hidrometalurgia extraccion disolventes 22 28677 completo

Hidrometalurgia. Extraccin condisolventes (2/2)Autor: ANTONIO ROS MORENO

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Presentacin del curso

Hidrometalrgia. Extraccin con disolventes en esta segunda parte de este cursopodrs aprende de manera terica y prctica la aplicacin de una tecnologa comoes la extraccin con disolventes a un campo concreto la metalurgia o, msexactamente, la hidrometalurgia.Los avances realizados en esta tecnologa y sus enormes posibilidades presentes yfuturas permiten apreciar su aplicacin en la metalurgia extractiva de diversos metales, no solo de los considerados raros, sino tambin de los corrientes. Aprendela mejor forma de extraer con disolventes

metales tanto en su recuperacin comoen su separacin.

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1. Diluyentes

Junto al reactivo orgnico es importante la eleccin del diluyente, ya que, adems deactuar de portador, puede aumentar la selectividad de la operacin.El diluyente acta como medio de dilucin, teniendo como finalidad disminuir laviscosidad de la fase orgnica y facilitar el contacto entre fases. La eleccin deldisolvente adecuado se hace segn sus propiedades y su repercusin en un procesode extraccin. Vamos a verla de acuerdo a la propia tcnica de separacin y a lossolutos que se distribuyen en el proceso de extraccin.Las propiedades y su influencia sobre las tcnicas de separacin son:- Disolver el agente de extraccin, tanto en estado libre como en forma decomplejo metlico.- Tener baja solubilidad en la fase acuosa para evitar, en lo posible, o disminuirlas posibles prdidas por disolucin en dicha fase. Esta solubilidad puede venirinfluenciada por otra variable como es la fuerza inica de la propia disolucinacuosa. Como ejemplo tenemos la acetona, que se hace inmiscible en agua cuandola fuerza inica es aproximadamente 5M.- Mezclarse bien con el agente de extraccin, tanto en su estado libre como ensu forma de complejo metlico, al objeto de disminuir la viscosidad que influyeconsiderablemente sobre dos factores del proceso de distribucin lquido-lquido,como son la agitacin y la separacin de fases.- Estabilidad qumica en un amplio margen para las condiciones de la operacin.- Alto punto de inflamacin (flash point), para evitar riesgos de incendios. Esteha de estar sobre los 60 C. Para ello la presin de vapor del disolvente ha de serelevada a temperatura ambiente.- Baja velocidad de evaporacin con el fin de evitar prdidas por sta causa.- Densidad del orden de 0,8. Esta, a ser posible, ha de ser inferior a la delagua. Con esto favorecemos la separacin de fases, disminuyendo la humedad de lafase orgnica tras el proceso de extraccin, y se reduce la complejidad de la tcnicaexperimental en un proceso de extraccin mltiple.- No tener toxicidad para evitar riesgos durante la operacin.En resumen, se tiende a componentes con baja viscosidad, densidad baja, alto puntode inflamacin, no toxicidad, alta solubilidad del compuesto rgano-metlico, fcilseparacin de fases y de bajo coste.Atendiendo a los solutos que se distribuyen en el proceso de extraccin, tenemosque la constante dielctrica del disolvente condiciona los tipos de soluto a extraer.Cuando se trata de distribuir pares inicos, es apropiado un disolvente que poseauna alta constante dielctrica, y cuando el disolvente se utiliza como diluyente deagentes de extraccin, como compuestos rgano-fosforados, ha de poseer una bajaconstante dielctrica.Generalmente, los disolventes utilizados en la extraccin no presentan absorcin enla zona visible del espectro, pero si lo hacen en la ultravioleta. Por tanto, cuando se

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desea determinar un soluto en una fase orgnica por la tcnica espectrofotomtrica,se debe evitar el solapamiento de las bandas de absorcin del propio disolvente conlas del soluto en cuestin, especialmente en la ultravioleta. Como ejemplo, podemoscitar el hexano como uno de los disolventes ms transparentes que se conocen, ylas cetonas, que presentan una fuerte absorcin, por lo que son inadecuadas en laregin ultravioleta.Adems de lo expuesto, a la hora de elegir el diluyente adecuado, interesa prestarespecial atencin a la relacin oliftico/aromtico, pues afecta a la mayor o menorsolubilidad del complejo metlico, lo que a su vez influye en la posicin deequilibrio, adems de poder afectar a la cintica de extraccin.Contrariamente a lo que se pensaba, los diluyentes no son qumicamente inertes, einfluyen directamente sobre la actividad de los agentes de extraccin presentes en lafase orgnica, con lo que se puede variar el coeficiente de distribucin. As pues,adems de influir sobre las propiedades fsicas de la fase orgnica que afectan atodo el proceso de transferencia, como son la viscosidad, punto de inflamacin ycontacto/separacin de fases, tenemos su influencia sobre las propiedadesqumicas, tales como la solubilidad, cintica de extraccin y punto de equilibrio deextraccin. Tanto los aspectos fsicos como los qumicos pueden influir en laeconoma del proceso. Por ejemplo, la mayor o menor facilidad de separacin defases afecta al rea del decantador, lo que influye sobre los costes de construccindel mismo. Por otro lado, la energa requerida est directamente relacionada con lacintica de extraccin y reextraccin.El diluyente o disolvente es normalmente un hidrocarburo o sustancia inmiscible conel agua. Para hacer una clasificacin de los disolventes empleados podemos hacerloen base a diferentes criterios, como veremos en el siguiente apartado.En la tabla 2, se presentan algunos diluyentes empleados en la extraccin condisolventes, junto con algunas de sus caractersticas.

TABLA 2

DILUYENTE DENSIDAD20o gr/ccTa (OF.)EBULLIC.

Ta (OF.)INFLAMAC.

AROMATIC.%

ALTOS ENAROMATICOS

SOLVESSO 100 0,876 315 112 9 9 SOLVESSO 150 0,985 370 151 9 7 HAN 0,933 357 105 8 9 CHEVRON 3 0,888 360 145 9 8 CHEVRON 25 0,875 316 115 9 9 CHEVRON 40 L 0,886 360 141 7 8 CHEVRON 44 L 0,893 366 154 7 0 MEDIOS A BAJOSEN AROMATICOS

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ESCAID 100 0,790 376 168 2 0 NAPOLEUM 470 0,811 410 175 1 2 BAJOS ENAROMATICOS

ISOPAR L 0,767 373 144 7 ISOPAR E 0,723 240 4 5 0,1 ISOPAR M 0,782 405 172 2 0 NORPAR 12 0,751 384 156 2 SHELL 140 0,785 364 141 45* DX 3641 0,793 361 135 45* ESCAID 200 0,796 383 152 52* (*) Contienen aprox. el 50% de naftenos.

