7 espesamiento y filtración

Bioseguridad y Salud Ocupacional 106

UNIDAD VII

“ESPESAMIENTO Y FILTRACIÓN”

1. INTRODUCCIÓN

El producto de una planta concentradora como sabemos resulta ser un concentrado final. Este producto deberá ser transportado a la fundición o al puerto, si ese fuese el caso. Esta operación de transporte conlleva a que tengamos que realiza operaciones de desaguado o eliminación parcial del agua contenida en la pulpa mineral, para lo cual será necesario disponer de ciertos equipos de separación sólido/líquido.

Los equipos de separación sólido/líquido consisten en espesadores, en los cuales tendrá lugar la sedimentación de partículas por efectos de la gravedad. A continuación se encuentran la filtración del underflow de los espesadores y que pueden ser al vacío o a presión.

Es importante destacar que, para el transporte de los concentrados es requisito fundamental, salvo que dicho transporte se realice en mineraductos, el desaguado de la pulpa. Solamente así tendremos una operación económicamente rentable.

2. OBJETIVOS

Describirlas operaciones de espesamiento y filtración como etapas de la separación sólido/líquido.

Comprender la importancia que representa el desaguado de pulpas para el transporte de concentrados.

Identificar problemas operativos en la separación sólido/líquido.

3. SEPARACIÓN SÓLIDO -LÍQUIDO

Esta fase del proceso de concentración de minerales, consiste en las operaciones unitarias destinadas a eliminar el agua de los productos intermedios o finales de una planta concentradora. Se divide en las siguientes operaciones parciales, en las cuales el agua se elimina por etapas (Ver figura1):


ESPESAMIENTO Y CLARIFICACIÓN Resulta una pulpa espesa con un contenido de sólidos de 50% a 75%.

FILTRACIÓN Cuyo producto final es un cake de sólidos con 8 % hasta 15% de humedad.

SECADO Generalmente por vía térmica y a veces con ayuda de vacío, en el cual la humedad se reduce hasta alrededor de 1%.

Figura N° 1: Etapas de la separación sólido – líquido de una pulpa conteniendo un concentrado


3.1. Espesamiento

Figura N° 2: Vista de un espesador

Ocurre por sedimentación de las partículas y se considera como una primera etapa de desaguado. Produce lodos de 45 – 75% de sólidos y líquidos turbios con menos de 1% de sólidos. La sedimentación se realiza en aparatos denominados espesadores (figura 2).

3.1.1. Espesadores

Son unidades intermitentes o continuas y consisten en tanques de relativamente poca profundidad, desde los cuales se separa el líquido claro por su parte superior y la suspensión espesa queda en el fondo. El espesamiento es un proceso de sedimentación continuo mediante el cual se reduce el contenido de agua de los productos de la concentración hasta obtener una pulpa de alto contenido de sólidos, llamada “underflow”, que se evacúa continuamente, con medios mecánicos, del estanque de sedimentación, mientras que el agua decantada abandona el estanque en forma de rebalse u “overflow”, también continuo, con un contenido de sólidos muy débil o casi nulo. Según si el propósito principal es el espesamiento o la clarificación, se orientará el proceso para acentuar ya sea el contenido de sólidos del underflow o la claridad del overflow. El espesor continuo consiste de un tanque cilíndrico. El diámetro varía de 2 hasta 200 m y la profundidad de 1 - 7 m.


La pulpa se alimenta en el centro por un pozo de alimentación, colocado hasta 1 m abajo de la superficie para causar la menor perturbación posible. El líquido clarificado rebalsa por un canal periférico, mientras que los sólidos que se asientan sobre el fondo del tanque se extienden como pulpas espesas a través de una salida central. El interior del tanque tiene 1 ó más brazos giratorios radiales, desde cada uno de ellos está suspendida una serie de aspas acondicionadas para arrastrar los sólidos asentados hacia el cono de descarga y mantienen la fluidez del material decantado en el fondo. Durante el funcionamiento se distinguen 4 zonas (figura 3).


Figura N° 3: Zonas en un espesador

¿Cuál es la estructura mecánica del espesador? a) Cilindro de alimentación: orienta la dirección de la pulpa. b) Tanque: de acero, madera o concreto. c) Brazos de rastrillo: se mueven sobre el fondo inclinado. d) Paletas o “Scrapers”: ubicados en 90° respecto a los rastrillos y que orientan los sólidos hacia el cono de descarga. e) Mecanismo de propulsión de los rastrillos: provee el torque que mueve los brazos y paletas contra la resistencia de los sólidos. a) Cilindro de alimentación Sirve para orientar la dirección del chorro de pulpa de entrada, disminuir su energía cinética, e introducir el material a una profundidad adecuada. b) Tanque Puede ser de acero, madera o de concreto y estar en forma elevada encima del nivel del suelo o alternativamente sobre el nivel del mismo, con su respectivo fondo inclinado, que facilita la remoción del underflow decantado hacia su punto de descarga. Su canaleta de rebalse para recibir el agua clarificada y el túnel de acceso para control y mantenimiento de las tuberías y accesorios underflow.


