UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN FACULTAD DE INGENIERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA METALURGICA
PLAN DE TESIS ESTUDIO DE RECUPERACIÓN DE AGUA DE RELAVES EMPLEANDO LA TECNOLOGÍA DE ESPESAMIENTO EN LAS EMPRESAS PERUANAS DE LA REGIÓN TACNA PRESENTADO POR EL BACHILLER: ALEXANDER ESCOBAR AROCUTIPA
PARA OBTENER EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO METALURGICO
TACNA – PERU 2014
CONTENIDO
Pag.
I.
DATOS GENERALES
1.1
Título de Tesis
5
1.2
Autor o responsable
5
1.3
Asesor
5
1.4
Lugar donde se desarrolla
5
1.5
Tipo de investigación
5
1.6
Área de investigación
5
II.
ESTUDIO METODOLOGICO DEL PROBLEMA
2.1
Descripción del problema
6
2.2
Antecedentes del problema
7
2.3
Delimitación del problema
9
2.3.1 Delimitación espacial
9
2.3.2 Delimitación temporal
10
2.3.3 Delimitación social
10
2.3.4 Delimitación conceptual
10
2.4
Planteamiento del problema
11
2.5
Importancia y justificación
11
2.5.1 Importancia
11
2.5.2 Justificación técnica
12
2.5.3 Justificación económica
13
2.5.4 Justificación ambiental
13
2.6
Objetivos 2.6.1 Objetivo general
14
2.6.2 Objetivos específicos
14
III.
MARCO CONCEPTUAL
3.1
Marco teórico, tecnológico, conceptual y histórico 3.1.1 Historia de la tecnología de espesamiento 3.1.1.1
Disposición de relaves
14 16
3.1.1.2
Plantas en operación que usan la tecnología de
espesamiento
16
3.1.2 Influencia de la Reologia
16
3.1.2.1
Parámetros de reología
17
3.1.2.2
Metodología para pruebas reológicas
19
3.1.2.3
Efecto reológico de las pulpas en SPCC 19
3.1.3 Metodología de determinación de viscosidad
20
3.1.3.1
Asentamiento de cono o slump
21
3.1.3.2
Estabilidad de dispersiones coloidales 22
3.1.3.3
Aplicación de doble capa de Stern
23
3.1.3.4
Desestabilizador de suspensiones
25
3.1.4 Separación solido-liquido
26
3.1.4.1
Sedimentación
27
3.1.4.2
Leyes de sedimentación
29
3.1.5 Espesamiento
30
3.1.6 Tecnología de espesamiento
31
3.1.6.1
Parámetros de espesamiento
31
3.1.6.2
Velocidad critica
31
3.1.6.3
Velocidad de flujo
33
3.1.6.4
Velocidad de transición
33
3.1.6.5
Altura dinámica total
34
3.1.6.6
Factor de corrección de la A.D.T
35
3.1.7 Dimensionamiento de espesadores
36
3.1.8 Selección de floculante
37
3.1.8.1
Porcentaje de dilución y dosificación de floculante 38
3.2
Hipótesis
39
3.2.1 Identificación de variables
39
3.2.2 Definición de variables
39
3.2.3 Operacionalización y clasificación de variables
41
IV.
METODOLOGÍA Y TÉCNICA
4.1
Diseño y tipo de investigación
41
4.2
Población y muestra
41
4.3
Técnicas e instrumentos de recolección de datos
41
4.4
Procesamiento y análisis de datos
42
V.
ASPECTOS ADMINISTRATIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
5.1
Plan de acciones y cronograma
43
5.2
Recursos utilizados
44
5.2.1 Recursos humanos
44
5.2.2 Recursos materiales
44
5.3
Presupuesto y financiamiento de la investigación
44
5.4
Resumen
45
5.5
Conclusiones
45
VI.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
47
PLAN DE TESIS I.
DATOS GENERALES 1.1 TITULO DE TESIS Estudio de recuperación de agua de relaves empleando la tecnología de espesamiento en las empresas peruanas de la región Tacna
1.2 AUTOR O RESPONSABLE Alexander Escobar Arocutipa
1.3 ASESOR No hay
1.4 LUGAR DONDE SE DESARROLLA LA INVESTIGACION Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann, Escuela Profesional de Ingeniería Metalúrgica, Laboratorio.
1.5 TIPO DE INVESTIGACION La investigación es de tipo aplicativo y nivel experimental.
1.6 AREA DE INVESTIGACION Investigación y desarrollo tecnológico.
II.
ESTUDIO METODOLÓGICO DEL PROBLEMA 2.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Hace ocho años era impensable la extracción y tratamiento de minerales de cobre con leyes menores al 3,0%, ya que resultaba económicamente inviable. Sin, embargo, hoy en día, la escasez del recurso cuprífero y el aumento en la demanda, ha motivado al tratamiento de depósitos con contenidos no mayores a 0,2%, y que son factibles económicamente sólo si son explotados a gran escala, lo cual, a su vez, requiere un mayor uso de agua y genera una mayor cantidad de relaves como desecho. En el sur de nuestro país, región árida y de poca disponibilidad de agua, en la mayor parte de las plantas de concentración de minerales de cobre el suministro de agua limita en muchos casos las operaciones y/o restringe la ampliación de éstas. Uno de los componentes de una solución global, la cual ha llegado a ser mayormente aceptada, es el uso de la tecnología de espesamiento como alternativa de recuperación de agua a partir de cualquier pulpa. Según Meggyes (2009: 18), el ahorro de agua es un punto ambiental muy favorable en el uso de la tecnología de “pasta”, lo cual es muy atractivo en zonas áridas,
ya que permite recuperar agua para el proceso, a diferencia de las grandes cantidades que son perdidas por evaporación en presas de relaves convencionales. Además, una menor huella de relaves significa una menor área impactada, menor área de monitoreo durante y posterior a la operación de la mina. “Por otro lado, el incremento legislativo así como demanda social por una consiente disposición de los residuos mineros, afectan no
solo a la comunidad minera, sino también al costo de las operaciones” (Kuyucak 2009: 151).
