado. 4. Filtrado claro. 5. Reducción arriba del 70% en costo/t desaguada. 6. Necesita operador solamente para el arranque de la unidad. 7. Reduce el espacio requerido. 8. Expandible; arriba del 100%, si es necesario, para adición de cámaras. 9. Diseño simple por arriba del 95% de la disponibilidad del filtro. 10. Transporta automáticamente el queque fuera de cada cámara.

FILTRO CERÁMICO CAPILAR A PRESIÓN POSITIVA (HIPERBÁRICO). La Tecnología CERAMEC  está disponible para aplicaciones que requieren altas diferencias de presión para maximizar la separación sólido-líquido. Mediante el mismo principio de acción capilar, el filtro de presión positiva de acción capilar CERAMEC PC proporciona 3 bar de sobrepresión con la misma simplicidad en diseño y operación que da el filtro CERAMEC convencional o a vacío. Tal como la filtración a vacío CERAMEC CC, la clave en la filtración a presión CERAMEC PC es la construcción microporosa e los discos de alúmina sinterizada. El filtro CERAMEC  está encerrado en un tanque de presión, donde la presión de operación puede ajustarse para alcanzar la humedad residual deseada la cual aumenta la capacidad 2 a 3 veces a los obtenidos por los de vacío. Ver la figura 6.37.

BENEFICIOS Los ahorros de costos por tonelada ofrecidos por la tecnología de filtración a presión CERMAEC PC son dramáticos cuando se comparan a los filtros de presión convencional. Entre ellos tenemos:   

32

Queque de sólidos muy seco y alta capacidad, eliminando la necesidad de secado térmico adicional. 90% menos energía por aire comprimido debido a la estructura microporosa capilar de los discos del filtro. No requiere de telas el filtro, eliminando el tiempo de reemplazo de las telas de los sectores del filtro.

PROCESAMIENTO DE MINERALES – MINERALURGIA III.     


Filtrado limpio de partículas. Simple sistema de cierre de aire diseñado para fácil operación y servicio. Descarga de sólidos y lavado del queque asegurado. Operación no contaminante por seguridad ambiental. Ofrece bajos costos de operación con unidades integradas y compactas.

Fig.6.37. Diagrama de filtro de Discos hiperbárico CERAMEC.

OPERACIÓN DE ESTE EQUIPO. El filtro de presión positiva CERMAEC PC consiste de un filtro CERMAEC encerrado dentro de un tanque de presión proveído con un confiable sistema de cierre de aire para descargar el queque. El acceso de servicio se proporciona a través de una puerta de acceso. La filtración comienza con cierre y presurizamiento del tanque. La pulpa es entonces alimentada a la cubeta o tolva de pulpa mediante una bomba de desplazamiento positivo. Como los discos rotan a través de la pulpa, el queque sólido se va formando en ambos lados de los platos del filtro. Cuando los discos rotan salen de la pulpa, se produce el lavado (opcional) y secado del queque. Luego los sólidos del queque son descargados por medio de cuchillas (ecrapers) alineados en ambos lados del disco y caen por gravedad a una faja transportadora la cual transporta el sólido al sistema de descarga. El sistema de descarga es de tipo semi-continuo, el cual consiste de dos válvulas selladas neumáticamente, las cuales operan automáticamente de acuerdo a la presión de operación y flujo de sólidos. La limpieza de los platos del filtro tiene lugar automáticamente después de cada rotación del disco del filtro y puede ser suplementado con ácido y limpieza ultrasónica como sea necesario. Todas las funciones relacionadas a la operación del filtro y limpieza son programadas y controladas por un PLC. 33



FILTRO DE TAMBOR A PRESIÓN. La Westch ha diseñado un filtro de Tambor instalado dentro de un tanque de presión. La simplicidad de la operación combinada con los bajos costos de mantenimiento hace al filtro de tambor de vacío el esqueleto del proceso de filtración industrial. Los nuevos procesos y las regulaciones medioambientales están demandado filtros para manejar sólidos más finos y materiales difíciles de filtrar. Los filtros a presión involucra manejar estas aplicaciones, pero ello sacrifica simplicidad y bajos costos de mantenimiento. Los filtros de tambor a presión WesTech superan las limitaciones del filtro de vacío convencional impuesto por la presión atmosférica y operan a presiones arriba de 100 psi. Las altas presiones de operación permiten a los filtros de tambor a presión WesTech filtrar materiales ultrafinos. Como la mayoría de aplicaciones de filtración son sensibles al tiempo de secado, la WesTech lo único que utiliza es la baja Submergencia/alta velocidad del filtro de tambor. La operación de filtros de baja submergencia permite ciclos de secado más largos, produciendo las más bajas humedades del queque y las más altas velocidades del tambor aumentando las velocidades de filtración.

Fig. 6.38. Filtro de tambor a presión. 34



CARACTERÍSTICAS.        

Alimentación continua y operación, descarga discontinua automática. Alta velocidad de captura. Sistema de control automatizado. Bajos costos de mantenimiento. Presiones de operación arriba de 100 psi. Utiliza lavado del queque. Alta velocidad de filtración de ultrafinos. Más bajos costos de capital por tonelaje de producto filtrado.

VENTAJAS.   

Los filtros de tambor a presión WesTech produce humedades del queque de 10 a 20% más bajo que los filtros de vacío de disco o tambor con aumento de su capacidad. Las humedades más bajas evitan los costos de secado, transporte y deposición. El filtro de tambor a presión WesTech está diseñado con la versatilidad de un filtro de tambor a vacío. El filtro de tambor a presión WesTech tiene la flexibilidad para responder a los requerimientos cambiantes de los procesos de hoy día.

