Ciclones Y Flotacion

Universidad Nacional de Ingeniería Flotación

Ciclón -

UNIVERSI DAD NA CIO NAL DE FAC ULT ADINGEN DE I NGEIERIA NIE RÍ A Q UÍ MI CA Y TEX TIL

Ciclones - Flotación

CURSO

:

PROFESOR

:

Operaciones en Ingeniería Química

Alejandro Huapaya Sánchez

2009-I

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UNI - 2006

Universidad Nacional de Ingeniería Flotación CICLONES Y FLOTACIÓN

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CICLONES I. INTRODUCCIÓN La clasificación es la operación en la que se produce la separación de un sistema particulado, de una cierta distribución granulométrica, en dos fracciones, una con una distribución en la que prevalecen los tamaños mayores y en otra los tamaños menores. Esta operación es de amplio uso industrial y su objetivo principal es manipular las distribuciones de tamaños de los flujos en una planta con el fin de optimizar el comportamiento de otras operaciones. II. PRINCIPIOS DE LA CLASIFICACIÓN El principio empleado en la clasificación para producir la separación, depende de la magnitud de los tamaños de las partículas que componen el sistema. Cuando se trata de tamaños gruesos la separación se produce por el impedimento físico de una superficie provista de aberturas, la que retiene sobre ella aquellas partículas con tamaños mayores que su abertura; en este caso la operación se denomina Harneado. Cuando los tamaños de la distribución son relativamente pequeños, la separación se realiza haciendo uso de principios hidrodinámicos (sedimentación) y la operación recibe el nombre de clasificación. No existe un tamaño de partícula que representa una frontera entre la aplicación de estos dos principios, sino que más bien ésta queda definida principalmente por la eficiencia de los equipos, la magnitud y la naturaleza de la operación. Existe una gran variedad de propósitos que justifican una separación por tamaños, en la industria minera, los principales son:  Prevenir la entrada de finos a las etapas de reducción de tamaño, así se evita la entrada de finos a las etapas de reducción de tamaño, se evita la formación de lamas y se aumenta la capacidad y eficiencia del proceso.  Prevenir que los gruesos pasen a la siguiente etapa, en circuito cerrado en operaciones de reducción de tamaño.  Preparar un material de rango de tamaño más estrecho para aumentar la eficiencia de otras operaciones en el procesamiento de minerales: Flotación, concentración gravitacional, etc. III. CLASIFICACION El campo de la clasificación comprende aquellas operaciones de separación por tamaños que utilizan como principio de separación la velocidad de sedimentación. Entendiéndose por velocidad de sedimentación, la velocidad relativa entre un fluido y un sólido que se produce por la acción de un campo de fuerza externo como el gravitatorio o uno centrífugo. Si se considera y analiza el comportamiento de una esfera, sumergida en un fluido en reposo, y sometida a un campo por ejemplo el gravitatorio; se puede verificar que la partícula comenzará a desplazarse con una velocidad creciente hasta alcanzar una velocidad constante denominada velocidad terminal. Las fuerzas que actúan en el sistema son el peso de la partícula, la fuerza de empuje debida al principio de Arquímedes, y la fuerza de arrastre que evalúa el roce que se produce entre partícula y fluido debido al desplazamiento. Los mecanismos en que se basan los equipos disponibles para clasificación de sistemas particulados, de acuerdo al sistema, es posible observar tres situaciones, según sea la magnitud de la velocidad del fluido (Vf).

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 Si V>Vf se observará que la partícula cae con velocidad V + Vf  Si V=Vf se observará la partícula estática  Si V
2.−Clasificador de Flujo Horizontal: Los de flujo transversal y horizontal se caracterizan porque el campo de fuerzas es perpendicular al campo de velocidades. Durante el trayecto las partículas sedimentan de acuerdo a su tamaño, densidad y concentración, de modo que el material de rebalse tiene una