En el presente estudio, se pretende obtener información para determinar la viabilidad técnica para la aplicación de relaves espesados; así como de los costos involucrados en este tipo de instalación industrial para el caso de gran minería de cobre. En el sur de nuestro país, las operaciones de gran minería de cobre se encuentran ubicadas en zonas de escasez de agua ya que normalmente son usadas en la agricultura. Hoy en día, el suministro de agua se ha convertido en un problema que estas mineras (Yanacocha, El Brocal, Toquepala, Chinalco, Cuajone, Minsur, entre otras) abordan desde las fases iniciales de sus proyectos, o que deben afrontar al evaluar una ampliación de sus operaciones. Sumado esto a las cada vez mayores exigencias medioambientales para el otorgamiento de los derechos por el aprovechamiento del recurso natural, hacen hoy que el agua en estas zonas tenga un elevado costo. Específicamente en la gran minería del cobre, el agua se emplea
con
concentración
intensidad por
en
flotación,
el
proceso y
en
tradicional los
de
procesos
hidrometalúrgicos: lixiviación, extracción por solventes y electrodeposición. El consumo de agua en una planta concentradora varía entre 0,4 a 1,6 m 3 por tonelada de mineral procesado, con una media del orden de 0,7 m 3. Pese a la problemática en estas zonas sobre la disponibilidad de agua, persiste aún la práctica convencional en el tratamiento y manejo de los relaves, los cuales son los subproductos mineros que contienen la mayor proporción del recurso hídrico. Se estima que del total de agua que ingresa a una planta
concentradora, generalmente más del 95% va a dar a la presa de relaves, mientras que el resto o bien se evapora o es recuperado parcialmente o está contenida en los concentrados. Es aquí que la tecnología de relaves espesados como solución ante el problema de disponibilidad de agua para los procesos metalúrgicos adquiere un papel decisivo. El Ministerio de Energía y Minas a través de la Dirección general de Asuntos Ambientales, han establecido normas legales ( D.S. N° 016-93-EM del 24/04/93 ) con el fin de corregir, evitar y/o mitigar los daños ocasionados y los que pudieran ocasionar, las labores de explotación y operación minero-metalúrgico, a través de los Estudios de Impacto Ambiental (EIA) y los Programas de Adecuación y Manejo Ambiental (PAMA). De manera general, podemos indicar que durante las últimas tres décadas la tecnología de pasta y relaves espesados ha pasado de ser un objeto de investigación y conceptualización a ser una solución aceptada mundialmente y que ha adquirido práctica extensiva para el manejo de desechos minerales. Operaciones actuales en operación y muchos proyectos aplicando esta tecnología indican esta tendencia. El Estudio de relaves espesados involucra el conocimiento y la aplicación de nociones de caracterización metalúrgica y reológica de pulpas minerales, separación sólido-líquido, hidráulica, transporte de sólidos y economía en proyectos de inversión.
2.2 ANTECEDENTES DEL PROBLEMA Título: Estudio de pre-factibilidad para la recuperación de agua a partir de relaves de gran minería de cobre mediante la tecnología de relaves espesados.
Autor: Juan Alberto Cabrejos Salinas Resumen: La tecnología de los relaves espesados en los últimos tiempos ha alcanzado un interesante desarrollo en ingeniería y tecnología para la administración y cuidado de este desecho minero, y se vuelve cada vez más atractiva para las empresas mineras debido a sus bondadosos atributos: baja infiltración en el subsuelo, bajas emisiones de polvo y una buena recuperación de agua. En un principio se hizo un estudio de los tipos de mineral que existen en esas zonas es decir se hizo un estudio reologico, luego se hizo pruebas de laboratorio con la finalidad de ver si el método de espesamiento podría servir.
Conclusiones: Al finalizar las pruebas
se obtuvieron
excelentes resultados, con las cuales se pudieron dimensionar los espesadores, junto con su capacidad, y poder predecir los resultados a futuro, y con lo se pudo ver que con la aplicación de la tecnología de relaves espesados se puede recuperar agua de manera significativa. Reológicamente los relaves espesados de cobre presentan cizallamiento yendo, por ejemplo para una concentración de solidos de 66%, de valores iniciales, sin cizallar, alrededor de 150Pa a valores cercanos e inferiores a 60Pa tras la aplicación de cizallamiento mecánico externo.
2.3 DELIMITACION DEL PROBLEMA 2.3.1 Delimitación espacial: La delimitación temporal se hará en el sur del Perú como por ejemplo tomando como área de estudio en las empresas mineras de Cuajone, Toquepala ambas minas pertenecientes a la empresa minera Southern Perú Cooper Corporation, Minsur en la ciudad de Tacna. Por otro lado tomara en consideración el estudio de relave en la ciudad de Ite, Tacna.
2.3.2 Delimitación Temporal Plan de tesis
Tesis
Inicio
Octubre del 2014
Enero del 2015
Fin
Noviembre del 2014
Mayo del 2015
El plan de tesis está programado para 1 mes, en este tiempo se obtendrá datos, información de todo lo relacionado con la aplicación de la tecnología de espesamiento en el Tacna-Perú.
2.3.3 Delimitación social Para la ejecución de la tesis en los meses de enero a mayo, se necesitara la ayuda de asesores de la ESMEUNJBG, como también de los diferentes recursos a necesitar para desarrollar la Tesis, para luego visitar una de las empresas, y aplicarlos y comparar resultados.
2.3.4 Delimitación conceptual En la siguiente investigación se consideran los siguientes temas a tratar.
Historia de la tecnología de espesamiento
Reologia y su influencia
2.4 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Primeramente lo planteamos el problema del punto de vista social y medioambiental, ya que con el uso de este método de espesamiento nosotros podremos dimensionar espesadores encargados de recuperar gran parte del agua que se encuentra en los relaves, haciendo de que no dependa más del agua de los poblados más cercanos a dichas actividades. La recuperación de agua de los relaves, permitiría una menor demanda por fuentes de agua naturales, y se podría recuperar reactivos valiosos que no terminarían afectando el medio ambiente (por ejemplo, cianuro).
2.5 IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN 2.5.1 Importancia 1. Disminución de pozas de agua sobre la presa de relaves, reduciendo así, el riesgo de colapso de presas por licuefacción. 2. Reducción
de
volúmenes
de
presa,
y
mejor
aprovechamiento del área disponible al permitir mayores ángulos de disposición. 3. Reducción de costos de capital asociados a presas de gran envergadura. Reducción de gastos operativos de bombeo de agua sobrenadante en el área de disposición, de los costos de requerimientos de agua fresca, y por concepto de ahorro en reactivos debido a la recuperación de metales disueltos.