OPERACIÓN. El Filtro de Tambor a Presión utiliza las ventajas de filtración continua de los filtros de vacío de disco o de tambor con la adición del beneficio de presión de operación más alta. El ambiente de filtración es primero presurizado. El alimento al filtro es presurizado mediante el uso de una bomba centrífuga dual la cual alimenta la pulpa al filtro de tambor. Los controles automatizados ajustan la velocidad del filtro de tambor y la submergencia del tambor para optimizar la humedad del queque y la velocidad de filtración. A alta presión el soplado instantáneo es utilizado para descargar el queque seco desde el tambor. El queque del filtro es alimentado a una cámara con cierre de aire de donde es descargado desde el medio ambiente de alta presión. Las válvulas de la puerta corrediza dual son utilizadas para cerrar la puerta a alta presión y descargar el queque. Estas válvulas son equipadas con sellos inflados los cuales proveen un servicio seguro bajo las condiciones más severas. Durante el ciclo de descarga, el filtro de tambor continúa filtrando. Una vez que el ciclo está completo, el queque filtrado entra en la cámara de descarga. Los fi lt ro s d e vac ío son aún de mayor uso en las Plantas Concentradoras de nuestro País, en lo que se refiere a procesamiento de minerales, los cuales todos ellos incorporan un medio filtrante convenientemente soportado sobre un sistema de drenaje, debajo del cual la presión se reduce al conectar a un sistema de vacío. Los filtros de vacío pueden ser intermitentes o continuos, siendo estos últimos los que más se utilizan en procesamiento de minerales y son de tres clases: 1. Filtros de Tambor. 2. Filtros de disco. 3. filtros horizontales. El F i l tr o d e T a m b o r es en esencia un tambor cilíndrico que gira estando sumergido parcialmente en un tanque abierto cuyo fondo es curvo donde se alimenta la pulpa la cual es agitada por un dispositivo móvil. El diámetro del tambor es de 1 a 4.5m, con áreas de filtración de 1 a 80 m 2. La periferia del tambor se divide en compartimientos, cada uno de los cuales tiene varias líneas de desagüe que pasan a través de 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 medio filtrante está herméticamente fijada alrededor de la superficie del tambor, que gira a baja velocidad entre 0,1 a 0,3 RPM, pero para materiales de libre filtración hasta 3 RPM. A medida que gira el tambor, cada compartimiento efectúa el mismo ciclo de operaciones y la duración de cada uno se determina por la velocidad del tambor y la colocación de la válvula. El ciclo normal de operaciones consiste de filtración, secado y descarga, pero es posible introducir otras operaciones dentro del ciclo básico, tales como lavado de la torta y limpieza de la tela. 35



Fig. 6.39. Partes internas y externas de un filtro de tambor convencional. Se utilizan varios métodos para descargar los sólidos desde el tambor, dependiendo del material que se esté filtrando. La forma más común es hacer uso de soplado inverso de aire que eleva la torta de manera que se puede sacar o desprender con una cuchilla de jebe o caucho, sin que ésta haga contacto real con el medio filtrante ( tela o lona).

Fig. 6.40. Filtro de tambor en operación e instalación de batería de filtros de tambor. La capacidad de la bomba de vacío se determina principalmente por la cantidad de aire que se succiona a través de la torta durante los periodos de lavado y secado cuando, en la mayoría de los casos, haya un flujo simultáneo de líquido y aire. En la figura 6.41 se muestra un esquema típico de instalación de un filtro de vacío de tambor.

Fig.6.41. Esquema típico de instalación de un filtro de tambor rotatorio. 36



El pie o barra barométrica que se aprecia en la figura 6.41, debe estar cuando menos a 10 m de alto para impedir que el líquido sea succionado hacia el interior de la bomba de vacío. Los f i l t r o s d e d i s c o tienen un funcionamiento similar a los filtros de tambor rotatorio, que en esencia constituye de una serie de discos instalados a intervalos regulares a lo largo de un eje hueco. Cada disco está dividido en sectores que van cubiertos por el medio o tela filtrante. Los discos y elevan la torta por arriba del nivel del lado y carga a ambos lados, después la torta se seca por succión y luego se descarga mediante un soplado de aire con ayuda de un separador. Los filtros de discos pueden tener de 1 a 12 discos, los cuales pueden ser hasta de 5 m de diámetro, proporcionando alrededor de 30 m2 de superficie filtrante por disco. Los discos pueden tener de 12 a 30 sectores, siendo estos últimos de mayor rendimiento. Los filtros de discos son los más baratos y compactos de los filtros continuos.

Fig.6.42. El filtro rotatorio convencional de discos y sus partes. Un filtro de discos que ha revolucionado la filosofía de filtrado a vacío, es el Filtro Cerámico de acción capilar CERAMEC, El disco filtrante CERAMEC, cuya ventaja es que el disco ceramec no permite el paso del aire a través de la placa filtrante, conllevando a un mínimo consumo de energía sin producir ninguna contaminación medioambiental.

queque Medio Filtrante

Estructura soporte

Fig. 6.43. Medio filtrante CERAMEC. El disco presenta microporos que crean el efecto de acción capilar (figura 6.43). Debido a la tensión superficial entre el agua y el material de alúmina sinterizada hidrófilo poroso, a un cierto diámetro de poro, los poros no son vaciados del agua contenida en ellos. La fuerza capilar en el poro es mayor que la aplicada por el vacío y el poro permanecerá lleno de líquido. El fenómeno capilar se basa en la ley de Young-Laplace, la cual establece que los poros de un cierto diámetro causan un efecto capilar debido a la tensión superficial y el ángulo de contacto del líquido. 37



Accionador del agitador

Válvula de distribución

Accionamiento principal

Limpiador ultrasónico

Panel de control

Bomba de vacío Colector de filtrado

Fig. 6.44. Filtro de discos Ceramec y sus partes. El filtro de discos Ceramec trabaja en forma continua y automática, que al rotar da origen a 6 etapas que son: 1. Formación del queque. Ya que los discos microporosos rotan por la pulpa, la acción capilar comienza inmediatamente sin fuerza externa. La bomba de vacío crea un vacío casi absoluto que atrae el líquido a través de los discos a las líneas de filtrado. Los sólidos se acumulan rápidamente en el exterior de los discos, pero su estructura microporosa impide tanto a los sólidos como al aire penetrar la superficie del disco.