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composición más fina que la alimentación. El mecanismo de eliminación del material grueso sedimentado desde el fondo de la unidad constituye la principal diferencia entre los equipos de uso industrial; el clasificador de rastras (Dorr) y el de espiral (Akins). Estos equipos han sido prácticamente desplazados por el hidrociclón, sin embargo aún se utilizan en plantas de pequeño tonelaje. El tamaño de corte y la calidad de la separación dependen del volumen y turbulencia de la piscina, que se manejan con una serie de factores: a).− Si se aumenta el flujo de alimentación aumenta la componente horizontal de la velocidad, aumentando el tamaño de partículas en el over flow. b).− La alimentación no debe realizarse directamente sobre la piscina para evitar la turbulencia. c).− La velocidad de mecanismo no debe ser tan alta como para producir mucha turbulencia, sin embargo debe tener la velocidad suficiente para transportar la arena sedimentada. d).− La altura del rebalse define el volumen de la piscina, mientras mayor, es el volumen, mayor es el tiempo de sedimentación y menor la agitación en la superficie, la que determina un rebalse con partículas más finas. e).− La dilución es una de las variables más importantes de estas unidades, mientras mayor es la dilución disminuye el efecto de sedimentación impedida y más fino es el tamaño de corte. Una de las mayores desventajas de estas unidades es la incapacidad de producir un overflow muy fino con una densidad de pulpa razonable. 3.− Clasificadores centrífugos: Dentro del grupo de clasificadores centrífugos se encuentra el ciclón, el hidrociclón, que utilizan el campo centrifugo generado por la rotación del fluido, para acelerar la velocidad de sedimentación de las partículas. El hidrociclón: Es un estanque cilíndrico−cónico, con una alimentación tangencial en la parte superior. Posee dos salidas, una situada en el centro y en lo alto de la parte cilíndrica denominada vortex y una en el extremo inferior del cono denominada ápex. La entrada tangencial produce un movimiento de vórtice en tres dimensiones. El movimiento axial es positivo (hacia el vórtex) cerca del eje y negativo (hacia el ápex) en las cercanías de las paredes. El movimiento tangencial es siempre positivo teniendo un máximo a cierto radio intermedio, pero más cercano al eje.

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Variables que afectan la operación del hidrociclón: De diseño: las variables de diseño definen el comportamiento grueso del hidrociclón, el tamaño de corte y la nitidez de separación. Las más importantes son: T  amaño de la unidad. T  amaños de la alimentación Vórtex y ápex El tamaño de corte depende principalmente del diámetro de la unidad, aumentando con un aumento del diámetro. Parámetros del material: de los parámetros del material, el mas importante es la densidad del material, en la cual si es mayor no se produce una sedimentación y si es menor se mantienen las partículas en suspensión por mucho mas tiempo. De operación: En las variables de operación se pueden distinguirse entre variables de entrada y salida. Entre las de entrada se tiene el flujo, la concentración y la presión de alimentación. La concentración expresada como fracción volumétrica es la principal variable de control que permite que permite cambiar en forma inmediata el tamaño de corte. La mayoría de los investigadores concuerda en que un aumento en la concentración aumenta el tamaño de corte, variante entre 0.1 y 0.25. El tamaño de corte puede variar 1.8 veces por este concepto. La presión de alimentación y el flujo de material están relacionados íntimamente y determinan la capacidad del equipo. Un aumento en el flujo mejora la eficiencia por un aumento en la fuerza centrifuga y así partículas más finas son llevadas al underfow.

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Entre las variables de salida interesa la granulometría del rebalse y la proporción de agua que aparece en la descarga. Existe una interrelación entre ellas, ya que la proporción de agua influye en el cortocircuito y la granulometría del rebalse es función de la curva de clasificación y de la fracción de cortocircuito. Perturbaciones: La principal perturbación es la distribución granulométrica de la alimentación. V. CONCLUSIÓN El único objetivo de la clasificación es la separación de un sistema de partículas en una cierta distribución de granulometría mediante dos procesos los cuales consisten los prevalecen los tamaños mayores y los tamaños menores. Esta operación cumple una amplia importancia en la minería y en gran importancia en la piro metalurgia ya que es este proceso el que me prepara las partículas sólidas para la flotación. En esta se manipula la distribución de tamaños de los flujos en una planta con el fin de optimizar el comportamiento de otras operaciones.