4. Extensión de la vida útil de una relavera existente, por ende la reducción de los costos de capital y de operación por este concepto. 5. Disminución del área de impacto requerida para la disposición
de
grandes
volúmenes
de
relaves;
disminución de la contaminación de suelos y aguas subterráneas. generación
Reducción de
agua
y/o ácida
eliminación y
de
transporte
la de
contaminantes. 6. Recuperación de mayor cantidad de agua para uso en los procesos y por ende reducción del consumo de agua fresca, lo cual genera que la percepción del público sobre las presas de relaves mejore al ser considerada una instalación estructuralmente más estable.
2.5.2
Justificación técnica El proyecto se justifica frente a la limitada
disponibilidad de agua fresca en el sur de nuestro país, zonas áridas donde la mayor parte de minería de cobre a gran escala se desarrolla, y ante la potencial posibilidad de extraer el recurso hídrico a partir del desaguado de los relaves. En otras partes del mundo, especialmente Europa, África y Australia, a medida que el agua limpia y potable se vuelven más escasos, todo aquel proceso que reduzca su consumo o que permita su re-uso en la minería, gana más importancia. Se estima que el proceso metalúrgico requiere el uso entre 0,4 a 1,6 m3 por tonelada de mineral procesado, con una media del orden de 0,7 m3 (Kuyucak 2009: 151- 157). En el caso de minería aurífera el consumo medio está alrededor de 1 m3 por tonelada de mineral (Gupta 2006: 401).
Los relaves pueden ser almacenados de diferentes maneras dependiendo de su naturaleza físico-química, la topografía, condiciones climáticas y el contexto socio-económico, sin embargo el requerimiento básico de un depósito de relaves es proveer almacenamiento seguro, estable y económico con mínimo impacto a la salud y ambiental durante su operación.
2.5.3 Justificación económica El costo del agua suele ser muy alto en zonas de escasez de este recurso hídrico. La inversión así como el período de recuperación de la inversión de una planta de espesamiento suele ser en muchos casos más competitiva que la aplicación de otras tecnologías, como la de tratamiento de agua de mar, por el costo de tratamiento y transporte, por ejemplo. Sin embargo, el presente estudio no pretende realizar una comparación de otras tecnologías de obtención de agua, ya que es obvio que los costos son particulares para cada caso, así por ejemplo, dependen de las distancias entre la planta y la fuente de agua, las condiciones del sitio, etc.
2.5.4 Justificación ambiental y social Además de la justificación técnica y económica para el uso de la tecnología de relaves espesados, existe actualmente un compromiso ambiental y social en la reducción del impacto de toda operación minera. Hoy en día, las tecnologías de disposición de relaves. Convencionales, aguas arriba, aguas abajo y centrales .
2.6. OBJETIVOS 2.6.1 Objetivo General
Realizar un estudio de recuperación de aguas a partir de relaves de una planta de concentración de minerales en el sur del Perú.
2.6.2 Objetivos Específicos
Realizar un estudio acerca de la viabilidad técnica y económica para la instalación de un sistema de recuperación de agua a partir de relaves de cobre mediante tecnologías de espesamiento
Caracterizar metalúrgica (gravedad específica de sólidos, distribución de partículas,
etc.) y reológicamente
(viscosidad y resistencia a la fluencia) los relaves espesados de cobre en el rango de porcentaje de sólidos en evaluación.
III.
MARCO TEÓRICO 3.1.
MARCO TEÓRICO, TECNOLÓGICO,
CONCEPTUAL Y HISTÓRICO 3.1.1 Historia de la tecnología de espesamiento Se define a la pasta como una mezcla de agua y partículas sólidas que posee alto porcentaje de sólidos, alta viscosidad, alta resistencia a la fluencia, produce slump de acuerdo a la norma ASTM C143, no posee velocidad crítica de sedimentación, que se mueve a través de una tubería como un “plug flow” y no como flujo turbulento, que es depositada y
puesta en reposo, y debe contener al menos 15% de partículas menores a 20 μm.
La aparición de las primeras investigaciones y aplicaciones de la tecnología de disposición de relaves espesados se remontan a hace unos cuarenta años, con los trabajos de Shields (1974) y posteriormente, de manera independiente, por Robinsky en el año 1976. Este último fue un ingeniero geotécnico quien propuso para la mina Kidd Creek, propiedad de Falconbridge Limited, y por primera vez a escala industrial, la idea que reducir el volumen de disposición de relaves mediante la remoción de agua de proceso, ante la reducida área disponible para sus disposición, de tal manera que el producto pueda auto sostenerse por sí solo sin la necesidad de una presa con una pendiente de ± 3° respecto a la horizontal. De esta manera Kidd Creek se convirtió en la primera operación minera en usar relaves espesados a partir del año 1976, operando con éxito hasta la fecha. Es así que hoy en día las dos principales aplicaciones de la tecnología de desaguado de relaves pueden clasificarse en dos grandes tendencias: disposición subterránea y disposición superficial. Actualmente existen muchas operaciones que emplean la tecnología de relaves espesados y en pasta, se estima en cerca de 30 plantas similares alrededor del mundo que han entrado en operación o se encuentran en etapas de diseño o construcción. Este número vendrá en aumento, ya que las limitaciones del pasado, principalmente costo y falta de tecnología, se han adelgazado.
Hoy en día, la tecnología de espesadores permite la producción de descargas altamente densificadas, a la vez que los costos se han reducido significativamente.