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2. Disolventes. Clasificacin

Aunque podemos realizar una clasificacin de los disolventes empleados en base adiversos criterios, vamos a hacerla atendiendo a su carcter polar o no polar y a supoder de solvatacin.Atendiendo a su carcter polar o apolar comenzaremos diciendo que el trminopolar est directamente relacionado con la constante dielctrica del propiodisolvente, aunque diferencias significativas en este parmetro para diversosdisolventes no implican un comportamiento diferente de los mismos en un procesode extraccin lquido-lquido. Dentro de ste grupo de disolventes polares seencuentran los alcoholes, que, debido al grupo OH que poseen, se comportan deforma similar al agua. Cuanto ms ramificadas son las cadenas, ms solubles son enagua, dato ste importante a tener en cuenta a la hora de su eleccin. Sonadecuados para la extraccin de extraccin de pares inicos, tal es el caso de loscompuestos nitrogenados como el nitrobenceno y nitrometano, dada su bajasolubilidad en agua y su alta constante dielctrica. Los esteres de cidos grasos yalcoholes alifticos son, en algunos casos, ms efectivos para la extraccin dequelatos metlicos que otros disolventes polares, aunque, presentan elinconveniente de su gran tendencia a la hidrlisis en disolucin cida.De entre los disolventes apolares, los hidrocarburos son los ms caractersticos, y,como ya mencionbamos, se emplean como diluyentes de agentes extractantes,siendo su interaccin con los solutos extrados mnima. Los ms empleados son eln-hexano y el ciclohexano, o bien, mezclas denominadas ter de petrleo, ligrona yqueroseno, siendo ste ltimo muy empleado para presentar buenas caractersticasy ser relativamente barato, aunque se debe tener especial cuidado en su empleo, yaque, desprende vapores combustibles capaces de provocar un incendio confacilidad. Los aromticos ms utilizados son el benceno, tolueno y xileno.Segn el segundo criterio para su clasificacin, la capacidad de solvatacin de undisolvente se fundamenta en la facilidad de interaccin del mismo con molculas desoluto cidas o bsicas. Estos disolventes suelen denominarse anfiprtidos, es decir,que se pueden comportar como cidos o como bsicos, incrementndose lacapacidad de solvatacin con la basicidad del mismo. Las cetonas, por ejemplo,presentan una gran capacidad de solvatacin, generada por el carcter bsico de sutomo de oxgeno, poseyendo adems, una gran estabilidad qumica y bajasolubilidad en agua. La ms utilizada en los procesos de extraccin lquido-lquidoes la metilisobutilcetona (MIBK), emplendose para la extraccin de haluros, nitratosy otras sales metlicas, y como diluyente, para extractantes de especies metlicaspor formacin de quelatos. En ocasiones, originan la formacin de aductos con losquelatos extrados en la fase orgnica o favorecen considerablemente el proceso dedistribucin mediante un efecto sinrgico.Con el empleo de diluyentes alifticos se nos puede presentar un fenmeno queest relacionado con el tipo de disolvente empleado. ste es el llamado fenmenode la tercera fase.

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3. Disolventes. Fenmeno de la tercera fase

Como ya hemos dicho, el fenmeno de la tercera fase est relacionado con el tipode disolvente empleado en el proceso. Ocurre en algunos sistemas de extraccin enlos que el agente de extraccin cargado con el metal a extraer, o complejo metlico,se separa en una segunda fase orgnica perfectamente diferenciada de lacorrespondiente a la fase diluyente-agente de extraccin, por lo que se puede decirque se forman tres fases:- Acuosa estril.- Diluyente y agente de extraccin-in metlico.- Diluyente-agente de extraccin.Este fenmeno se puede explicar por la baja solubilidad del complejo metlico en lafase orgnica, y se suele presentar frecuentemente cuando empleamos aminas condiluyentes alifticos, y en menor proporcin, cuando se emplean agentes deextraccin por solvatacin con los diluyentes alifticos.Este fenmeno puede evitarse aadiendo al sistema una pequea cantidad envolumen de un tercer componente, denominado modificador que se ver acontinuacin.Modificadores

Cuando en sistemas de extraccin que utilizan aminas, como las comercialesPRIMENE, LA-1, LA-2, se emplean diluyentes alifticos, o tambin, cuando seutilizan estos diluyentes alifticos con agentes de extraccin por solvatacin, puedesurgir el ya mencionado fenmeno de la tercera fase. Para evitar ste se utilizanunas sustancias denominadas modificadores, siendo utilizadas estas en un dos o untres por ciento en volumen de la disolucin Estos, aparte de impedir la formacinde tercera fase, facilitan tambin la separacin de fases y aumentan la selectividad.Las sustancias que actan como modificadores permanecen como reactivosinvariables en el sistema. En ciertos casos, su adicin trae consigo un granincremento del poder de extraccin debido a un efecto sinrgico. Este se definecomo un aumento anormal de la extraccin cuando se utilizan conjuntamente dosreactivos extractantes, lo que quiere decir que el factor de recuperacin de laextraccin conjunta es mucho mayor que la suma de los factores de recuperacin sise hiciese la extraccin por separado.Los modificadores, generalmente, son alcoholes de cadena larga de ocho a diezcarbonos, como es el caso del isodecanol. Sin embargo, estas pueden presentarciertos inconvenientes ya que poseen una cierta solubilidad en la fase acuosa. Estoorigina prdidas, lo que redunda en la economa del proceso. Aunque ste problemasea un inconveniente, a la hora de seleccionar un modificador, los beneficios queoriginan en lo referente a la separacin de fases, cintica y equilibrio de extraccin,hacen aconsejable su utilizacin. Precisamente, muchos de los datos sobre lasolubilidad de los modificadores son relativos al PROCESO DAPEX, en el cual, elUranio es extrado de una solucin cida de sulfato con cido 2-dietilhexilfosfrico,utilizando como modificador fosfato de tributilo, ms comnmente conocido comoTBP, en una proporcin de 10 a 15 p.p.m.

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Adems de los alcoholes de cadena larga, podemos utilizar, como hemos visto, elTBP como modificador. Su utilizacin es aconsejable en algunos casos, porquepuede presentar tambin propiedades sinrgicas sobre cidos alquilfosfricos.Probablemente, el mejor ejemplo de sinergismo es el sistema: .

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4. Sinergismo. Fenmeno

Cuando en un sistema de extraccin utilizamos conjuntamente dos reactivosextractantes puede suceder que aumente excepcionalmente la extraccin. Estefenmeno se define como sinergismo.Supongamos un sistema en el que tenemos dos extractantes a los que vamos adesignar por d1 y d2. Podemos establecer la siguiente relacin:

siendo : factor de recuperacin global del proceso.