FLOTACIÓN 1. DESCRIPCION DEL TEMA La flotación es un proceso metalúrgico de separación de materias de distinto origen que se efectúa desde sus pulpas acuosas por medio de burbujas de gas y a base de sus propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas. En general, es un proceso de separación, pues se trata de la individualización de las especies mineralógicas que representaban anteriormente una mezcla mecánicamente preparada. Cuando las especies útiles constituyen una fracción menor del mineral y las especies estériles son de gran volumen, las separaciones por flotación toman el aspecto de un proceso de concentración. La flotación es un proceso sumamente complejo donde intervienen muchas variables que se explican mejor mediante el estudio de la cinética de la flotación o sea, la recuperación de especies minerales en la espuma en relación con el tiempo. Sin entrar en detalles del mecanismo cómo se unen las partículas con las burbujas, se pueden considerar los fenómenos en forma estadística, utilizando los factores cinéticos que participan en el proceso y obteniéndose formulas matemáticas con las que se pueden graficar curvas de cinética de flotación que depende del carácter del mineral y de la máquina de flotación. Desde que se desarrolló por primera vez la flotación como un método de concentración, se han introducido muchos diseños de máquinas de flotación, todas con operaciones mecánicas y/o neumáticas que originan desgastes de equipos y altos consumos de energía. La eficiencia de una máquina de flotación, en consecuencia, se determina por el tonelaje que puede tratar por unidad de volumen, calidad de los productos obtenidos y recuperaciones, consumo de energía eléctrica, reactivos, gastos de operación y mantenimiento necesarios por tonelada del mineral. Actualmente las máquinas mas usadas por su importancia tecnológica, por lo menos en lo que se refiere al Continente Americano, son las celdas de flotación Denver Sub “A”, Agitair, y de columna. En la tesis se plantea un nuevo concepto de máquina de flotación, para lo que se utiliza la teoría del Profesor Jameson de la Universidad de Newcastle , Australia, el ensamblaje nacional de un

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prototipo de celda piloto de flotación, y el desarrollo de pruebas metalúrgicas utilizando diseños experimentales activos en los circuitos de limpieza de concentrado de zinc de la planta concentradora Shorey de mineral polimetálico, resultados que permitirán realizar las correspondientes evaluaciones y el modelo matemático. 2. ANTECEDENTES: Para el Perú la minería y por ende la metalurgia es y tendrá que ser cada vez más la actividad económica principal, para nuestro crecimiento integral y sustentable en el tiempo. Somos el segundo productor mundial de plata, tercero en zinc, cuarto en plomo, quinto en cobre y sexto en oro. 3. CINÉTICA DE LA FLOTACIÓN: Entre los problemas más importantes de la cinética de la flotación se encuentra el de la definición de velocidad de flotación, o sea, la recuperación de especies minerales en la espuma en relación con el tiempo (4). En el proceso de flotación, dentro de un solo experimento que dura varios minutos, participan normalmente centenares de millones de partículas y decenas de millones de burbujas. Sin entrar en detalles del mecanismo cómo se unen las partículas con las burbujas, se pueden considerar los fenómenos en forma estadística, utilizando los factores cinéticos que participan en el proceso. Uno de los primeros trabajos sobre cinética de flotación en el que se destaca en una flotación semi-batch (García-Zúñiga), la fracción de sólidos no flotables remanentes en una celda de flotación, decae con el tiempo. R = R4 (1-exp(-kt)) Ecuación García -Zúñiga Cabe destacar el modelo propuesto por Klimpel, especialmente por el énfasis que pone este autor en la utilidad del cálculo de k para la evaluación y selección de reactivos de flotación, el modelo propuesto es el siguiente: R = R4 {1-(1/kt) [1-exp(-kt)]} Ecuación de Klimpel (2, 0) Se han desarrollado muchas investigaciones en flotación, destacándose los autores Fuerstenau (1972), Sutulov (1979), Raghavan (1984), Shirley (1979), Dobby (1987), Yoon (1989) ,Beas y Crozier (1992), Castro et al. (1993), Castro y Mayta (1994), entre otros. 4. EQUIPOS DE FLOTACION Desde que se desarrolló por primera vez la flotación como un método de concentración, se han introducido muchos diseños de máquinas de flotación Todas ellas pueden considerarse comprendidas en dos categorías: Las máquinas de flotación mecánicas, que han sido las de mayor uso hasta la actualidad y las máquinas de flotación neumáticas. Dentro de cada categoría existen dos tipos, las que trabajan como un solo tanque y las que trabajan como una batería de tanques. La mayor parte de la flotación se lleva a cabo en bancos de celdas de flotación.