3.1.1.1
Disposición de Relaves La disposición de relaves mineros a lo
largo de los años ha sido en forma de pulpa, que han sido puestas en grandes extensiones destinadas para tal propósito, las cuales requieren de grandes inversiones asociadas a infraestructura y obras de ingeniería, y además en la mayoría de casos representan un alto costo operativo. Sin embargo, la tecnología de relaves en pasta y espesados no sólo generó el interés de la industria minera en el campo de la disposición superficial desde el punto de vista económico (costos de inversión y de operación) sino también desde el aspecto ambiental y geotécnico. La aplicación de sistemas con funciones duales de disposición en superficie y en subterráneo se convierte en una alternativa a considerar para la gestión de residuos mineros, encontrándose ventajas adicionales de esta aplicación si es que los desechos son potencialmente generadores de ácido
3.1.1.2
Plantas en Operación que usan la
tecnología de espesamiento
Proyecto de ampliación de la concentradora Toquepala / Southern Perú Copper (Perú)
Proyecto Toromocho / Chinalco (Perú)
El Brocal / Sociedad Minera El Brocal S.A.A. (Perú)
Proyecto Conga / Minera Yanacocha S.R.L (Perú)
Proyecto Esperanza / Grupo Antofagasta Minerals (Chile)
3.1.2
Influencia de la Reologia La reología estudia el flujo y deformación de la
materia, siendo una de sus propiedades importantes la determinación de la fuerza que necesita una determinada pulpa para moverse. Su aplicación está no solo en fluidos mineros como los relaves. La reología influye de tal manera que con ello se puede diseñar, analizar y optimizar. Una razón importante es la dificultad de su estudio en las suspensiones inestables que se producen en muchos procesos de beneficio de minerales y el hecho de la falta de normas de viscosidad.
3.1.2.1
Parámetros de Reologia
Tensión de fluencia
Viscosidad
Concentración
Ph
Para determinar los parámetros reológicos que gobiernan el movimiento de un fluido se requiere de la obtención de datos de terreno y/o laboratorio que permitan su caracterización. Si bien existen en el mercado instrumentos que permiten medir estos parámetros en línea, sus costos de capital y de mantención, así como sus requerimientos de calibración, los hacen aún poco
atractivos para su uso en la industria minera. Los análisis de laboratorio representan una alternativa viable en términos técnico-económicos para la obtención de los parámetros reológicos en el caso de pulpas minerales. A través de ellos, es posible estimar los valores de viscosidad y de tensión de fluencia dadas las condiciones de concentración, pH y granulometría de la muestra seleccionada. Para fluidos newtonianos, la estimación de la viscosidad a partir de los diagramas reológicos es relativamente simple. Sin embargo, cuando se está en presencia de fluidos nonewtonianos, como es el caso de la mayoría de las pulpas mineras, se requiere de un estudio estadístico de los resultados de laboratorio para determinar los parámetros reológicos.
Graf. 01
Clasificación de fluidos según comportamiento reológico. Elaboración propia.
Fig, 01 Clasificación de fluidos con propiedades independientes del tiempo.
3.1.2.2
Metodología para pruebas reológicas
En la Figura se muestran la metodología disponible para la caracterización reológica de fluidos, tanto para la determinación de la viscosidad como la resistencia a la fluencia.
Graf. 02
Metodologías para pruebas reológicas.
3.1.2.3
Efecto reológico sobre las pulpas en Southern
Perú Cooper Corporation
Experimentó cambios en la reología de sus relaves asociados a cambios mineralógicos durante un reciente pilotaje en el año 2008. Los distintos tipos de minerales con y sin contenidos de arcillas, produjeron variaciones significativas en los resultados del pilotaje de espesamiento: porcentaje de sólidos en la descarga, consumo de floculante, reología, etc.
Graf. 03
Efecto de arcillas en reología de relaves de cobre. Elaboración
propia. Adaptado de Golder (2007: 10 11).
3.1.3
Metodología de determinación de viscosidad Se disponen de tres metodologías – viscometría de
objetos en caída, rotacional, y en tubo capilar - para la determinación de la viscosidad, de las cuales los métodos de la viscometría rotacional tienen la ventaja de ser altamente confiables además los equipos para ello son pequeños y fácilmente transportables, para hacer la curva de fluidez se necesita de variables.
1. Tasa controlable (Controlled Rate - CR).- Se impone una tasa de corte y se registra el esfuerzo de corte como respuesta del material. Se consigue esta modalidad con un viscosímetro ó un rheómetro. 2. Esfuerzo controlable (Controlled Stress – CS).- Se impone un esfuerzo de corte y se registra la tasa de corte como respuesta del material. Se consigue esta modalidad sólo con un rheómetro.
3.1.3.1
Asentamiento de cono ó Slump El asentamiento de cono (slump) es una técnica
de medición de la consistencia que posee una pasta o pulpa espesada.
Fig. 02
Ensayo de asentamiento de cono. Tomado por construmatica 1010
El asentamiento de cono se mide por medio del “cono de Abrams” el cual consiste de un molde de metal con forma de
cono truncado, con un diámetro en la base de 20 cm (8 pulg) y
un diámetro en la parte superior de 10 cm (4 pulgadas), con una altura de 30 cm (12 pulgadas), ver Figura. El molde en forma de cono truncado, humedecido.
Graf.04
Resistencia a la fluencia para un asentamiento de cono fijo
Fig.03
Asentamiento de cono según consistencia de material tomado por australian government
3.1.3.2
Estabilidad de las dispersiones coloidales
Las partículas coloidales están sometidas a fuerzas de atracción y repulsión, y existe un balance entre dichas fuerzas.
El movimiento Browniano produce colisión entre las partículas y si las fuerzas de atracción predominan, las partículas se aglomeran después de la colisión. En caso contrario, si las fuerzas de repulsión predominan las partículas permanecen separadas después de la colisión. Las fuerzas de atracción son las de Van der Waals, en tanto que las fuerzas de repulsión provienen de la interacción entre las dobles capas eléctricas que rodean a las partículas.
Fig.04
Curva de energía neta de interacción según distancia del coloide tomado de Ravina (1993:4).
3.1.3.3
Aplicación de la doble capa de Stern La doble capa eléctrica es la estructura que
comprende la región de interfase entre dos fases. Contiene una distribución compleja de carga eléctrica que proviene de la
transferencia de carga entre las fases, adsorción de los iones positivos y negativos, orientación de las moléculas con momento dipolar y polarización de la carga eléctrica en las moléculas. Adquiere gran importancia en el comportamiento de los coloides y otras superficies en contacto con solventes. Uno de los principales efectos de la existencia de la doble capa en la interfaz electrodo-solución es la acumulación de carga o capacitancia, superpuesta a una actividad farádica.