2. Lavado del queque (opcional). El líquido de lavado es pulverizado uniforme y cuidadosamente sobre los sólidos del queque, continuando el efecto de Acción Capilar. Este proceso retira filtrado adicional o impurezas, logrando un auténtico lavado de reposición, proporcionando alta eficacia de lavado con el menor consumo de líquido de lavado y la menor contaminación del filtrado. 3. Secado del queque. Dado que los discos siguen rotando, la acción capilar continua de forma ininterrumpida a través de la superficie de los discos hasta que todo el líquido libre sea retirado de los sólidos. El resultado es un queque excepcionalmente seco, usando sólo una pequeña fracción de la energía requerida por los sistemas convencionales de filtración. 4. Descarga del queque. Los raspadores retiran el queque de los discos dejando una fina capa (heel) de sólidos en la superficie del disco. Esta capa protectora actúa como protección contra la abrasión mecánica reduciendo los requerimientos de mantenimiento y prolongando la vida del disco. 5. Retrolavado. Durante esta fase, el filtrado se utiliza para lavar los discos, retirando el queque residual y limpiando la estructura microporosa de los discos. Este retrolavado mantiene la excepcional eficacia de filtración de filtración de los discos, asegurándoles una vida larga y libre de problemas. El retrolavado es automático y ajustable para cada aplicación individual. 6. Limpieza automática periódica. El diseño del filtro Ceramec presenta un sistema de limpieza ultrasónica automática para los discos, que los mantiene al más alto nivel de eficacia operativa. El sistema de limpieza ultrasónica puede ser utilizado según y como sea necesario sobre una base sistemática o 38



periódica, solo o en combinación con limpieza química. Se puede complementar el retrolavado sistemático, cuando sea necesario, con limpieza química. Este sencillo y automático ciclo de limpieza está controlado por el panel de control del sistema y normalmente es muy rara vez, si es que lo es alguna, necesario. Se pueden usar productos químicos seleccionados según los requisitos de aplicación.

Fig. 6.45. Etapas de filtrado en un filtro de discos. Descarga del queque de los discos cerámicos.

6.4.2. MEDIO FILTRANTE. Para los filtros convencionales, la selección correcta del medio filtrante es una parte esencial de la operación eficiente de los filtros, puesto que además de retener los sólidos, hay otros factores que son importantes, por tanto, un buen medio filtrante debe:     

Tener la capacidad de puentear los sólidos a través de los poros. Tener una baja resistencia al flujo de filtrado. Evitar el acuñamiento de partículas en los poros, lo cual aumenta significativamente la resistencia al flujo. Tener resistencia al ataque químico. Tener resistencia suficiente para soportar la presión de filtración y el desgaste mecánico. 39



Permitir la eficiente descarga de la torta.

Los medios filtrantes de uso común son:      

6.4.2.

Tejido de algodón o lona. Fibra de vidrio. Telas metálicas. Telas de nylon. Tela dacrón. Otros tejidos sintéticos.

TEORÍA BÁSICA DE LA FILTRACIÓN.

Para poder dimensionar y seleccionar un filtro para desaguado de concentrados debemos considerar los siguientes criterios teóricos básicos, a saber:      

Resistencias en la filtración. Caída de presión a través del queque o torta. Interpretación de los datos de filtración. Resistencia específica del queque. Filtración continua a presión constante.

Resistencias en la filtración.

En cualquier operación de filtración se puede observar que el filtrado pasa a través de tres clases de resistencias en serie, las cuales producen en conjunto la caída total de presión. Estas son:  Resistencia en los conductos que llevan la pulpa a la cara de la torta del filtro y que conducen al filtrado hacia fuera del medio filtrante.  Resistencia de la torta.  Resistencia asociada con el medio filtrante. Sin embargo, para un sistema bien diseñado sólo son significativas las dos últimas, en tal sentido, consideremos que:  



La resistencia total que ocurre en el medio filtrante, incluyendo las partículas incrustadas representa la resistencia media y requiere de una presión Pm para vencerla, y La resistencia ofrecida por todo el sólido no asociado con el medio filtrante es la resistencia de la torta y requiere de la presión.Pc.

Caída de presión a través del queque.

El la figura 6.46 se muestra la sección transversal de un queque de filtración y un medio filtrante a un tiempo t segundos desde el inicio del flujo del filtrado. En dicho momento, el espesor de la torta mide c m. El área de la sección transversal del filtro es A m 2 y la velocidad lineal del filtrado en la dirección c es v m/s, basada en el área de filtración A m 2.

40



 C d  c

Filtrado

Flujo de pulpa de conccentrado

Queque filtrado

Medio filtrante

Fig. 6.46. Esquema de la sección de un queque filtrado. Aunque el paso de un filtrado por un queque puede tratarse como un flujo a través de un lecho empacado, sin embargo, vemos que la mayoría de casos prácticos el flujo es laminar, en consecuencia puede adaptarse a la ecuación de Carman-Kozeny en la forma

 Pc  c

1501     v s 2



 3 d vs2

(6.25)

Donde: Pc c  

vs dvs

= = = = = =

Caída de presión en el queque. Espesor del queque. Porosidad, fracción del volumen total no ocupado por sólidos. Viscosidad. Velocidad superficial Diámetro (nominal) de la superficie específica.