: magnitud que determina el aumento sinergtico de la extraccin.Podemos definir el factor sinrgico como el nmero por el cual se multiplica elrendimiento de la extraccin normal para obtener el rendimiento prctico.Aunque los mecanismos por los que transcurre el fenmeno del sinergismo nosiempre son los mismos, se sabe que el fenmeno ocurre esencialmente en la faseorgnica, debido principalmente a dos factores:- La capacidad de extraccin de los agentes extractantes se modifica por lapresencia mutua de los mismos.- La composicin de las especies extradas en la fase orgnica no es la mismacuando se utiliza uno solo de los extractantes.

Podemos establecer cuatro diferentes tipos de combinaciones sinrgicas: dos destas hacen uso de un extractante cido y otro neutro, estando las otras dosformadas por dos extractantes que pueden ser neutros o quelatantes.En el primer caso, se hace uso de un agente quelatante cido y un disolventesolvatante neutro. Estos sistemas se comportan generalmente como ideales,pudindose interpretar los datos experimentales mediante una ecuacin de accinde masas.

En el segundo caso, se utilizan generalmente cidos alquilfosfricos, o tambincidos carboxlicos y sulfnicos, teniendo estos ltimos un efecto sinrgico menor.La principal diferencia con el caso anterior estriba en la composicin y estabilidaddel aducto formado.

En los dems casos, el aumento de extraccin debido al fenmeno de sinergismo esmenor.

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5. Hidrometalurgia. Ensayos

Una vez que el reactivo o reactivos se han seleccionados, se pasar a realizarensayos discontinuos bien sobre soluciones sintticas que tiendan al lquido real, obien directamente con ste. Para continuar con posteridad con ensayos continuos, yfinalmente se puede seguir con pruebas a nivel semiindustrial en planta piloto.Ensayos discontinuos

Con ellos se pretende determinar el coeficiente dedistribucin, la capacidad de saturacin, el diagrama de equilibrio, la cinticaaproximada de extraccin, facilitad de separacin de fases y a veces las prdidas dedisolventes por solubilidad. Los ensayos se realizan simplemente agitandocantidades determinadas de las dos fases, bien manualmente o mecnicamente(figura 18) y dejando separar las fases a continuacin, analizando los dos lquidos.Ensayos discontinuos de extraccin

La comparacin de los coeficientes de distribucin entre dos o varios disolventes esmuy til cuando se trata de soluciones diluidas. Sin embargo, el valor del mismopuede depender de la concentracin de metal en la fase acuosa, como es corrienteen el caso de la extraccin por cambio de in. En este ltimo caso tambin es muyimportante saber cunto es el mximo de metal que puede recibir la fase orgnica osea la capacidad de saturacin, que depende fundamentalmente de la concentracinde la misma en reactivo orgnico y de las caractersticas de la alimentacin acuosa,la capacidad de saturacin es decisiva en el establecimiento de los flujos de faseorgnica y acuosa que entran en el sistema con el fin de lograr una buenarecuperacin y selectividad.Normalmente, la operacin de extraccin se realiza en varias etapas concontracorriente. Para obtener informacin sobre la misma, se determina en ellaboratorio un ensayo que permite obtener el diagrama de equilibrio entre distintasfases, desde las ms concentradas a las ms diluidas. El ensayo consiste en repetirlos ensayos de determinacin del coeficiente de distribucin con cantidadesvariables de ambas fases. Analizadas ambas se representan los resultados deacuosa en abscisas y orgnica en ordenadas (figura 19). Un buen agente deextraccin debe tener un diagrama que generalmente tiene tres partes, una muyprxima al eje de las Y con una subida brusca de la concentracin en orgnica parapequea variacin de la concentracin de acuosa, una media en que el coeficiente

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de distribucin cambia mucho con el aumento de la concentracin de acuosa y unatercera plana en la que el disolvente est completamente cargado (saturado) y noadmite ms metal, indicndonos cul es la cantidad mnima de fase orgnica aemplear. A partir del diagrama de equilibrio y para una determinada relacin deflujos orgnicos y acuosos se determina el nmero de pisos tericos necesarios.

Fig. 19.- Determinacin del diagrama de equilibrio

Con ensayos discontinuos se puede tener tambin una idea del tiempo de mezclanecesario en los sistemas en que estos tiempos son largos, haciendo ensayos condiferente duracin.Tambin se puede lograr, por ensayos discontinuos, una idea de la facilidad deseparacin de las fases mezcladas y por consiguiente obtener informacin sobre lasnecesidades del decantador. La separacin de las fases tiene lugar en dos tiempos:uno primero de rotura de la emulsin (rotura primaria) y otro en que las gotitas finasque quedan se van agrupando en otras mayores y en la masa total. Los ensayos delaboratorio pueden dar una idea de las dificultades que se pueden encontrar sobretodo si se comparan con el comportamiento de otros sistemas conocidos. Noobstante hay que sealar que la validez es limitada, pues hay factores comocontinuidad de la fase orgnica y otros cuya influencia se debe considerar en eldiagrama real. Las pruebas para esta magnitud se hacen por ensayos estticos,considerando distintos tiempos de agitacin y sedimentacin, o dinmicos medianteun dispositivo que tenga un mezclador y un sedimentador a los cuales se alimentanflujos variables y se mide la anchura de la banda de dispersin en funcin del reaunitaria disponible (figura 20).

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Fig. 20.- Mezclador y sedimentador

Las prdidas por solubilidad del agente de extraccin se miden de formaaproximada determinando su concentracin en la fase acuosa, o en la fase orgnicadespus de haber pasado, en este ltimo caso, unas 100 200 veces su volumen delquido acuoso.Mediante los ensayos discontinuos se puede hacer una eleccin de los disolventes,tener idea de las posibilidades de operacin, condiciones en que se debe trabajar yresultados a esperar, especialmente si se hacen ensayos en contracorriente quesemejen la marcha continua.En reextraccin se pueden determinar discontinuamente los diagramas de equilibriopara diferentes sistemas de reextraccin.Ensayos continuos

Un paso ulterior en la experimentacin es la realizacin de ensayos continuos, enpequeo equipo con 50-100 ml/min. de alimentacin, semejando el diagrama deextraccin-reextraccin, y lavado o acondicionamiento. Aqu se pueden probarcondiciones prximas a las ptimas de los ensayos discontinuos. Los resultadospueden ser definitivos desde el punto de vista qumico (consumo de reactivos,rendimientos, calidad de los productos) y tambin se ponen de manifiesto losefectos debidos al reciclado del disolvente y acumulacin de pequeos efectos.Con este equipo pequeo de vasos de poca altura se suele quedar falto deinformacin por lo que respecta al comportamiento fsico. Puede ocurrir que unsistema que experimentalmente no funcione por crecimiento de la emulsin establede la interfase e inundacin del equipo completo, pudiera ser realizable en laprctica en que se tienen mayores alturas de decantadores, por ello conviene hacertambin ensayos continuos a pequea escala pero teniendo alturas industriales.Ensayos en planta piloto semiindustrial

Con las pruebas indicadas anteriormente se tiene un conocimiento casi completodel problema, y si los resultados son prometedores se puede iniciar los contactoscon una casa especializada o seguir la propia investigacin con el fin de determinar

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las prdidas por arrastre (de gran repercusin econmica) e incluso probar unmodelo del equipo cuyo empleo se considere. Esto conviene hacerlo a una escalabastante grande 25-50 m3/d pues las prdidas son pequeas 0,2-1 l/m3,dependen del lquido en tratamiento, del equipo empleado y de la habilidad delpersonal. Esta instalacin puede servir adems para el entrenamiento de personalque sea necesario en la futura instalacin comercial. A la vista de la experienciaobtenida se puede asegurar que es una inversin rentable.