Fig.05
Modelo de la doble capa
La concentración de iones positivos es alta cuando está cerca de la superficie del coloide, pero tiende a disminuir cuando se logra un equilibrio con los iones de la solución. En forma similar, en la capa difusa hay un déficit de iones negativos, su concentración se incrementa al alejarse del coloide, tal como se representa en la figura superior.
Fig.06
Variación de la densidad de carga respecto a la distancia del coloide.
En la imagen se puede observar que debido a la interacción de la atmosfera cargada del coloide, se va generar un potencial eléctrico relativo a la solución, la cual es llamado potencial superficial que tiende a disminuir cuando se aleja del coloide.
3.1.3.4
Desestabilizador de suspensiones Se pueden dar mediante la adición de:
Electrolitos o sales.- los cuales generan la coagulación mediante dos mecanismos Iones
metálicos
hidrolizables.-
Son
agregados
en
la
concentración y rango de pH adecuado para que el hidróxido del metal precipite. Polímeros.- se da por: - Atracción tipo parche cargado.- como la densidad del polimero es alta, el polímero fácilmente neutraliza a las partículas con carga negativa, aglomerándolas.
Fig.07 Figura de Atracción tipo parche
- Atracción tipo puente.-
Fig.08 Figura de atracción tipo puente
Ya que la mayor parte de pulpas en la industria minera poseen partículas cargadas negativamente, se podría esperar que los floculantes catiónicos al adsorberse sobre éstas partículas sean las más adecuadas; sin embargo esto es cierto para propósitos de neutralización de cargas y atracción del polímero a la superficie de la partículas, pero no para efectos de atracción tipo parche cargado o tipo puente.
Graf.05
Tipos de floculante y aplicaciones en la industria
minera. Elaboración propia, adaptado de Day 2002: 194 195)
3.1.4
SEPARACION SOLIDO – LIQUIDO La mayor parte de operaciones de beneficio de
minerales emplean el uso de cantidades significativas de agua para su tratamiento. Para lograr la separación sólido/líquido posterior se cuenta actualmente, de manera general, con tres metodologías: espesamiento, filtración y secado térmico. En general, 75% a 80% del agua puede ser removida por medio de espesadores, y cerca del 90% con filtros en etapas posteriores. El espesamiento es la técnica de desaguado más ampliamente usada debido a que es relativamente barato, permite una alta capacidad de procesamiento y provee las mejores condiciones para la floculación debido a sus muy bajas fuerzas de corte (Wills 2006: 378,382, Gupta 2006: 401).
3.1.4.1
Sedimentación
La sedimentación es una operación unitaria consistente en la separación por la acción de la gravedad de las fases sólida y líquida de una suspensión diluida para obtener una suspensión concentrada y un líquido claro. Se pueden distinguir dos tipos de sedimentación, atendiendo al movimiento de las partículas que sedimentan:
Sedimentación libre: Se produce en suspensiones de baja concentración de sólidos. La interacción entre partículas puede considerarse despreciable, por lo que sedimentan a su velocidad de caída libre en el fluido.
Sedimentación
por
zonas:
Se
observa
en
la
sedimentación de suspensiones concentradas. Las interacciones entre las partículas son importantes, alcanzándose velocidades de sedimentación menores que en la sedimentación libre. La sedimentación se
encuentra sedimentador
retardada se
o
impedida.
desarrollan
Dentro
varias
del
zonas,
caracterizadas por diferente concentración de sólidos y, por lo tanto, diferente velocidad de sedimentación. Dependiendo de cómo se realice la operación, la sedimentación puede clasificarse en los siguientes tipos:
Sedimentación intermitente: El flujo volumétrico total de materia fuera del sistema es nulo,
transcurre en régimen no
estacionario. Este tipo de sedimentación es la que tiene lugar en una probeta de laboratorio, donde la suspensión se deja reposar. Sedimentación continua: La suspensión diluida se alimenta continuamente y se separa en un líquido claro y una segunda suspensión de mayor concentración. Transcurre en régimen estacionario.
Fig.09
Sedimentación continua
La sección del sedimentador pueda calcularse para asegurar la clarificación de la suspensión no significa que se alcance la concentración deseada de sólido en la disolución de salida, Xu. Generalmente el área de la sección requerida para el
espesamiento suele ser mayor que la requerida para la clarificación. El procedimiento desarrollado por Yoshioka y Dick para la determinación de la sección mínima requerida para el espesamiento se basa en las siguientes consideraciones:
Los ensayos de sedimentación llevados a cabo en el laboratorio no corresponden a un funcionamiento en continuo.
La capacidad del sedimentador discontinuo para arrastrar los sólidos a su parte inferior, con una concentración Xi, en funcionamiento discontinuo, viene dada por:
GB = caudal de sólido (kg/m 2 s) Xi = concentración de sólido en disolución (kg/m 3) Vi = velocidad de sedimentación en la zona para una concentración Xi (m/s).
3.1.4.2
Leyes de Sedimentación En los procesos de sedimentación juega un
papel importante la relación de dilución, así como el tamaño de la partícula. De manera práctica, se observa que al verter una pulpa diluida en un cilindro y si se deja asentar, se observa lo siguiente:
Las partículas más gruesas son las primeras en llegar al fondo con relativa facilidad y con mayor velocidad que las de menor tamaño.
Enseguida a la sedimentación de las partículas gruesas, sigue la de los limos llenando los intersticios entre las partículas más gruesas.
Las partículas más finas, las cuales se asientan
lentamente, permanecen en suspensión en la parte superior. En general el movimiento de todas las partículas suspendidas en un fluido, salvo las coloidales, están gobernadas por las leyes de Stokes, (también llamadas leyes de Newton), las cuales son directamente proporcionales al tamaño de las partículas. La ley de Stokes determina la velocidad terminal (W) de la partícula en un fluido cualquiera, tal como se presenta en la siguiente ecuación.