Como podemos ver, esta ecuación relaciona la caída de presión en la torta Pc con la porosidad y el espesor de la misma y con el diámetro de la partícula, pero para permitir la introducción de parámetros medibles de la filtración se la modifica, teniendo en cuenta que: d vs

6 

S 

6 

S o

(6.26)

V 

Donde: S V So

= Área superficial de la partícula. = Volumen de la partícula. = Superficie específica.

Por otro lado, expresamos el espesor de la torta o queque c en función de la masa del queque seco Mc. Esto es: Mc   s (1   ) Ac c

(6.27)

Donde: Ac s

= Área del queque filtrado. = Densidad del sólido. 41



Ahora, combinando las ecs. 6.25, 6.26 y 6.27 obtenemos:

 Pc 

4,17 v s McS o2 (1   ) Ac  s  3

o

 Pc   v s

 Mc

Ac

(6.28)

donde  es la resistencia específica del queque, definida como: 4,17(1   ) S o

2

 

(6.28 a)

 s  3

La caída de presión Pf de filtración debe vencer también la resistencia del medio filtrante, la cual está en serie con la resistencia del queque y como la ecuación 6.28 está en la forma conocida de una fuerza motriz proporcional a una resistencia multiplicada por un régimen de flujo, la resistencia media m puede incluir en esta ecuación para dar:

  Mc   P f   P c   P m   v s    m   Ac 

(6.29)

En la filtración generalmente es más conveniente tener la velocidad superficial v s y la masa total del queque Mc expresadas en función Vf , el volumen total de filtrado recolectado. Así: v s 

1 dV f

Ac dt

(6.30)

Puede utilizarse un balance de masa para correlacionar Mc y Vf . Si se diluye la pulpa alimentada Mc  V f C c

(6.31)

donde: Cc

= Es la masa de sólidos depositada como queque por unidad de volumen de filtrado colectado.

Pero como en realidad se retiene algo de filtrado en los poros del queque, el volumen de filtrado será menor que el líquido que hay en la pulpa alimentada. Esto indica que C c sea mayor que la concentración de sólidos por unidad de volumen del líquido en la pulpa alimentada CI. Por lo tanto, de un riguroso balance de masa se obtiene la corrección: C c 

Si Mo 

C I

 M  C 1   w  1 I  Mc   l

(6.32)

M w Mc

Se tendrá: C c 

 l C I 1  ( Mo  1)C I

donde: Mw 42

= Masa del queque húmedo, incluyendo el líquido de los poros.

(6.32 a)



= Densidad del filtrado.

l

Si combinamos la ecuaciones 6.29, 6.30 y 6.31 se obtiene:

 P f 

dV f dt

x

   C cV f

 Ac  Ac

   m  

(6.33)

o bien

 P f 

dV f dt

x

 C c  Ac2

(V f  Ve)

(6.34)

donde: Ve



= Es el volumen de filtrado para formar una cantidad de queque ficticio, cuya resistencia es igual a la del medio filtrante y la de la tubería que corre entre los puntos de control de presión.

Interpretación de los datos de filtración.

Como podemos ver, la ecuación 6.34 proporciona la base para interpretar la filtración, ya sea a presión constante, a flujo constante o en operación continua, pero para utilizarla se requiere conocer  y Ve las cuales pueden ser evaluadas a partir de datos experimentales, sobre todo cuando  tiende a variar durante el ciclo de filtración. Reordenando la ecuación 6.34 nos da dt dV f



 C c 

Ac2  P f

V

f

 V e 

(6.35)

De modo que si se sujeta la pulpa en cuestión a una prueba de filtración a presión constante, la gráfica del recíproco del régimen de filtración contra el volumen de filtrado tendrá una pendiente de 2 Cc/ Ac P f y una ordenada al origen de:

Ve C c    2   mVe  A P  c f 

(6.36)

permitiendo así la determinación de  y Ve. Esto se puede ver en la figura 6.47.

n ó i c a r t l i f

e d n e m i g é R

Volumen de fil trado recolectado

Fig. 6.47. Representación gráfica de datos de filtración. 43

PROCESAMIENTO DE MINERALES – MINERALURGIA III. 


Resistencia específica de la torta.

Según la ecuación 6.28 a, observamos que la resistencia específica está en función de , So y de la presión, pues esta puede afectar a . Entonces la variación de  con respecto a Pf puede determinarse por medio de experimentos a presión constante, con diferentes caídas de presión. Hay una serie de ecuaciones empíricas, pero la más utilizada es:





   o P f n

(6.37)

donde = Una constante empírica. = Una constante empírica, llamada coeficiente de compresibilidad. n = 0, para queques incompresibles. n = 0,2 a 0,8 para queques compresibles.

o

n

En la figura 6.48 se muestra un grafico resultante de datos experimentales de filtración para la determinación del coeficiente de compresibilidad.

10 20 f P

30

x e t n e i d n e P

40 50

m=n

Presión de filtración (-

Pf

Vf

Fig.6.48. Determinación del coeficiente de compresibilidad. 

FILTRACIÓN CONTINUA A PRESIÓN CONSTANTE.