Figura N° 4: Elementos en un espesador continuo

c) Brazos de rastrillo Se mueven sobre el fondo inclinado del espesador y cumplen las siguientes funciones:

Conducen los sólidos sedimentados hacia el cono de descarga.

Mantienen la fluidez en el material decantado en el fondo, para asegurar su remoción hidráulica e impedir que se “cemente”.

Incrementa el contenido de sólidos, creando canales en la cama de sólidos por donde se escapa el agua en la zona de compresión.

d) Paletas o “scrapers” Normalmente en brazos distintos a los de rastrillos ubicados en ángulos de 90° con respecto a aquellos que sirven para remover los sólidos en el cono central de descarga y conducir hacia el orificio de salida.

La función primordial del tanque es proporcionar el tiempo de retención para el espesamiento y clarificación de la pulpa ingresante.


e) Canal de rebose Recoge el rebose clarificado y lo lleva a su salida correspondiente. f) Mecanismo de propulsión de los rastrillos

Provee el torque que mueve los brazos contra la resistencia de los sólidos espesados de gran diámetro, a pesar de la baja velocidad de rotación del mismo. g) Mecanismo de alarma automática de sobrecarga y levante de los rastrillos Uno de los problemas operativos más serios de los espesadores estriba en la sobrecarga del mecanismo de rotación de los rastrillos. Existen dispositivos de alarma visual/auditiva que advierten contra aumentos anormales de torque y en caso de alcanzar valores intolerables, actúan sobre mecanismos automáticos de levante de los brazos para reducir el torque y evitar paralización de la rotación y/o daños al mecanismo.

3.1.2. Floculantes

Cuando de espesar partículas muy finas y lamosas se trata (ej.: algunos relaves, pulpas de cianuración etc.) o alternativamente, cuando la superficie del espesador esté subdimensionada (tal vez por cambio de parámetros de operación o por un aumento de producción), se suele agregar a la pulpa ingresante un reactivo denominado floculante. Los floculantes son polímeros de alto peso molecular cuya función es neutralizar las cargas del mismo signo que hace que las partículas finas se repelan. De esta manera las partículas entran en contacto y se adhieran alrededor de las partículas gruesas aglomerándose y sedimentándose.

Los floculantes deben agregarse como soluciones muy diluidas en forma gradual, por etapas, para evitar la formación de coágulos. Además es necesario usarlos en dosificaciones mínimas también por razones de costo y evitar excedentes en el agua que eventualmente puede retornar a la flotación.


3.2. Filtración En la gran mayoría de plantas concentradoras, la filtración es la última etapa de separación sólido/líquido a llevarse a cabo, previo al embarque por camión hacia la fundición o al puerto marítimo para transporte a ultramar. Teniendo presente que el propósito de la filtración es preparar el producto para transporte terrestre o marítimo, antes que para algún tratamiento ulterior de pirometalurgia o hidrometalurgia, cabe determinar la humedad residual óptima, que arroja costo mínimo y máxima seguridad de transporte. (Ej: mínimo peso muerto, sin riesgo de oxidación espontánea ni desplazamiento tixotrópico del material en las bodegas de camiones o barcos) y además mínimas pérdidas de polvo durante manejo y transporte. Esta operación que separa sólidos de líquidos utiliza un medio poroso que retiene el sólido pero permite pasar al líquido y la selección del equipo apropiado depende de varios factores. En cualquiera de los casos se forma gradualmente una torta de filtro (CAKE) sobre el medio poroso.

Adelantaremos que en cuanto a la fuerza para efectuar la filtración a través del medio filtrante y del cake de sólidos, es más débil el vacío (que solamente alcanza a una fracción de la atmósfera sobre todo en la región andina, donde la presión atmosférica se encuentra fuertemente reducida por efectos de la altura); siendo mayor la presión y la fuerza centrífuga, que puede llegar a varias atmósferas.

3.2.1. Filtros de vacío

Figura N° 5: Filtros de discos al vacío


Se incorpora un medio filtrante conveniente, soportado sobre un sistema de drenaje debajo del cual, la presión se reduce al conectar a un sistema de vacío. Pueden ser de tambor o de discos. Se caracterizan por un estanque de pulpa, frecuentemente con un eje de paleta de agitación en su fondo. Los discos o tambores están cubiertos por lona de filtro y los canales de drenaje de los sectores de filtración están conectados con tubos longitudinales en el eje principal. Figura N° 6: Esquema de un filtro de discos Una válvula que constituye el corazón del equipo conecta dichos tubos con una fuente de vacío y con un compresor angular. Están bajo vacío mientras se encuentran en contacto con la pulpa y con aire comprimido en el instante de descargar el cake filtrado (Figura 7). El vacío que se logra a nivel del mar es de unos 20” Hg, pero a 4 000 - 5 000 m. de altura, solamente se alcanza los 2/3, es decir 13” - 15” Hg.