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Aunque existen muchos diseños diferentes de máquinas de flotación, todas ellas tienen la función primaria de hacer que las partículas que se han convertido en hidrofóbicas entren en contacto y se adhieran a las burbujas de aire, permitiendo así que dichas partículas se eleven a la superficie y formen una espuma, la cual es removida. Para lograr esta función, una buena máquina de flotación debe: 1. Mantener todas las partículas en suspensión. 2. Asegurar que todas las partículas que entren en la máquina tengan la oportunidad de ser flotadas. 3. Dispersar burbujas finas de aire en el seno de la pulpa. 4. Promover el contacto partícula-burbuja. 5. Minimizar el arrastre de pulpa hacia la espuma.

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6. Proporcionar suficiente espesor de espuma. Los factores principales para calificar el rendimiento de la máquina son: 1. Rendimiento metalúrgico, representado por la ley y la recuperación. 2. Capacidad, en TMH y por unidad de volumen. 3. Costos de operación por tonelada de alimentación 4. Facilidad de operación (la cual puede bien ser subjetiva). Según el método de introducción del aire a la pulpa, podemos distinguir diferentes tipos de máquinas: 1. Máquinas mecánicas, en la que el aire se introduce por agitación mecánica y en cuya distribución es de fundamental importancia un agitador. 2. Máquinas mecánicas, en que el aire se introduce bajo presión en la parte inferior de la pulpa, manteniendo la agitación mecánica. 3. Máquinas neumáticas, la inyección de aire se produce a elevada presión (compresoras) no se cuenta con agitación mecánica. Una buena máquina de flotación debe tener facilidades para: 1. Alimentación de la pulpa en forma continuada. 2. Mantener la pulpa en estado de suspensión. 3. Evitar las sedimentaciones. 4. Separación apropiada de la pulpa y de la espuma mineralizada. 5. Evacuación de la última en forma ordenada. 6. Fácil descarga de los relaves. 5. REACTIVOS UTILIZADOS Molienda Aerofloat 25 Es un colector más débil que el xantato, es utilizado en la molienda para adicionar las partículas de plomo que van a ser afectadas en las celdas flash. Flotación Xantato 343 Color: amarillo Se utiliza como colector de las diferentes partículas de plomo, es decir, reacciona en la superficie de las partículas del mineral para volverlas hidrofobicas y poder flotarlas.

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La flotación se realiza generalmente para la recuperación de metales que se encuentran en el mineral como sulfuros, aunque existen casos donde se usa para la recuperación de especies oxidadas o de no-metálicos.

Tanque de Flotación con espuma mineralizada de sulfuro

Burbujas de Flotación

Flotación con Sulfurización

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Los hidrofobización de la galena considerando la influencia del oxígeno en la superficie mineral (metales nativos y sulfuros puros son hidrofílicos) es de acuerdo a las siguientes reacciones(4): 1. Oxidación superficial de la galena a sulfatos, sulfitos o Thiosulfatos:

2. Reemplazo de los sulfatos, sulfitos a carbonatos en el sistema abierto al aire:

3. Reemplazo del sulfato, sulfito o carbonato de plomo superficial por xantato, formando xantato de plomo que es más estable que los carbonatos, sulfatos, sulfitos de plomo:

La adsorción química del xantato sobre la galena es originada por monocapas de xantatos y precipitados de xantato de plomo en multicapas. En flotación de minerales oxidados de plomo: cerusita y anglesita que tienen una oxidación profunda, el procedimiento más ampliamente usado es la sulfurización de sus superficies; después de este tratamiento, colectores tipo xantatos: amil, isopropil, isobutil, pueden emplearse satisfactoriamente. El objetivo principal del proceso de sulfurización es convertir la superficie de los minerales oxidados en sulfuro de plomo, dando como resultado una superficie menos hidrofílica, mediante la adsorción química del ion sulfuro. Como el ión sulfuro tiene un radio relativamente grande, no presenta enlace hidrógeno y la superficie sulfurizada se hidrata menos que los carbonatos y sulfatos, además el agente sulfurizante precipita como sulfuro los iones metálicos en solución13, reduciendo el consumo de colector durante la flotación. Las reacciones de sulfurización comúnmente se llevan a cabo en medio alcalino, donde la especie predominante del ión sulfuro es el ión bisulfuro (HS-), puesto que en soluciones alcalinas, las superficies minerales presentan un alto grado de hidratación.