Si bien la pulpa alimentada, el filtrado y la torta se mueven a un régimen uniforme constante en un filtro continuo, las condiciones en cualquier elemento en particular de la superficie del filtro son transitorias debido a que el proceso pasa por la formación de queque, de secado, de descarga, etc.. Sin embargo, la caída de presión en el filtro durante la formación del queque puede tratarse como constante, por lo que puede aplicarse la ec. 6.35. Esta ecuación la podemos escribir en la forma dt dV f

 k 1V f  k 2

(6.38)

Donde: k 1 

 Cc

Ac P f 2

y

k 2 

 Cc Ve

Ac P f 2

Integrando la ecuación 6.38 entre los límites indicados, se obtiene:



t

0

44

dt 

V f



0

(k 1V f  k 2 )dV f


t  k 1

V f 2 2


 k 2V f

(6.39)

Resolviendo esta ecuación cuadrática para Vf y dividiendo entre Ac y t se obtiene:

 k 22 2     2 2 2  2  Ac t Ac tk 1  Ac t k 1 Ac tk 1  V f

k 2

(6.40)

En un filtro continuo, t, es siempre menor que el tiempo total del ciclo t ci de manera que: t  F ci t ci

(6.41)

Donde: Fci

= Es la fracción del ciclo disponible para la formación de la torta  40% ó 0,4.

Cuando la resistencia del medio es insignificante, la ecuación 8.40 se reduce a: V f

1  2 

  Ac t Ac  k 1t  

1/ 2



2 P f  Cc t

(6.42)

El f i l t r o d e b a n d a h o r i z o n t a l que se muestra en la figura 6.49.consiste de una cubierta sin fin de drenaje hecha de caucho perforado, que soporta una banda separada hecha de una tela apropiada de filtro. Al principio del viaje horizontal, el lodo fluye por gravedad sobre la banda. La filtración comienza inmediatamente; esto se debe por un lado a la gravedad y por otro, al vacío que se aplica a las cajas de succión que están en contacto con el lado inferior de la cubierta de drenaje durante el curso de su viaje. La torta que se forma se desagua y seca por aire succionado a través de ésta y luego se descarga a medida que la banda gira sobre un rodillo de pequeño diámetro. Si es necesario, se le añaden uno o más lavados.

Fig. 649. Esquema de un filtro de banda horizontal.

45


a


b

Fig. 6.50. a) Filtro de banda horizontal Envir-Clear b) Filtro de banda EIMCO.

6.5. SECADO. El secado de los concentrados (o productos en procesos) antes del embarque o transporte es la ultima operación metalúrgica que se realiza en una Planta Concentradora de minerales. El objetivo no es otro que el de reducir los costos de transporte, el cual se logra reduciendo la humedad de la torta de 10 a 15 % de humedad de 5 a 6 %, la cual es la estrictamente necesaria para que no se produzcan polvos en las tolvas de los volquetes o en los vagones de un tren o locomotora.

6.5.1.

EQUIPOS DE SECADO.

Entre los equipos de secado que se usan en la industria del procesamiento de minerales se encuentran entre otros los siguientes:     

Secadores rotatorios. Secadores de lecho fluidizado. Secadores de spray. Secadores de solera fija. Secadores de bandeja rotatoria.

Los s e c a d o r e s r o t a t o r i o s son los más utilizados en las industrias de procesamiento de minerales. Consiste en un cilindro rotatorio casi horizontal, a través del cual pasa el material hacia el extremo de descarga, en contacto con los gases calientes de secado, que puede ser directo o indirecto. Giran con una velocidad de hasta 25 revoluciones por minuto. Los secadores estándar tienen tamaños de hasta 30 m de largo con inclinaciones de hasta 8%. El diámetro suele ser generalmente de un 7 10% de la longitud. Los gases o aire caliente puede alimentarse en configuraciones directas, indirectas o combinadas y en flujo con-corriente o contra-corriente. En la figura 6.51 se muestra un secador rotatorio de calentamiento indirecto. El tiempo de retención del material a secarse en un secador rotatorio varía de un mínimo de seis minutos para material de secado rápido a aproximadamente 30 minutos para el material de secado lento. Una vieja fórmula USBM proporciona una simple vía para calcular el tiempo de retención la cual usa un factor de 1,5 para el efecto elevador, la cual está dada por: T 

1.77 x  xLx1,5 SxDxN

Donde: T 

L D 46

= = = =

Tiempo de retención en minutos. El ángulo de reposo del mineral o material. Longitud del secador en pies. Diámetro interior del secador en pies.

(6.43)


S N


= Pendiente o desnivel en grados. = Velocidad del casco en r.p.m. Transportador de faja Extractor de aire

D e s c a r g a d e c i c l ó n

Alimento al secador

Fuente de fuego

Motor de accionamiento del secador

Transportador de faja

Fig.6.51. Esquema de un secador rotatorio de calentamiento indirecto.

Fig. 6.52. Secador rotatorio a calor directo en flujo paralelo y contracorriente. Los s e c a d o r e s d e s o l e r a consisten de un cilindro vertical que contiene soleras circulares superpuestas. En cada solera hay brazos agitadores conectados a un eje central giratorio, donde los sólidos son rastrillados del centro al borde y del borde al centro en las sucesivas soleras para que entren en contacto con los gases calientes. Cada solera tiene aberturas alternas entre el borde y el centro, lo cual permite que el material baje por el secador hasta el fondo, donde se recoge el producto en la solera de descarga. 47



El material o concentrado a secar se alimenta a la solera superior. La corriente del gas es generalmente en contra-corriente y la formación de polvo es mínima. La temperatura de secado puede llegar a los 300º C. El secador de solera se muestra en la figura 6.53.

Fig.6.53. Esquema de un secador de solera.

6.5.2.

COMPORTAMIENTO AL SECADO.

El comportamiento típico al secado de un sólido (concentrado) tratado bajo condiciones constantes de secado se muestra en la figura 6.54. La diferenciación de los datos permite obtener la curva de régimen de secado, la cual se muestra en la figura 6.55.