Figura N° 7: Detalle de un filtro de discos al vacío


Los filtros de disco tienen la gran ventaja de ser compactos (ya que normalmente, posee varios discos en paralelo, en un solo estanque) pero que padece con otros filtros de problemas de desprendimiento del cake (que requiere chorros de aire comprimido y un par de cuchillas), de una válvula sensitiva de vacío y de desgaste de los sectores de lona del filtro.


3.2.2. Filtros a presión

Figura N° 8: Moderno filtro a presión

Los filtros a presión producen, por lo general, cakes con humedad inferiores a los filtros de vacío. Su aplicación se extiende especialmente al campo de la hidrometalurgia e industrias químicas, pero en cuanto al desaguado de concentrados minerales, se los emplea para productos lamosos cuya filtración al vacío resulta en cakes con grado de humedad excesivamente elevado. Mientras que los filtros de vacío actúan con gradientes de presión máximas de 1 atmósfera (o menos, en plantas situadas a altura), los filtros a presión actúan con fuerzas varias veces mayores. La mayor parte de estos filtros opera en forma discontinua y actúan con presiones más altas que una atmósfera, por lo que su velocidad de filtración es superior, hasta que se obstruyan los poros del cake. Su construcción mecánica es más sencilla y robusta que la de los filtros al vacío, pero tienen el inconveniente de una capacidad reducida por lo que son discontinuos. En la mayoría de los filtros de presión son discontinuos (filtros prensa), con el inconveniente de necesitarse una multitud de unidades de capacidad reducida por la falta de continuidad y al mismo tiempo requerir un estanque intermedio, acumulador y alimentador de pulpa.


Para corregir, aunque fuera parcialmente, estos inconvenientes, los fabricantes han automatizado los filtros prensas más modernos. Ej. Los ciclos de llenado - secado - abrir/descargar - lavar tela - cerrar y llenar de nuevo, etc. Pueden ser pre-programados y ejecutados mecánicamente sin intervención personal. Uno de los modelos más perfeccionados de filtros prensa automáticos, es fabricado por LAROX, Finlandia. Sin embargo a pesar de las aparentes ventajas mecánicas y metalúrgicas del filtro LAROX, su costo elevado no ha permitido una implantación generalizada y hasta el momento solamente algunas plantas han adoptado dicho modelo. Posiblemente nuevos adelantos y costos más razonables permitirán su aplicación más extensa en el futuro.

4. RESUMEN

La separación sólido/líquido es la fase de la concentración de los minerales que consiste en la operación unitaria destinada a reducir o eliminar el agua de los productos intermedios o finales de la planta concentradora. La operación consta de las fases siguientes: el espesamiento, la filtración y en algunos casos el secado. El espesamiento se lleva a cabo en equipos denominados espesadores y es la etapa en la que se reduce el contenido de agua de las pulpas diluidas hasta obtener un producto llamado “underflow” y en el cual la separación se lleva a cabo por decantación de partículas en función de su peso. En esta etapa cumple una especial función los reactivos llamados floculantes que permiten acelerar la decantación de partículas. De otro lado en la gran mayoría de las plantas concentradoras la filtración es la última etapa de la separación sólido - líquido y tiene lugar tratando el “underflow” de los espesadores con el uso de presión o vacío en equipos llamados filtros. De esta manera se obtiene un producto denominado “cake” el cual algunas veces es sometido a operaciones de secado a fin de ser transportado.

5. GLOSARIO TÉRMINOS

YACIMIENTOS: Formación geológica en la corteza terrestre de diversas formas y variada composición. Está constituida por menas minerales con valor comercial. Se presentan como vetas, mantas, depósitos e impregnaciones en las rocas. MENA: Producto de la explotación minera. Es una asociación compleja de minerales metálicos valiosos, minerales no valiosos y rocas diversas que se


presenta coma una aglomeración de trozos y particular de composición variable. MINERAL: Compuesto natural de propiedad y composición definida. Ejemplos de minerales metálicos: CHALCOSITA (Cu;S), CHALCOPIRITA (CuFeS:), GALENA (PbS), BLENDA a ESFALERITA (ZnS), HEMATITA. Ejemplos de minerales no metálicos: CUARZO, MICA, YESO, FOSFATOS, BORATOS, etc. MINA: Conjunto de labores, construcciones. Instalaciones y equipamiento efectuados por el ingeniero de minas para la explotación de un yacimiento con valor comercial. CABEZAS: Producto de la explotación minera que se alimenta a una planta de concentración (Mena). CONCENTRADOS: Productos metalúrgicos de las plantas de concentración que contienen el máximo de un mineral metálico. Del tratamiento de una mena pueden producirse uno a más concentrados con valor comercial. RELAVES O COLAS: Producto desechado por una planta de concentración que contiene principalmente minerales no valiosos y rocas. El relave es una suspensión en agua de partículas de tamaño De esta manera se obtiene un producto denominado “cake” el cual algunas veces es sometido a operaciones de secado a fin de ser transportado.

6. BIBLIOGRAFÍA

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