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6. Hidrometalurgia. Eleccin y diseo del equipo

En extraccin se utilizan fundamentalmente columnas, extractores centrfugos ymezcladores sedimentadores. Estos ltimos son los ms utilizados en metalurgiaextractiva, pues parece que son los ms adecuados para el trabajo con lquidos algoturbios, requieren menos coste de capital, son fciles de manejar, tienen grancapacidad sin riesgos de inundacin, se pueden observar, controlar y desmuestrarfcilmente todos los flujos sin dificultades ni control especial y el paso de escala essencillo. Tienen el inconveniente de que necesitan ms espacio que las columnas,sobre todo en sistemas con muchas etapas tericas.Como para conseguir la extraccin completa de un soluto en una sola etapa, espreciso emplear gran cantidad de disolvente, a la hora de realizar esta operacin anivel industrial se hace necesario el empleo de varias etapas que trabajen de formacontinua.

La extraccin con disolvente en varias etapas la podemos realizar empleado losflujos en contracorriente o en con-corriente, aunque es la primera de ellas la quegeneralmente se suele emplear.Los diferentes tipos de equipos existentes para la aplicacin de estas tcnicas en laindustria se congregan en dos grandes grupos:- Contactores diferenciales, donde se incluyen las columnas de extraccin decontacto continuo.

- Contactores por etapas, formadas por los mezcladores-sedimentadores.Aunque de menor importancia, entre los contactores diferenciales se encuentran losextractores centrfugos, que se utilizan en casos en que los tiempos de contacto sonmuy cortos.Los del primer grupo se caracterizan por ser ms compactos y de menor volumenque los del segundo grupo, ocupan menos espacio horizontal, y retener menorvolumen de lquidos. Generalmente se suelen utilizar cuando se necesitan muchospisos o etapas tericas. En las columnas de extraccin (figura 21) el movimiento delas fases tiene lugar por diferencia de densidades, por lo que el modo de realizar laoperacin es introduciendo la fase ligera por la parte inferior y la fase pesada por laparte superior de la columna, producindose un flujo en contracorriente de las dosfases a travs de la columna de extraccin, ya que, mientras que la fase ligera tiendea ascender, la fase pesada desciende, dando lugar a un contacto continuo entre estas.

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Fig. 21.- Columna de extraccin

Con el fin de facilitar la separacin de fases tras el contacto, las columnas poseenunas extensiones en las zonas superior e inferior. La zona de la interfase podrsituarse en la parte superior o en la inferior de la columna, segn los casos. Como ya decamos, el contacto de las fases es continuo, teniendo lugar elfenmeno de transferencia de materia a lo largo de toda la columna, debido a ungradiente continuo de diferencia de concentraciones, siendo la altura de columna elparmetro a considerar a la hora de disearla.En definitiva, una vez fijado el problema a estudio, definido el flujo o caudal de loscomponentes, la relacin de caudales entre las fases, y elegido el tipo de columna autilizar, se debe dimensionar sta.Para dimensionar una columna de extraccin se han de tener en cuenta:- Altura de la columna.

- Dimetro de la columna.La altura vendr definida por el nmero de contactos necesarios para producir una

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determinada extraccin, purificacin, o separacin de especies, lo cual, vienedefinido por el nmero de pisos tericos o de unidades de transferencia, y la alturaequivalente a un piso terico o HETP, o la altura de una unidad de transferencia oHTU, segn el esquema de clculo que se adopte.En cuanto al dimetro, vendr definido por el caudal de las fases, previamente fijadopor las necesidades del proyecto y por caractersticas propias del sistema y tipo decolumna empleado.Desde el punto de vista de la operacin, lo ideal es que los fluidos se muevan a lolargo de la columna segn un esquema de flujos de mbolo, o dicho de otramanera, con un frente plano en toda la seccin de la columna.Sin embargo, en la prctica esto no sucede as y se presentan dificultades en laoperacin, tales como el llamado fenmeno de mezcla axial, que ocurre cuandounas partes de fluido van ms deprisa o ms despacio que el resto de la masa, einclusive moverse en sentido contrario a la direccin del flujo del lquido. En estefenmeno se podran incluir los arrastres de una fase por otra. Tambin se puedenpresentar los llamados efectos de pared y variaciones en la distribuciones deltamao de gota. Esto hace que para este tipo de equipos se deba tener especialcuidado a la hora de disearlos, teniendo en consideracin estas variables, ya que,provocan variaciones entre los resultados de laboratorio y los de planta industrial.Adems existen factores de operacin adicionales que dificultan an ms suaplicacin industrial, como son la presencia de impurezas en la alimentacin,aparicin de insolubles en la interfase, y composicin y caudal de alimentacinvariables.

Pese a que los fenmenos mencionados anteriormente tambin se presentan en losequipos del segundo grupo (contactores por etapas), estos son ms asimilables,como lo demuestra el caso de la fcil eliminacin de insolubles en las fases, lo quehace que estos equipos presenten una ventaja sobre los dems, que consiste en quelos resultados obtenidos en laboratorio y planta piloto suelen ser muy parecidos alos de planta industrial, lo que facilita los clculos para su diseo. Esto hace que losmezcladores-sedimentadores (figura 22) sean actualmente el equipo que presentamejores garantas de funcionamiento dentro de una planta industrial de extraccincon disolventes.

Fig. 22.- Mezclador-sedimentador

En este tipo de equipos la operacin se realiza por etapas discontinuas en las quelas fases se mezclan y separan en unidades independientes.