Contenido de humedad

Fig.6.54. Curva típica de secado para condiciones constantes de secado

48



Fig. 6.55. Curva de régimen de secado derivada de la figura 6.54. La región A-B representa un periodo de calentamiento en el que se ajusta la temperatura de los sólidos a un estado uniforme al que la superficie del sólido húmedo alcanza la temperatura del bulbo húmedo del gas de secado. La región B-C es el periodo de secado a régimen constante en el que toda la superficie expuesta está todavía saturada de humedad. Este termina en el contenido crítico de humedad, el punto C. Más allá de este punto, la temperatura de la superficie se eleva y el régimen de secado desciende rápidamente hasta que eventualmente se alcanza un contenido de humedad de equilibrio.

6.5.3.

DETERMINACIÓN DE LOS TIEMPOS DE SECADO.

La velocidad de secado R puede definirse como: R  

M s dX A dt

Donde: R Ms X A t

= = = = =

(6.43)

Es la velocidad de secado, Kg H2O/h m2. Es la masa de sólido seco, Kg. Es la humedad global del sólido, Kg.H2O/Kg sólido seco. Es el área superficial expuesta al secado, m2. Es el tiempo de secado, h.

Esta ecuación puede reordenarse e integrarse para dar el tiempo de secado:



t

0

dt  

M s A

X t

dX

X I

R



(6.44)

donde: XI Xt

= Es el contenido global de humedad inicial. = Es el contenido global de humedad al tiempo t.

Puesto que el mecanismo de secado varía, debe utilizarse diferentes relaciones entre X y R para cada sección de la curva de velocidad de secado. Así, para el periodo de secado a velocidad constante, R es constante e igual a Rc, de modo que la ec. (6.44) al ser integrada nos da: t c  

M s ARc

 X c  X I 

(6.45) 49



donde: tc Xc Rc

= Es el tiempo para secar al punto crítico. = Contenido global de humedad en el punto crítico. = Depende de la fuerza impulsora disponible para la transferencia de calor y de masa (humedad) desde la superficie de secado hasta el medio de secado y puede describirse por: Rc  k M (mw) g ( H i  H g ) 

k M H lv

(T g  T i )

donde: kM (mw)g Hi Hg Hlv Tg Ti

= = = = = = =

Coeficiente de transferencia de masa. Masa molecular del gas de secado. Humedad del gas en la interfase. Humedad del gas de secado. Calor latente de vaporización del agua. Temperatura del gas de secado. Temperatura de la interfase liquido / gas.

En el periodo de velocidad decreciente puede representarse en forma aproximada por una sola recta que vaya al origen, luego: Rc

R X



X c

(6.46)

y al integrarse la ec.6.44 nos da: t  t c  

6.6.

M c X c A Rc

 X   X  c 

ln

(6.47)

DEPOSITACIÓN DE RELAVES.

La depositación de los relaves o colas procedentes de las Plantas Concentradoras de minerales es una tarea importante, que por ser un material desechable causa muchos problemas para su despositación, los cuales varían mucho de una mena a otra, de una operación a otra y de un método de concentración a otro. Debido a que cada vez los yacimientos que se explotan son de menor ley, se debe procesar tonelajes cada vez mayores de los cuales por ejemplo si se tratara una mena de cobre porfirítico con una ley de 0,5%Cu obteniéndose un concentrado con 28 ó 30%Cu al concentrarse por flotación, tendríamos que alrededor del 98% del material extraído se convierte en material de desecho o relave, el cual ya no tiene valor económico, por lo que deben disponerse adecuadamente. En nuestro País como en otros países del mundo, en el Procesamiento de Minerales era frecuente que los relaves se vaciaran en el mar, lagos, lagunas o ríos cercanos a la Planta Concentradora. Esta práctica se continúa aún empleando hasta nuestros días. Sin embargo, las dos prácticas más comunes son dos: 1. 2.

Clasificar los relaves, utilizar la fracción gruesa (arenas) para construir el dique de la cancha de relaves y la parte fina con la mayor cantidad de agua se descarga en la laguna que se forma, o sea, la cancha o estanque de relaves. Minería a cielo abierto. Clasificar los relaves, utilizar la fracción gruesa para el relleno hidráulico de los túneles dejados por la explotación subterránea, a veces mezclado con cemento como en el caso de la mina de la Cía. Minera Perú Bar y enviar la parte fina a una cancha de relaves ubicada en superficie.

El incremento de los tonelajes extraídos de mineral debido a las leyes cada vez más bajas, ha traído como consecuencia la producción de cada vez mayor tonelaje de relaves, los cuales que por realizarse moliendas más finas son también de granulometría fina, por ende, ya no son adecuados ni para relleno, ni para construcción de los diques de las relaveras, factores que han conducido a 50



cambios en las técnicas de disposición de relaves; sin embargo, los cambios se deben a las leyes que tienen que ver con el manejo de la contaminación ambiental. De ahí que podemos apreciar dos aspectos principales de importancia en la disposición de relaves: o o

La seguridad, y La economía.

En el campo de la seguridad son de preocupación dos áreas: o o

Diseño del dique de la relavera. Contaminación medio ambiental.

En cuanto a la estructura del borde o dique de la relavera debe diseñarse y construirse de modo que no falle durante su construcción y utilización, ni después que la relavera deje de operar, esto es realmente vital, ya que el fallamiento de un dique se traduce en la liberación de enormes cantidades de lamas no consolidadas contenidas en la poza de la relavera, causando destrozos y muerte de animales y humanos encontrados aguas abajo. En cuanto a la contaminación del medio ambiente a parte del efecto visual del paisaje natural, el mayor efecto ecológico es la contaminación del agua con sólidos de metales pesados, reactivos de flotación, compuestos de azufre (aguas ácidas). En consecuencia, debe impedirse la contaminación del mar, lagos, lagunas y ríos naturales. En el campo de la economía, es de preocupación que la disposición de los relaves debe efectuarse al menor costo posible pero compatible con la seguridad. Para ello, es necesario seleccionar una cancha de relaves de capacidad suficiente y en un área cercana a la mina. El cierre de una relavera a menudo requiere de una recuperación y revegetación del área representan costos adicionales que deben considerarse en el concepto de manejo de los relaves a su destino final.