Donde:
W: Velocidad terminal
SGs: Gravedad especifica del sólido
SGl: Gravedad especifica del líquido
g: Aceleración de la gravedad
R: Radio esférico de la partícula
3.1.5
Espesamiento Se define el espesamiento como el proceso mediante
el cual, por acción de la gravedad, se provoca a partir de una mezcla bifásica el asentamiento de las partículas sólidas suspendidas en un líquido, generando una pulpa espesada en la parte inferior y un líquido clarificado sobrenadante en la parte superior. Si bien, los más importantes desarrollos tecnológicos modernos para el espesamiento se han desarrollado en la industria minera, en especial en la industria metalúrgica, donde
las aplicaciones más exigentes y robustas han sido requeridas, hoy en día encontramos soluciones en la industria química y de aguas residuales, entre otras.
3.1.6
Tecnología de espesamiento Esta tecnología hace posible el incremento de los
ratios de procesamiento convencionales de 0.45t/m²/h a 2.7 t/m²/h. Es así que en el mercado podemos encontrar espesadores de alta eficiencia (HRT), alta capacidad o compresión (HCT) y de cama profunda o pasta (DBT).
3.1.6.1
Parámetros de espesamiento
Tasa de alimentación
Tamaño y forma de las partículas
Diferencia de gravedad específica entre sólido y líquido
Tipo, dosificación y forma de aplicación del floculante
Viscosidad
Temperatura del flujo de alimentación
Arreglo de alimentación
Velocidad de rotación de rastra
3.1.6.2
Velocidad critica
Se define la velocidad crítica como aquella velocidad en la cual las partículas contenidas en la pulpa empiezan a sedimentar. Por lo tanto el diseño del sistema de transporte de cualquier pulpa debe contemplar operar a una velocidad por encima de esta velocidad crítica, de tal manera que prevenir la sedimentación y obstrucciones en la tubería.
A pesar de que se conoce que al aumentar la concentración de sólidos (a una consistencia de pasta) la pulpa adquiere propiedades de un fluido no sedimentable, sin embargo el relave espesado, en las condiciones en las que se plantea transportar en este estudio, no es ajeno a experimentar velocidad crítica. Tal como se indicará más adelante, la reología de la pulpa espesada en este estudio a la descarga del espesador presenta características que la localizan en una “zona de transición” ent re las pulpas sedimentables y las no
sedimentables. De experiencia de Pullum 2007, se recogen las siguientes conclusiones, referidas a materiales de muy cercanas características a las planteadas en este estudio: 1. “A pesar que al mismo tiempo que el flujo turbulento
disminuye a medida que se aumenta la concentración de sólidos resultando en condiciones de flujo laminares, partículas gruesas podrían sedimentar”. 2. “Recientes investigaciones con pulpas espesadas del tipo
tratadas en este estudio han mostrado que podrían no comportarse completamente en una manera completamente no sedimentable fluyendo homogéneamente en una tubería, ni siquiera a muy altas concentraciones.”
Modelos para predecir la velocidad crítica Se disponen de muchas relaciones matemáticas para la determinación de la velocidad crítica. Algunos de los modelos tradicionales para predecir la velocidad crítica se mencionan a continuación: a) Fórmula de Vocadlo y Sagoo
b) Fórmula de Durand Se aplica para casos de pulpas de baja concentración normalmente hasta concentraciones en volumen hasta 30%. Sin embargo, es factible la extrapolación hasta pulpas hasta ≈35%v. Según Rayo (1993) la fórmula de Durand modificada ha
demostrado
buen
ajuste
para
casos
de
pulpas
con
granulometría gruesa (d50>200μm) y tuberías o canaletas con D > 8”.
Donde:
Di : Diámetro interior de la tubería
FL : Parámetro de Mc. Elvain & cave
Vc : Velocidad crítica
SGl : Gravedad Especifica del líquido
SGm : Gravedad Especifica de mezcla
SGs : Gravedad Especifica de sólidos
g : Aceleración de la gravedad
3.1.6.3
Velocidad de flujo Por prevenir el exceso de erosión, se limitará
la velocidad de flujo (V) por debajo de las siguientes velocidades, según el caso:
V ≤ 4.0 m/s: para tuberías de HDPE
V ≤ 4.5 m/s: para tuberías de acero revestido en HDPE
V ≤ 6.0 m/s: para tuberías de acero revestido en goma
3.1.6.4
Velocidad de transición Se define la velocidad de transición (Vt) como
aquella que representa el paso del régimen laminar hacia el régimen turbulento, y viceversa. Es decir que, a dicha
velocidad, ninguno de estos dos regímenes es el predominante. Para nuestro caso de aplicación, se empleará la Ecuación desarrollada por Slatter (2005: 68) para pulpas semiespesadas11:
Donde:
Vt : Velocidad de transición
Kt : Factor de Slatter
Ƭ : Resistencia a la fluencia
ρ : Densidad
La experiencia, tanto en pulpas convencionales como semiespesadas, ha demostrado que es preferible operar en régimen turbulento, excepto en el caso de transporte de pasta no segregable, debido a que operar en regímenes laminares presenta serios problemas. Esto es porque al no presentarse corrientes turbulentas que permitan la re-suspensión de partículas gruesas, todas las partículas sólidas susceptibles a sedimentar lo harán en el fondo de la tubería permaneciendo y aumentando en número hasta finalmente bloquear la tubería.
3.1.6.5
Altura dinámica total La altura dinámica total (TDH, por sus siglas
en inglés) es la presión, expresada en metros del fluido que es transportado, que se debe desarrollar para trasladar el fluido en mención desde un punto A hasta un punto B. La expresión para calcular la altura dinámica total del sistema se calcula mediante la siguiente ecuación:
Las componentes ΔH, ΔP y Hf son las de mayor impacto en la
determinación del TDH, siendo la estas: la diferencia en elevación, la diferencia de presión y la fricción ocasionada por el fluido a través de la tubería respectivamente. Por otro lado, la componente Φ representa pérdidas menores, generadas por la presencia de válvulas y accesorios (fittings) en la tubería. Las pérdidas de carga menores serán calculadas considerando el coeficiente de resistencia K de tablas.
3.1.6.6
Factor de corrección de la altura dinámica
total Con el objeto de conocer la performance real de las bombas de pulpa, es necesario realizar una corrección por la presencia de sólidos en el fluido, debido a que sin excepción, todas las curvas de bombas son referidas al agua limpia. La altura dinámica total calculada (TDH) será corregida por un factor (Hr), de acuerdo con la siguiente ecuación:
Donde:
TDHw : Altura dinámica total referida al agua
TDH : Altura dinámica total referida a pulpa
Hr : Factor de corrección por contenido de solidos
Los siguientes puntos deberán ser considerados para el diseño de bombas de pulpa: 1. El máximo flujo de operación, incluyendo fluctuaciones, no deberá exceder el 75% de la capacidad total de la bomba.