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las fases se mezclan y separan en unidades independientes.Los mezcladores consisten generalmente en tanques con dispositivos apropiados deagitacin, debiendo producir suficiente superficie de contacto durante un tiempoadecuado para que se produzca la transferencia de materia. Dicha superficie seconsigue por medio de la dispersin de una fase en la otra, dependiendo, por tanto,del nmero de gotas formadas por unidad de volumen de fase continua y deltamao de dichas gotas, y requiere la aplicacin de trabajo mecnico por medio dela agitacin.La separacin de fases se efecta por sedimentacin en equipos denominadossedimentadores, debiendo tener un tamao adecuado para que el tiempo deresidencia en ellos de la masa sea el mnimo necesario para que las fases seseparen. Debe procurarse que tengan una seccin recta adecuada, al objeto deevitar turbulencias que impidan u obstaculicen la separacin.Hay varios tipos de mezcladores sedimentadores, siendo lo ms corrientes losinternos (tipo Winchester) y los externos en que las cmaras de mezcla ysedimentacin estn separadas. El diseo de los mezcladores sedimentadoresexternos ha sufrido una amplia evolucin, desde los primeros en que todos losflujos (orgnica y acuosa) entre etapas, o en cada etapa (reciclado de orgnica) sehacan con bombas, a los ltimos tipos en que todos los flujos se manejan con elmismo agitador, estando todos los pisos al mismo nivel; un tipo intermedio tena lasdistintas etapas a diferente nivel y una de las fases flua por gravedad mientras quela otra se manejaba con bomba.Los puntos clave del diseo del equipo de extraccin se refieren al sistema deagitacin del mezclador y al dimensionado del sedimentador. En el mezclador setiene que lograr una dispersin conveniente de las dos fases orgnica y acuosa, paratener una buena transferencia de materia, sin embargo no interesa pasarse con elfin de evitar los problemas de separacin de fases. En funcin del sistema deagitacin se determina la potencia a instalar; para uranio y vanadio se ha visto queel paso de escala se puede realizar manteniendo la potencia por unidad de volumen,medida en recipientes pequeos (100 l.) que d mezclas semejantes y que tengansemejanza geomtrica con el equipo que se vaya a emplear industrialmente, sinembargo esto no es general y para un sistema desconocido hay que estudiar el pasode escala.

En el dimensionado del sedimentador las magnitudes a definir son: el rea unitaria yel tiempo de residencia. El rea unitaria se puede determinar en el laboratorio por elensayo hidrometalrgico dinmico realizado considerando diferentes escalas,tomando el valor del flujo mximo para anchuras de interfases de 10-15 cm. Para eluranio y vanadio los valores corrientes son de 1 galn/min. pie cuadrado en otrossistemas pueden ser muy diferentes.La profundidad del sedimentador depende de consideraciones de hidrulica y deinventarios de fases. Debe ser suficiente para que en los cambios de nivel de lainterfase no pase una de las fases en las conducciones de la otra. Tambin se tiendea tener poca profundidad de fase orgnica y reducir la inversin debida a la misma,en sistemas en que el metal en cuestin es caro se tiende por el contrario a tenerpoca fase acuosa y reducir el inventario debido al retenido de metal. Las alturas quese encuentran en aplicaciones hidrometalrgicas estn comprendidas entre 10 y 60cm. para orgnica y entre 60 cm. y 2 m. para acuosa.En las necesidades de rea y volumen del sedimentador influyen mucho la

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temperatura, naturaleza de las fases lquidas, intensidad de mezcla y dispersin, ysobre todo la continuidad de esta. Las dispersiones de lquido acuoso en un medioorgnico continuo son las ms fcilmente separables; para lograr esta continuidadse recicla a veces orgnica del sedimentador al mezclador del propio piso.En casos en los que los tiempos de contacto son muy cortos, se utilizan los menosconocidos extractores centrfugos (figura 23), pertenecientes al grupo de loscontactores diferenciales. Este tipo de equipos son muy poco utilizados, y su uso sereduce a la industria farmacutica para la produccin de antibiticos, en el que elproducto se puede descomponer y es preciso realizar una operacin rpida. Otrocaso lo tenemos en la extraccin del Uranio en las soluciones de cido fosfricoprocedentes de la descomposicin de los fosfatos minerales con cido sulfricopara la produccin de fertilizantes. La causa por la que se recurri a estos equiposse deba al uso del cido octilpirofosfrico (OPPA) con un gran poder de extraccinpara el Uranio en muy pequeas concentraciones, pero con el inconveniente de quese descompona en presencia de cidos, por lo que los tiempos de contacto debanser muy cortos.

Figura 23.- Extractor centrfugo

El diseo de estos aparatos es muy especializado y no existe mucha informacinpublicada sobre ellos, siendo, adems, de un precio muy elevado.En la tabla 3, podemos ver diferentes tipos de equipos utilizados industrialmente enla extraccin con disolventes.

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Dada la gran amplitud de material disponible, se hace difcil poder realizar unaeleccin clara del equipo sin realizar previamente una evaluacin comparativa entresus caractersticas y las deseables en la operacin a realizar. Se deben tener encuenta una serie de factores, de entre los cuales podemos destacar:- Nmero de etapas.- Capacidad de flujo.- Tiempo de residencia.- Relacin de flujo de fases.- Propiedades fsicas.- Sentido de la transferencia de materia.- Dispersin de las fases y volumen de retencin.- Cintica de extraccin.- Presencia de slidos.Como conclusin, se debe conocer la eficiencia de los equipos para poderevaluarlos, dimensionarlos y fijar sus condiciones de operacin. Existe un ndice deefectividad definido por la relacin de caudal de flujo mximo y el volumen de unaetapa terica. En el caso de columnas, la relacin usada es entre el caudal deinundacin y la altura de una unidad de transferencia (HTU), que representa laeficiencia de transferencia por unidad de contactor. De esta forma, se puedencomparar los diferentes contactores. Cuando mayor es este ndice, mejor es sufuncionamiento, siempre y cuando, para realizar la comparacin, se utilicen losmismos sistemas de extraccin.Adems de los criterios tcnicos descritos, han de tenerse en consideracin losfactores econmicos, que son los que en ltima instancia van a decidir el problema.

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Como resumen de lo dicho, podemos emplear en el estudio primario del problemade la seleccin del equipo, el siguiente diagrama de la figura 24.

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7. Extraccin. Aspectos econmicos