6.6.1.

DEFINICIÓN DE RELAVE.

Veamos la siguiente figura

Relave Tail

Alimento Feed PLANTA CONCENTRADORA

Concentrado Concentrate Fig. 6.56. Esquema de una Planta Concentradora. El relave se puede definir como los desechos minerales sólidos de tamaño entre arena y lama provenientes de una Planta Concentradora que usa el método de concentración por flotación que son producidos, transportados y depositados en forma de lodo, en un área debidamente diseñada y construida, denominada relavera o cancha de relaves. Los relaves son casi siempre transportados desde la Planta Concentradora a través de canaletas o tubería, en forma de pulpa con concentraciones que van de 20 a 50% de sólidos en peso, los cuales son descargados sobre la cresta del dique de la relavera, previamente localizada.

51


6.6.2.


LOCALIZACIÓN Y DISEÑO DE RELAVERAS EN SUPERFICIE.

LOCALIZACIÓN. Lo que se busca es asegurar la integridad de la relavera como un hecho fundamental para alcanzar la estabilidad tanto física como química en el manejo de relaves, en consecuencia, para seleccionar el lugar de la relavera, este debe satisfacer ciertos criterios, a modo información mínima, a saber: o o

o

o o o o

o

Debe situarse a una distancia conveniente de la Planta Concentradora. Debe tener la capacidad para almacenar los relaves acorde a la vida completa de la mina. Estudio de la geología superficial y la hidrología del lugar, representado en un mapeo topográfico preciso. Cumplimiento de todos los reglamentos de control ambiental aplicables según ley. Debe conocerse el análisis granulométrico y la gravedad específica de los relaves. Características químicas de los relaves y de los efluentes de la Planta Concentradora. Medida anual de precipitación y evaporación y estimados de valores extremos de precipitación. El terreno debe ser mineralógicamente estéril.

a) Condición preferida b) Relación de captación extensa/Área pequeña de embalse LOCALIZACIÓN PARA MINIMIZAR EL FLUJO DE INGRESO DE LAS AGUAS SUPERFICIALES.

Simple

Múltiple CONFIGURACIÓN DEL EMBALSE A TRAVÉS DEL VALLE

52


Simple


Múltiple CONFIGURACIÓÍN DEL EMBALSE EN LA LADERA DE UN CERRO

Simple

Múltiple Configuración del canal de desviación de las torrenteras

DISEÑO DEL DIQUE. Las canchas de relaves se construyen a través de valles de los ríos o quebradas, construyendo muros ya sean curvos o de lados múltiples en los límites de los valles, ya que este diseño facilita el drenaje. Sobre terrenos planos en todos los lados en todos los lados de la represa o relavera. En un intento de minimizar el costo de la disposición de los relaves, se han propuesto tres métodos de construcción, a saber: 1. Método de aguas arriba. 2. Método de aguas abajo. 3. Método central o de línea central. Cada uno de estos métodos empieza con un dique inicial construido con material (roca y arcilla) proveniente del lugar, denominado material de empréstito también se puede utilizar el material de desbroce de la mina para enrocar la pared lateral externa del dique. Las partes principales del dique inicial se muestran en la siguiente figura.

53



Relave Hidrociclón Cresta Rebose de agua clara

Zona permiable

Espejo del embalse

Zona impermiable

Dique inicial Filtros de drenaje Lodo sedimentado Tubería o túnel de drenaje

Fig. 6.56. Esquema generalizado de una relavera. Cuando se está continuando este dique utilizando la fracción gruesa del relave, la práctica normal es instalar una serie de hidrociclones espaciados a lo largo de la cresta del dique, descargando directamente la fracción gruesa (under flow) sobre el mismo y la fracción fina va a la zona de sedimentación o embalse de la relavera. Periódicamente se llevan los hidrociclones o se reubican en otra parte del dique. El dique se eleva así con anticipación a una altura mayor que la del nivel del estanque o laguna. Ver figura 6.57.

Fig. 6.57. Instalación de los hidrociclones en la cresta del dique.

A. MÉTODO DE AGUAS ARRIBA. En este tipo de construcción, al elevarse la altura del dique de la relavera, cada porción del mismo se mueve un poco en la dirección de aguas arriba y por tanto queda apoyada sobre un lecho inestable de relaves no consolidados. Esto resulta en una línea freática (superficie de saturación de 54



agua) cercana a la superficie exterior del borde lateral del dique. Cualquier cambio que dé como resultado la saturación de las fracciones inferiores del dique (por elevación del nivel del espejo de la laguna o una lluvia torrencial) puede ocasionar rápidamente la falla del mismo. Este tipo de dique ya no satisface los requerimientos de estabilidad de pendiente, control de drenaje y resistencia a los movimientos sísmicos. En la figura 6.58 se muestra este tipo o método de construcción.