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La reacción general de sulfurización9 de carbonatos sulfatos y silicatos puede ser representada por:

Se ha encontrado que la velocidad de sulfurización de la cerusita es mayor que la anglesita, este fenómeno determina la mayor flotabilidad de la cerusita frente a la anglesita en las mismas condiciones. El efecto benéfico que se obtiene con la sulfurización puede volverse totalmente adverso, cuando el ión sulfuro no se agrega en óptimas cantidades: un exceso actuará como depresor, como lo hace con los sulfuros durante la flotación, en consecuencia la adición de sulfuro es muy crítica cuando se flota cerusita y anglesita. La adsorción química de la especie activa del ión sulfuro (HS-) da como resultado una superficie más negativa, evitando así la adsorción del ión xantato mediante repulsión electrostática (López Valdiviezo, 1983). En procesos prácticos cuando se agrega sulfuro en exceso(3), hay que esperar que el sulfuro reaccione con el oxigeno hasta el equilibrio y que el oxígeno gobierne el sistema para restituir las propiedades de flotación. Fleming demostró que la sulfurización ocurre por formación del PbS en la superficie de la cerusita y anglesita, Marabini reportó que esta cobertura de PbS era de unos 15 lechos moleculares de espesor y que la cinética de la reacción duraba unos 30 segundos. Reactivos y Reacciones Químicas Los reactivos que se usan para sulfurizar son:

El reactivo más usado es el sulfuro de sodio, en contacto con el agua se hidroliza por ser una sal que proviene de una base fuerte y ácido fuerte:

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Como se puede ver, la reacción de disociación del Na2S introduce iones OH- produciendo alcalinidad, por otro lado los iones hidrosulfito SH- y sulfuro S-2 son los agentes activos que actúan sobre los minerales oxidados11. Si la concentración del sulfuro de sodio es suficiente, se formará, rápidamente un lecho grueso sobre el óxido, produciendo las siguientes reacciones para el caso de la cerusita:

El cambio de color claro de la cerusita que se ennegrece conforme se forman los sulfuros de plomo, es muy marcado, también se ha comprobado que para flotar cerusita no tiene que estar totalmente sulfurizada y de color negro4,siendo suficiente una sulfurización parcial que se manifiesta por el color café, además el sulfurizante debe agregarse significativamente al inicio y el resto hacerlo por etapas en los diferentes puntos del circuito de flotación. Como explicamos al inicio, los sulfuros no adsorben xantatos si es que no hay oxígeno en su superficie por esta razón los minerales oxidados y sulfurizados no pueden reaccionar con los xantatos luego de la sulfurización; por lo tanto, no flotan mientras los iones S-2 y S están libres, los cuales deben oxidarse y desaparecer de la pulpa, produciéndose la flotación cuando el oxígeno desplaza a los iones sulfurizantes de la solución.

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Estudios recientes sobre sulfidización indican que la presencia de sales de metales alcalinotérreos son perjudiciales para la flotación, porque reacciona con los productos provenientes de la sulfurización, pasivando los sulfuros o minerales sulfurizados con una capa de carbonato de calcio de acuerdo a la siguiente reacción:

El uso de hidrosulfuro de sodio: NaHS o ácido sulfihídrico: H2S en vez del sulfuro de sodio es recomendable para evitar este efecto, formando bicarbonato de calcio soluble en vez de carbonato de calcio insoluble de acuerdo a las siguientes reacciones en medio ácido o ligeramente ácido.