Introduccin

Aunque los aspectos econmicos sean los argumentos ms persuasivos para laeleccin de cualquier proceso, no se ha prestado excesiva atencin a dichos temasen la literatura tcnica de la extraccin con disolventes.La extraccin como casi todas las operaciones unitarias integradas en un procesodependen de los pasos anteriores y de los que le siguen: la consideracineconmica que define la viabilidad del tratamiento no se debe hacer de formaaislada sino en el conjunto total y a la vista de los fines buscados.El costo total de tratamiento para el caso de la extraccin con disolventes se puedebasar principalmente en dos costos:a. Capital costo de equipo y de inventario de fase orgnica inicial.b. Operacin coste de energa empleada en los contactos, coste derecuperacin de disolvente, coste de reposicin de fase orgnica, coste de otrasmaterias primas auxiliares y servicios, coste de mano de obra, coste de materiaprima, etc.Alguno de estos componentes tiene una escasa contribucin desde el punto de vistaeconmico. Normalmente el factor de mayor influencia es el costo de capital.Existen otros aspectos que pueden hacer cambiar totalmente la economa delproceso. El primero es la capacidad de tratamiento; existe una capacidad mnima detratamiento por debajo de la cual el proceso no presenta ningn atractivoeconmico. El segundo factor es el precio del metal que sin duda puede afectar a laviabilidad econmica del proceso. Y el tercer aspecto es la concentracin del metalen la alimentacin; por ejemplo un proceso de extraccin con disolventes de zincpuede ser viable para una concentracin de alimentacin de 30 g/l y no serlo para10 g/ l .Por otra parte esta tcnica, que en los ltimos aos ha presentado un notabledesarrollo en el campo hidrometalrgico; en algunos casos no es una alternativa deproceso, sino la nica posibilidad de tratamiento viable tcnica y econmicamente.Haciendo un poco de historia, la extraccin con disolventes era una tcnica deespecial aplicacin en la qumica analtica y la industria del petrleo. La segundaguerra mundial produjo un desarrollo importante de esta operacin, aplicndola alcampo de la hidrometalurgia. El enfoque principal fue la obtencin de productosnucleares de alta pureza. Posteriormente se intensifica la investigacin y desarrolloen este campo, producindose nuevos agentes de extraccin, ms inmiscibles, msselectivos y con mejores propiedades de extraccin, lo que ampli el campo deaplicacin a una gran cantidad de metales. Paralelamente se perfeccionaron losequipos de extraccin, lo cual produjo una serie de ventajas econmicas en lasposibles aplicaciones de esta tcnica. Sin duda alguna, la extraccin con disolventesser en un futuro cercano, una de las tcnicas de mayor aplicacin en el tratamientosecundario de los procesos hidrometalrgicos.En el actual estado de desarrollo de la extraccin con disolventes para larecuperacin de metales, existen cuatro campos principales de aplicacin:

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a. Recuperacin de metales de disoluciones diluidas, especialmente en el caso delquidos de bajo precio de costo, p.e. efluentes de plantas, aguas de mina,disoluciones de lixiviacin en montones, etc.b. Separacin de metales de disoluciones concentradas, obtenidas en procesoshidrometalrgicos de tratamiento de minerales complejos, concentrados, matas ychatarras.

c. Purificacin de electrolitos que contengan una gran variedad de metales, loscuales se recuperan parcialmente por procesos convencionales.d. Separacin y purificacin de disoluciones que contengan lantnidos y actnidos.

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8. Planta de extraccin. Costo de capital

Los principales factores que afectan al costo de inversin de una planta deextraccin con disolventes son los siguientes:a. Nmero de etapas necesarias y tipo de equipo. Este factor afectanotablemente al valor final de la inversin de la planta; el nmero de etapas vienedeterminado por las isotermas de extraccin, lavado (si es necesario) y reextraccin,y por sus rectas de operacin (diagrama de McCabe-Thiele). Dentro de la seleccindel tipo de equipo, y teniendo en cuenta el aspecto econmico, existen otrosfactores para la seleccin, que son los siguientes:- Equipo estable y de fcil manejo.- Gran capacidad y escaso riesgo de inundacin.- Grado de dispersin ptimo en la zona de mezcla.- Alta eficiencia por piso.- Empleo del menor volumen posible de disolvente.- Bajo consumo energtico.- Mnimo espacio de implantacin.- Baja altura.- Construccin simple.- Salto de escala fiable a partir de otros datos.- Posibilidad de incorporar pisos adicionales.Casi todos los factores estn a favor del empleo de mezcladores-sedimentadores.Las columnas tienen ventaja solo en cuanto a ocupacin de espacio, empleo demenor volumen de disolvente y consumo energtico ms pequeo.b. Tamao del equipo de mezcla. Este factor est ntimamente relacionado conla cintica del proceso. En general, los tiempos de residencia en estos procesospresentan unos valores bastantes bajos, por lo que se pueden utilizar grandescaudales de alimentacin a los equipos.c. Necesidades de sedimentacin. Este ltimo factor est fundamentado en lasvelocidades de coalescencia de los disolventes empleados. En base a dichasnecesidades se requiere un rea de sedimentacin mnima y un inventario de faseorgnica en la instalacin.d. Arrastre de fase orgnica. Este factor afecta a la inversin, en mayor o menorgrado, dependiendo de las necesidades de recuperacin de fase orgnica (seccinde recuperacin de disolvente).e. Caudales y relaciones de flujos. Este aspecto afecta desde el punto de vistade tamao de los equipos.f. Necesidades de obra civil. El tipo y tamao de los equipos influyenotoriamente en las necesidades de obra civil. Sin embargo, dependiendo del rea

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notoriamente en las necesidades de obra civil. Sin embargo, dependiendo del readonde vaya a ubicarse la planta, dichas necesidades pueden minimizarse en granmanera.

g. Necesidades de equipo auxiliar. Este factor es dependiente del nmero deetapas que componen el proceso y de la complejidad del esquema de tratamiento.Si se necesitan etapas previas de preparacin y ajuste, o de recuperacin dedisolvente, sin duda implica la existencia de mayor nmero de bombas, agitadores,tuberas, etc.h. Vertidos de acuerdo con la legislacin vigente. Es posible que este aspectointroduzca un aumento de equipo principal y auxiliar con el fin de conseguir unefluente que se encuadre dentro de las normas de vertido en el rea de ubicacin dela planta.i. Ingeniera de diseo. Este factor tiene un grado de incidencia muy notable,debido principalmente al criterio que se emplea en el diseo de la planta.Dependiendo del tipo de equipo que se emplee, del grado de automatizacin, de ladistribucin de los equipos, etc., se pueden obtener variaciones en la inversin de laplanta muy importantes.j. Localizacin de la planta. Este ltimo aspecto tambin presenta un ciertopeso especfico en el valor del capital final. La ubicacin de la planta en zonas ms omenos desarrolladas afecta notablemente al coste de la construccin.Warner realiz una revisin de costos de distintos procesos de extraccin condisolventes existentes en Gran Bretaa, obteniendo unos rangos de magnitud de loscostos de capital, reflejados en funcin de la tonelada de metal procesado (las cifrasprecisas dependen de la escala de la planta, de la concentracin de metal en laeliminacin a tratar, del metal recuperado, del grado de complejidad del procesoempleado, y del tipo de equipo). El rango obtenido y actualizado oscila entre 65 a1.560 por tonelada de metal procesado.

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9. Planta de extraccin. Costos de operacin

Los factores que afectan a los costos operativos de un proceso de extraccin condisolventes se pueden agrupar en los siguientes apartados:a. Concentracin y caudal de la alimentacin (leja). Sin duda es uno de losfactores de mayor importancia en el global de los costes operativos. En la figura 25se puede apreciar el efecto de la concentracin de la alimentacin en los costesoperativos. En todos los casos, el aumento de la concentracin en alimentacin, aigualdad de caudal, alcanza un valor ptimo a partir del cual aunque aumenten lasconcentraciones de metales en la leja no se produce una disminucin de costooperativo. El efecto del caudal queda recogido en la figura 26, en la que tambin sepuede ver el efecto de la capacidad de produccin en los costes operativos.a.