Fig. 6.58. Cancha de relaves aguas arriba

B. MÉTODO DE CONSTRUCCIÓN AGUAS ABAJO. Este Método es un desarrollo relativamente nuevo que ha evolucionado como resultado de los esfuerzos para diseñar métodos para construir relaveras más grandes y seguras. En este método de construcción la línea central se traslada aguas abajo y la relavera permanece cimentada sobre los relaves gruesos. La mayor parte de los procedimientos requieren del uso de hidrociclones para producir el arena que se usa en la construcción de la relavera. El método de construcción de la relavera aguas abajo es el único método que permite el diseño y construcción de las relaveras o canchas de relaves siguiendo normas aceptables de ingeniería. La mayor desventaja de ésta técnica es la gran cantidad de arena necesaria para elevar el dique o muro de la relavera. En las primeras etapas de la operación tal vez no sea posible producir volúmenes suficientes de arena para mantener la cresta del dique de la relavera sobre los niveles de la laguna o embalse ascendente. En tales casos, se necesita un dique de inicio más alto o se aumenta el suministro de arena con relleno prestado, pero estos procedimientos aumentan el costo de disposición de los relaves. Con este tipo de construcción pueden construirse desagües abajo del dique y cada capa sucesiva de las partículas más gruesas de los relaves se deposita sobre una base de partículas gruesas de drenaje o escurrimiento libre. La localización de la línea freática con el método de aguas abajo indica la mejor estabilidad de este diseño. También se puede utilizar un enrocado, pero también implica un costo mayor. Este tipo de construcción se muestra en la figura 6.59.

Fig.6.59. Cancha de relaves aguas abajo. 55



Fig. 6.60. Relavera de Quebrada Honda. En la figura 6.60 se muestra la relavera de Quebrada Honda que recibe los relaves de las Plantas Concentradoras de Toquepala y Cuajone. El dique principal tiene forma trapezoidal y se construye bajo el sistema de aguas abajo, que consiste en la elevación de un dique de arranque o inicio utilizando el material grueso producido mediante el cicloneo de los relaves. La configuración final alcanzará una altura de 130 m y una longitud de 3,9 Kms. Quebrada Honda almacenará los relaves de las Plantas ya mencionadas por espacio de 20 años a un ritmo de 125000 ton/día. La superficie total impactada será de aproximadamente 16 Km 2.El dique de arranque ha utilizado 3 230 000 m3 de material de préstamo (material aluvial de la zona), que alcanza una altura de 50 m, un largo de 1820 m y la cresta mide 15 m de ancho. El costo aproximado de esta obra es de 60 millones de dólares. Almacenará 900 millones de t de relaves. Las principales ventajas de este método son las siguientes:   

  

Nada se construye sobre relave previamente depositado y compuesto por material suelto y fino. Controles de relleno y compactación pueden ser aplicados como se desee durante la operación de relleno. Sistemas de drenajes pueden instalarse según sea necesario durante la construcción. El drenaje por debajo permite controlar la línea de saturación a través de la presa aumentando su estabilidad. La presa puede ser diseñada y después construida con un buen grado de seguridad, incluyendo resistencia a los esfuerzos sísmicos. Permite prevenir las filtraciones colocando una membrana impermeable al interior del depósito la que se extiende cada vez que aumente la altura de la obra. Normalmente la presa puede levantarse por sobre la altura original con un mínimo de modificaciones de diseño. Esto es muy importante pues en la mayoría de las minas la reserva original puede agrandarse por nuevos descubrimientos; precios más altos para el metal, nuevos métodos de extracción, etc.

Por lo expuesto anteriormente, éste es el método que conduce a mayores factores de seguridad es recomendado en zonas de alto riesgo sísmico. La desventaja de este método es el considerable volumen de arenas que se requiere para levantar la presa, existiendo la posibilidad que la arena de relave no sea suficiente entonces habría que emplear material de préstamo lo que haría elevar el costo de construcción. 56



C. MÉTODO DE LINEA CENTRAL. Este método es una variación del que se usa para construir la relavera aguas abajo y la cresta del dique permanece en la misma posición horizontal a medida que se eleva el muro o dique de la relavera. Este método tiene la ventaja de requerir volúmenes más pequeños de arena de relleno para elevar la cresta del dique hasta cualquier altura en particular. De este modo la relavera se puede elevar más rápidamente y existe menos problema para mantenerla adelante del embalse durante las primeras etapas de la construcción. Sin embargo, se debe cuidar la elevación de la cara del dique aguas arriba para asegurarse de que no se desarrollen temporalmente pendientes inestables.

Fig. 6.61. Relavera de Línea Central Se pueden construir canchas de relaves muy estables de la roca de desmonte o corteza terrestre con material de las operaciones de minado a tajo abierto, de acuerdo a las circunstancias locales, ya que para la construcción del dique de la relavera no son necesarios los relaves gruesos (arenas), hacia el interior del embalse que se pueden alimentar sin separación de las arenas de las lamas. En algunos casos la producción de sobrecarga no basta para mantener la cresta del dique sobre el embalse de las colas y es necesario combinar roca de desmonte y relleno de arena de relaves para producir una relavera económica y segura.

6.6.3.

AGUA DE LOS RELAVES.

El problema más serio que se asocia con la disposición de las colas o relaves es la liberación de agua contaminada, lo cual ha sido ampliamente investigado. Los principales efectos de la contaminación se deben: 

Al pH del relave, el cual puede causar cambios ecológicos.



Los metales pesados disueltos, tales como Cu, Pb, Zn, Hg, Fe, Sb, As, etc. Los que pueden ser letales para la vida de los peces si se mezclan con el agua de la localidad.



Los reactivos de flotación que están presentes en pequeñas cantidades, pueden ser dañinos.



Los sólidos suspendidos que no han sedimentado deben ser decantados.

Cuando se instala una Planta Concentradora en lugares áridos, la práctica casi obligada es la recirculación de esta agua, siempre que esto sea económico y técnico. En el mundo, las leyes y reglamentaciones gubernamentales exigen la recirculación de toda el agua de proceso posible. En la figura se muestra una representación general del balance de agua típica en una Planta Concentradora y la cancha de relaves. A menudo los relaves son tratados con cal para neutralizar los ácidos y precipitar los metales pesados como hidróxidos insolubles antes de bombearlos a la relavera. 57

mineralurgia III

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