La flotación de la anglesita9 se puede realizar agregando bicarbonato de sodio, transformando la superficie de este mineral en carbonato de acuerdo a la reacción:

Luego la reacción de sulfurización de la anglesita carbonatada es:

La adsorción del xantato es similar a lo explicado para galena y cerusita, con esto se consigue flotar anglesita 6. ESQUEMAS DE TRATAMIENTO

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Para el caso del mineral estudiado que está constituido por galena, esfalerita y cerusita se tienen las siguientes alternativas3 y orden de flotación: 1. Flotación de galena, esfalerita, cerusita, o 2. Flotación de galena, cerusita, esfalerita, 3. Flotación de sulfuros bulk: plomo y zinc seguida de flotación de cerusita. 4. Flotación de sulfuros bulk: plomo y zinc seguida de flotación diferencial de PbS/ZnS y luego flotación de cerusita del relave bulk. Como se puede observar la flotación de minerales oxidados es difícil y compleja y se agrava cuando tiene además minerales sulfurados; por ejemplo, en el caso 1 para activar la esfalerita es necesario sulfato de cobre que deprime a la cerusita y en el segundo caso hay que usar sulfurizante para la cerusita, que deprime a la esfalerita, además si el mineral contiene pirita, marcasita o pirrotita, estas se activan con el sulfato de cobre y sulfuro de sodio por lo que se tiene que deprimir con cianuro o flotarlas antes de recuperar la esfalerita opción 1 o antes de flotar la cerusita opción 2 y al inicio cuando se opta por las alternativas 3 ó 4. Por las características químicas y mineralógicas, para este mineral, las opciones que más se ajustan para beneficiarlo son: 1 y 3. Los diagramas de flujo, puntos de adición de reactivos y resultados obtenidos se reportan enseguida 7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN - El problema de los minerales óxidados de plomo es que son muy solubles, suaves, contienen un alto contenido de finos, aumentando el porcentaje de lamas durante las operaciones de reducción de tamaño, lo que implica un alto consumo de reactivos de flotación y bajos resultados en leyes y recuperaciones. - A medida que aumenta el producto de solubilidad de los minerales la flotabilidad disminuye, los minerales oxidados de plomo tienen productos de solubilidad mayor que sus correspondientes sulfuros.

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Figura N.º 1. Diagrama de Flujo de Flotación Selectiva de Sulfuros Pb-Zn y Flotación de Pb Oxidado.

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Figura N.º 2. Diagrama de Flujo de Flotación Bulk: Plomo-Zinc y Flotación de Plomo Oxidado

Cuadro Nº 1: Flotación selectiva: PBS/ZNS/PBOX*

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Cuadro Nº 2: Flotación BULK Pb-Zn/PbOx*

Cuadro Nº 3: Resumen de flotación selectiva (BATH)*

Cuadro Nº 4: Resumen de flotación BULK (BATCH)*

Cuadro Nº 5: Resumen de flotación selectiva (Planta concentradora)*

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Escalamiento industrial por método de Split Factor

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Cuadro Nº 6: Resumen de flotación BULK (Planta concentradora)*

- La solubilidad de la anglesita es varios cientos de veces más alta que la cerusita, esto se debe a la presencia de un número significativo de cationes de plomo en los niveles superiores de superficie durante su fractura, por el contrario la anglesita se caracteriza por la ausencia de estos iones de plomo; por este motivo la anglesita es menos flotable que la cerusita. 8. CONCLUSIONES - La cerusita tiene buen comportamiento al flotarlo con colectores sulfuhídricos previa sulfurización; la reacción principal:

- El mineral investigado tiene buena ley de plomo, plata y zinc, estando el plomo mayormente oxidado lo que implica que será necesario considerar circuitos de flotación de sulfuros y óxidos. - El método de flotación selectiva produce concentrados de: plomo, zinc y plomo oxidado con leyes comerciales pero son necesarios tres circuitos de flotación, con alto consumo de reactivos para controlar parcialmente el exceso de finos y el zinc que se encuentra fuertemente activado, el circuito de flotación es complicado y las recuperaciones se ven severamente afectadas. - Flotar los sulfuros en un bulk Pb-Zn, seguida de flotación de óxidos, representa un diagrama de flujo sencillo, con adición de reactivos convencionales, sólo son necesarios dos circuitos de flotación, producen los mejores resultados en leyes y recuperaciones y los concentrados obtenidos se pueden vender fácilmente, en consecuencia es el esquema de flotación más adecuado para este mineral, como lo demuestra el CUADRO 6

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