Fig. 25.-Influencia de la concentracin de alimentacin en los costes operativos

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Fig. 26.-Efecto del caudal de alimentacin y la capacidad de produccin en los costesoperativos

b. Preparacin de la alimentacin (leja).Existen muchos casos en los que esnecesario realizar una preparacin y ajuste de la leja que hay que alimentar a laplanta. Entre estos ajustes est la neutralizacin hasta un determinado pH, laadicin de acomplejantes para formar con el metal un compuesto aninico, laprecipitacin previa de ciertos metales y su posterior filtracin, etc.c. Preequilibracin del disolvente. En algunos sistemas el costo depreequilibracin es mnimo o puede ser nulo, p.e. en la extraccin del uranio dedisoluciones en medio sulfato, empleando aminas terciarias, el costo del cidosulfrico que se emplea para la preequilibracin del disolvente, antes de laextraccin, es del orden de 0,10 por Kg de U3O8 producido. Sin embargo, en elsistema TBP-HNO3 para la recuperacin de zirconio, los costos de preequilibracin,usando cido ntrico, son del orden de 2,07 por Kg de zirconio producido.d. Lavado de fase orgnica. En algunos sistemas es necesario lavar el extractoorgnico de las etapas de extraccin (orgnica cargada), con el fin de eliminarelementos coextraidos no deseables. Este es el caso de las etapas de lavadoexistentes en el segundo ciclo del proceso Zincex, en el que se emplea unadisolucin con ligera acidez sulfrica para eliminar de la fase orgnica el calciocoextraido en las etapas de extraccin.e. Reextraccin de la fase orgnica. Los costes de reextraccin varanconsiderablemente de unos procesos a otros. La eleccin del medio de reextraccinrepresenta a menudo el mayor coste diferencial, siendo la definicin final delproducto a obtener. El agente de reextraccin en el sistema TBP-HNO3 es el agua,por lo que el coste es muy bajo. Es el mismo caso que la reextraccin del primerciclo del proceso Zincex. Sin embargo el costo es ms alto en el caso de larecuperacin de uranio mediante aminas, en el que se emplea una disolucin decarbono sdico que puede costar de 0,10 a 0,20 por Kg de U3O8 producido. En elcaso de emplear electrolitos agotados para reextraer, las prdidas de cidoconstituyen otro coste de operacin.f. Regeneracin de la fase orgnica. En ciertos sistemas, la fase orgnicareextrada mantiene un nivel de contaminacin de un determinado elemento que no

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reextrada mantiene un nivel de contaminacin de un determinado elemento que nose elimina del sistema en ninguna de las etapas existentes, tendiendo a crecer amedida que va circulando la fase orgnica. Es el caso del catin frrico en elsegundo ciclo del proceso Zincex; dicho catin se extrae parcialmente en lascondiciones de operacin de la extraccin y no se elimina ni en las etapas de lavadoni en la reextraccin; para evitar que aumente su concentracin en la fase orgnicase trata parte del flujo orgnico con una disolucin de cido clorhdrico.g. Prdidas de disolvente. Este factor es de gran importancia en todos losprocesos de extraccin con disolventes. Las prdidas de disolvente pueden tenercuatro procedencias:- Prdidas por solubilidad del agente de extraccin.- Prdidas por degradacin debidas a una alta acidez o alcalinidad.- Prdidas en slidos que se formen en las etapas.- Prdidas por arrastre fsico del disolvente. h. Mano de obra y mantenimiento. Este factor debe tener poco peso en el globalde los costos operativos. Sin embargo, si el circuito est mal diseado y se requierenoperaciones manuales adicionales, el coste de mano de obra asciende notablemente.i. Energa.Este concepto es totalmente dependiente del tipo de equipo y diseoempleados.j. Tratamiento de efluentes. Si el refinado de la extraccin contiene cantidadesapreciables del metal a recuperar, adems de producir una disminucin delrendimiento de recuperacin, puede requerir el ser tratado con el fin de que elefluente cumpla la reglamentacin de vertidos en el rea donde est instalada laplanta. Dicho tratamiento produce un costo adicional de operacin.

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10. Comparacin de costos de varios sistemas

En la tabla 4 se pueden ver los costes de produccin de distintos sistemas deextraccin, para la recuperacin de un metal o para la separacin de varios metalesde una disolucin compleja. El caudal considerado en todos los casos es de 24m3/h. Los datos demuestran las grandes variaciones de costes que se producen deun caso a otro. En general, se ha considerado que una alimentacin con mayorconcentracin de metal produce unos costos operativos menores. Esto es verdad sise comparan los casos 4 y 6, y los casos 2 y 3, sin embargo no parece cierto en loscasos 5 y 6. Tambin es verdad que no se est comparando en igualdad decondiciones ya que el caso 6 tiene preparacin y ajuste de alimentacin (2,59 /Kg),mientras que el caso 5 no presenta dicho tratamiento; por otra parte el caso 6 tieneun costo de tratamiento de disolvente muy alto (3,22 /Kg).

(1) Separacin de tierras raras e itrio.(2) 10 aos de depreciacin lineal.(3) Coste de extractante, diluyente y modificador.En general, se pueden sacar las siguientes conclusiones:a. La preparacin y ajuste de alimentacin presenta un gran peso econmico enlos sistemas que lo necesitan.b. El coste de amortizacin de equipo e instalacin no pasa en ningn caso de serel 26 % de los costes totales.

c. El tratamiento del disolvente de algunos sistemas, representa uno de los costesde mayor peso especfico.d. El lavado y la reextraccin, a excepcin de un caso (el n 4), no tienen excesivatrascendencia econmica.e. Las prdidas de disolvente es un costo con una transcendencia similar al deamortizacin de equipo e instalaciones, nunca suele sobrepasar el 31 % del costooperativo total.

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f. La mano de obra y mantenimiento tiene un peso econmico muy variable, yaque en el caso 5 no llega al 0,5 % del costo operativo total y sin embargo en el caso2 representa ms de un 50 %.La inversin de la planta est ntimamente ligada al tipo de contactor a emplear enel tratamiento. En la tabla 5 se pueden comparar los costes de construccin de unaplanta que emplee mezcladores-sedimentadores, columnas pulsantes o contactorescentrfugos, para procesar uranio con una capacidad de 5 Tm U/da, en el ciclo finalde procesamiento de combustibles irradiados. Los costes de inversin estnactualizados y el emplazamiento de la planta es en Francia.