2. La potencia nominal (extraída de tablas) deberá ser al menos 10% mayor que la potencia absorbida calculada. 3. Para prevenir el desgaste prematuro del impulsor, se considerará una velocidad del impulsor en la periferia (tip velocity) no mayor a 40 m/s.
3.1.7
Consideraciones para el dimensionamiento de
espesadores Según
Gupta
(2006:
401):
“Las
principales
consideraciones para el diseño de espesadores son; la tasa de sedimentación de la partícula con la sedimentación más lenta, y las condiciones para minimizar la perturbación del medio 9” A continuación
tres
de
los
principales
criterios
para
el
dimensionamiento de espesadores (Wills 2006: 385): 1.
Área: El área de un espesador debe ser tal que proporcione el tiempo de residencia adecuado para los requerimientos de porcentaje de sólidos en la descarga. El parámetro unitario para dimensionamiento del espesador, se expresa mediante el área disponible por unidad de sólidos seco en peso por día.
2.
Caudal de rebose: Se refiere al flujo de ascenso del agua a través del tanque del espesador. Este valor deberá ser lo suficientemente bajo para que la turbulencia excesiva no interfiera con la velocidad de sedimentación de las partículas en el equipo.
3.
Tiempo de retención: Esta referido al tiempo disponible para la sedimentación y posterior compactación de la cama. Los sólidos no se sedimentan simplemente en el fondo del tanque y son arrastrados por los brazos de
barrido hacia la descarga, sino que la pulpa debe pasar por la zona de compresión donde se tiene el tiempo suficiente para espesar a la densidad final, pero sin que sea lo suficientemente largo para que el mecanismo se sobrecargue.
3.1.8
Selección del floculante Ya que es imposible la predicción teórica de cuál
floculante sintético es el más adecuado para una suspensión en particular, la selección de floculantes es un proceso empírico, hecho en base a una preselección basada en la experiencia (Day 2002: 192). El criterio de selección del floculante óptimo se basa en la determinación de la velocidad de sedimentación de distintos polímeros con diferentes características iónicas, pesos moleculares, estructuras de cadena, etc. sobre una muestra representativa del material a sedimentar. Aquel floculante que presente la velocidad más alta es considerado óptimo. Este procedimiento es considerado indispensable para la determinación del floculante que se empleara para todas las pruebas de sedimentación y compactación siguientes. Con fines comparativos, las condiciones de la pulpa y dosificación de floculante, entre otras, suelen mantenerse constantes, tal que el efecto del floculante en si pueda ser evaluado sin perturbaciones de otra índole. Usando el praestrol 2530 (floc #3) se espera un resultado excelente.
Graf.06
Velocidad de sedimentación vs. tipo de floculante. Elaboración propia.
3.1.8.1
Porcentaje de dilución y dosificación de
floculante El objetivo es encontrar la dosificación mínima, tal que entregue los mejores resultados operativos sin afectar los costos de operación posteriores. El criterio para la determinación de la dosificación óptima de floculante se basa en la determinación de la velocidad de sedimentación (o tasa de alimentación) de una muestra representativa de pulpa a diferentes dosificaciones de floculante (empleando el mismo floculante pre-seleccionado de la etapa anterior). La Figura presenta el efecto sobre la tasa de sedimentación al variar la dosis de floculante y el porcentaje de sólidos en la alimentación. Se considera tasas de sedimentación de diseño razonables en el rango de 2 a 4 m/h. Para nuestro caso tomaremos sólidos.
Graf.07
Velocidades de sedimentación según dosificación de floculante
3.2
HIPÓTESIS
3.2.1
Hipótesis General Teniendo en cuenta el conocimiento reológico
agilizaría el estudio de recuperación del agua a niveles altos.
3.2.2
Hipótesis Específica
A partir de datos sobre los relaves de cobre que se
encuentran en la zona se podrá determinar el estudio ambiental y social
Estudio a fondo sobre la reología del mineral, entre
otras variables, tendrá como finalidad evaluar a futuro los resultados sobre la recuperación del agua.
3.3
VARIABLES
3.3.1
Identificación de variables Variable X = tecnología de espesamiento
Variable Y = Recuperación de agua de relaves
3.3.2 Definición de Variables Tecnología de espesamiento La tecnología de espesamiento se desarrollara sobre la base de los equipos de espesamiento y filtrado que están orientados a la mediana y gran minería. Esta tecnología está siendo cada vez más utilizada en los últimos años debido principalmente, a que permite una utilización
del
agua
más
eficiente
que
los
relaves
convencionales. Además, los depósitos generados a través de esta tecnología son más estables. Desde la perspectiva ambiental, uno de los mayores problemas provocados por la deposición de relaves es el riesgo de la contaminación de las napas subterráneas debido a la infiltración de aguas desde los tranques donde éstos se depositan. El uso de TTD reduciría este impacto, debido a que contienen un bajo contenido
de
agua,
además
de
material
altamente
impermeable. De este modo, en teoría, se reducirían en forma considerable las infiltraciones hacia el subsuelo. Recuperación de agua de relaves Las operaciones de relaves que filtran relaves en pasta permiten alcanzan recuperaciones (reciclar) del agua contenida en los relaves de 93%. La deposición de relaves secos, nos permiten recuperar el agua en la planta misma, enviando a las relaveras el relave seco (8%-15% de humedad) y mediante fajas transportadoras; siendo los costos del transporte a las
relaveras más convenientes que bombear el agua de la relavera (reciclar) a la planta. Las operaciones de depositar los relaves secos, permiten recuperar mayor porcentaje de, esto quiere decir que una planta puede duplicar la capacidad de tratamiento recirculando el 94% de agua que emplea en su tratamiento y solo necesita menos del 20% de agua fresca, esto permitirá en el futuro reducir los consumo de agua fresca en las plantas concentradoras, reduciendo aún más este consumo por el menor porcentaje de agua perdida por evaporación.
3.3.3.
Operacionalizacion y clasificación de Variables Variables
Vy
=
Tecnología
espesamiento
Indicadores de Tasa de evaporación, densidad, tensión
superficial,
viscosidad
relativa, cinética de extracción y separación de fases. Contenido de solidos de depósito de relaves. Vx = Recuperación de % de Recuperación de agua. agua de relaves
IV.
METODOLOGIA Y TECNICA 4.1 DISEÑO Y TIPO DE INVESTIGACION El presente estudio es de tipo experimental ya que se tomaran muestras y datos de laboratorio relacionados con las empresas mineras cercanas a la ciudad de Tacna, también en el presente plan de tesis se empleó metodologías en el uso de floculantes, en el diseño de los espesadores , entre otros.
4.2 POBLACION Y MUESTRA Las pruebas realizadas fueron a nivel de laboratorio.
4.3 TECNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCION DE DATOS Experiencias de Ingenieros Ambientales, Recolección de información detallada con el estudio de tecnología de espesamiento, junto con simulación de datos para un mejor resultado. Tomando en cuenta los datos se pudo dimensionar los espesadores, para diferentes capacidades.
4.4 PROCESAMIENTO Y ANALISIS DE DATOS El procesamiento de datos se hizo mediante el uso de programas de simulación y de dimensionamiento de equipos, con los datos generados y los resultados podemos decir que el uso de la tecnología de espesamiento es rentable y saludable. Analizándolo desde el punto de vista metalúrgico, decimos que el dimensionamiento de los espesadores debe estar calculado según la reología del área y del mineral. Reológicamente los relaves espesados de cobre presentan cizallamiento yendo, por ejemplo para una concentración de solidos de 66%, de valores iniciales, sin cizallar, alrededor de 150Pa.
V.
ASPECTOS ADMINISTRATIVOS DE LA INVESTIGACION 5.1 PLAN DE ACCIONES Y CRONOGRAMA
ACTIVIDADES
TRIM 1 TRIM 2 M M M M M 1 2 3 1 2
1
Planificación
X
1.1
Información del tema X Elaboración de los X objetivos Elaboración del marco teórico Formulación del plan Revisado y aprobado Instrumentación Elaboración de instrumentos de investigación Gestión y apoyo institucional Diseño y validación del plan Ejecución /trabajo en campo Aplicación de instrumentos Análisis de datos Organización y tabulación de datos Analisis e interpretacion de datos Preparación del informe final Redacción del borrador de informe Revisión y aprobación del borrador de informe Edición final Presentación y/o sustentación Presentación del informe final Sustentación
1.2 1.3 1.4 1.5 2 2.1 2.2 2.3 3 3.1 4 4.1 4.2 5 5.1 5.2 5.3 6 6.1 6.2
AÑO 1 TRIM 3 M M M 3 1 2
TRIM 4 M M M M 3 1 2 3
X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
5.2 RECURSOS UTILIZADOS 5.1.1 Recursos humanos: Para la aplicación de esta tecnología se estima alrededor de 150 personas.
5.1.2 Recursos materiales:
Balanzas de precisión.
Reactivos.
Materiales de laboratorio básico.
Floculantes.
Equipos de seguridad en laboratorio.
5.3 PRESUPUESTO Y FINANCIAMIENTO DE LA INVESTIGACION En un principio nos dedicaremos a la búsqueda de datos e información de todo lo relacionado al tema de la aplicación de la tecnología de relaves. Por la cual solo
invertiremos todo el tiempo posible a
desarrollar el plan de tesis. Posteriormente, en el desarrollo de tesis parte del financiamiento saldrá de uno mismo, y por lo demás parte de la empresa.
Descripción
Presupuesto total
Bienes
S/.200.00
Servicios
S/.50.00
Otros
S/.50.00
Total
S/.300.00
%
100
Financiamiento Recursos propios
UNJBG(*)
Otros
X X X
5.4 RESUMEN En el presente plan de tesis se ha propuesto ver el punto físico-químico de los relaves con lo cual se ha propuesto el estudio de aplicación de la tecnología de relaves espesados. Esta tecnología resulta de vital importancia al optar por el espesamiento de relaves por encima de los niveles convencionales como solución tecnológica ante problemas tales como: escasa disponibilidad de agua para los procesos metalúrgicos en zonas áridas, de inestabilidad de presas por efectos de licuefacción de relaves, de reducidos volúmenes de almacenamiento disponibles en presas de relaves, y ante problemas ambientales por la generación de agua ácida, entre otros. Con la aplicación de esta tecnología se pretende disminuir los problemas medioambientales y sobretodo los problemas sociales con las poblaciones cercanas a áreas de trabajo metalúrgico.
5.5 CONCLUSIONES
El estudio de pre-factibilidad realizado indica que es factible técnicamente la instalación de un sistema de recuperación de agua a partir de relaves de flotación de cobre mediante tecnologías de espesamiento, para el caso de grandes tonelajes 100 000 t/d, cuyo concepto y filosofía de operación pueda aplicarse a otros casos de plantas de tratamiento de gran minería de esta magnitud.
Reológicamente los relaves espesados de cobre
presentan cizallamiento yendo, por ejemplo para una concentración de solidos de 66%, de valores iniciales, sin cizallar, alrededor de 150Pa a valores cercanos e inferiores a 60Pa tras la aplicación de cizallamiento mecánico externo
VI.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
GOLDER ASSOCIATES 2007 Supervisión de pruebas piloto HCT para el desaguado de relaves de Cuajone y pruebas de canaleta. Southern Copper Corporation.Versión Final. Toquepala,Perú.
INGESITE 2009 Pagina web de IngeSite - Ingeniería y Construcción. Consulta: 9 de Agosto de 2009. http://ingesite.com/2009/06/29/
ITESCAM 2010 Introducción a la reología. Consulta: 23 de Mayo de 2010. https://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recurs os/r53208.DOC
KING, Donald L. 1982 Espesadores. En MULAR, Andrew y Roshan BHAPPU (editores). Diseño de plantas de proceso de minerales. Segunda edición. Madrid: Editorial Rocas y Minerales. pp. 83-126
NUÑEZ, Adolfo s/a Decantación y clarificación. Floculantes. Ensayos. Material de enseñanza.