Los mezcladores-sedimentadores son ms econmicos desde el punto de vista deequipo de proceso. En el caso de la obra civil lo ms econmico son los contactorescentrfugos. En tubera, instrumentacin y electricidad son tambin ms econmicoslos contactores centrfugos. En cuanto a protecciones y recubrimientos(radioactividad) los ms econmicos son las columnas pulsantes. En ingeniera elcoste menor est a favor de los mezcladores-sedimentadores. En cuanto al total lainstalacin ms barata, aunque con escasas diferencias, es la de contactorescentrfugos. Si se tratara de otro tipo de instalacin (no radiactiva), y se eliminara ensu mayor parte los costes de protecciones y recubrimientos, sin duda la instalacinms barata sera la de los mezcladores-sedimentadores.

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11. Optimizacin de procesos de extraccin condisolventes

En una gran mayora de casos la optimizacin de las plantas de extraccin condisolventes se realiza en pruebas de planta piloto. Los aspectos que reciben mayoratencin en la investigacin son la dependencia de la dispersin y las caractersticasde coalescencia, y sus efectos en la extraccin y en la separacin de fases. Otrasvariables que se suelen estudiar son la concentracin de metal, el pH de equilibrio,la concentracin salina, la concentracin del disolvente (extractante, diluyente ymodificador) y la temperatura; estas ltimas variables se suelen estudiar con el finde determinar sus efectos en la transferencia de materia de la extraccin. Aunquemuchas de estas variables se pueden probar en planta piloto, algunos circuitospueden no quedar optimizados hasta la operacin de la planta industrial.Robinson desarroll un procedimiento de optimizacin aplicado a la recuperacin decobre, con LIX 64N, empleando unos trminos suma de costes de operacin y costesde capital.Los costes de operacin se obtienen a partir de las prdidas de cobre y disolvente:

donde,

A= caudal de alimentacin acuosa.Cc= precio del cobre.Xc= concentracin de cobre en el refinado.S1= prdidas de disolvente por litro.X1= concentracin en volumen de LIX 64N.Cx1= precio del LIX 64N.Cso1= precio del diluyente.Los costos de capital dependen del nmero de etapas de extraccin y reextraccin,de la concentracin de LIX 64 N, del tamao de las etapas y de la relacin de flujos.La expresin que a continuacin se indica est basada en el nmero y tamao de lasetapas y en el inventario de fase orgnica.

siendo,

N= nmero de etapas.Sex= velocidad de sedimentacin de diseo.V= volumen de fase orgnica en cada tanque.K= factor que relaciona velocidad de sedimentacin a costo.

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b= otro factor de costo.

Esta expresin es aplicable tanto al proceso de extraccin como a los procesos delavado y reextraccin.Por tanto, el coste total (T) viene dado por la expresin:

siendo,

R= factor de amortizacin del capital.En la figura 27 se muestra el efecto de la variacin de la concentracin de LIX 64Nen la fase orgnica, resultando un ptimo de concentracin del 14 %. El uso de unaconcentracin del 10 % incurre en el mnimo costo. En la misma figura 27 se puedever el efecto de la variacin de relacin de fases, donde el ptimo es 1.

Fig. 27.- Influencia de la concentracin de LIX 64N y relacin de fases en loscostes

Aunque parece deseable el uso de una concentracin de disolvente lo ms altaposible, esto en la realidad es prcticamente imposible. Por otra parte, la relacin decarga de la fase orgnica con respecto a la concentracin del extractante no es lineal.Adems, en algunos sistemas, el aumento de la concentracin del disolventeincrementa las prdidas por arrastre en fase acuosa, al aumentar la viscosidad de lafase orgnica (incluso a temperaturas elevadas). Por ltimo, cuando aumenta laviscosidad de la fase orgnica, una agitacin excesiva puede producir emulsionesestables, que hacen al proceso inoperable. Por tanto hay que llegar a un compromisoentre una concentracin de disolvente razonable y una buena operacin con elequipo que se ha seleccionado.El nmero ptimo de etapas de extraccin es funcin de la concentracin del agentede extraccin, de la relacin de flujos, del valor del metal que queda sin extraer enel refinado y del pH; el inters del capital invertido es otro factor a tener en cuenta.Otras variables que pueden afectar a las eficacias de extraccin y por tanto a loscostos son: la viscosidad de la fase orgnica en funcin del diluyente empleado, el

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efecto de la velocidad de agitacin en las etapas de extraccin y reextraccin, y elefecto de la continuidad de la fase orgnica.Por ltimo, las necesidades de mano de obra pueden variar notablemente de unaplanta a otra. Esta variacin se puede atribuir a un pobre o impropio sistema deautomatizacin. Normalmente se requieren uno a tres hombres por turno paraoperar una planta de extraccin con disolventes, adecuadamente diseada yautomatizada.

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12. Extraccin con disolventes. Aplicacin

Aplicacin a la separacin y recuperacin de metales

El mayor empleo de la extraccin con disolventes en la hidrometalurgia ha sido en eltratamiento, separacin y purificacin de los materiales de inters nuclear.Operaciones hidrometalrgicas con extraccin por disolventes de gran inters sonlas referentes a:

a. Uranio,hay varias fbricas que lo recuperan por extraccin a partir de lquidosdiluidos utilizando aminas o cidos alquilfosfricos.b. Vanadio,tiene una trayectoria semejante a la del uranio.c. Molibdeno,extrado con aminas en circuitos de uranio.d. Torio,adems de la recuperacin y separacin de soluciones ricas obtenidas apartir de concentrados, se recupera de los lquidos estriles de algunas fbricas deuranio.

e. Tierras raras y escandio, a partir de soluciones ntricas y clorhdricasutilizando TBP y D2EHPA.f. Cobre,mediante oxinas, cidos naftnicos o -halogenados. Es uno de losmetales que ms inters est ofreciendo. Y aparte de los ensayos piloto, existenvarias experiencias a nivel industrial.g. Cinc,con TBP o D2EHPA para separacin del cadmio, cobre, cobalto, nquel,cloro, flor, etc., y tener soluciones puras de este metal.h. Cobre-nquel-cobalto, mediante aminas terciarias, sales de amoniocuaternario, jabones grasos, sulfonatos o TBP.i. Niobio-Tntalo,con metilisobutil acetona, TBP o metil.j. Zirconio-hafnio,con TBP, aminas terciarias o metilisobutil cetona.k. Berilio,a partir de minerales pobres, utilizando fosfatos orgnicos ometilisobutil cetona.

l. Wolframio,a partir de concentrados de wolframita, con sales de amoniocuaternario.

m. Renio,a partir de concentrados de molibdenita con sales de amonio cuaternario.n. Cesio,a partir de pollucita con el 4-sec-butil-2 (-metil-bencil) fenol.o. Boro,a partir de salmueras de baja ley, con polialcoholes aromticos o alifticosdisueltos en queroseno, esta ltima aplicacin es digna de notar, pues se refiere aun producto final tan barato como el cido brico.Por ser el cobre un metal bsico de gran importancia, cuya recuperacin porextraccin con disolventes orgnicos est muy desarrollada, vamos a ampliar mssu estudio en el siguiente apartado.Aplicacin a la recuperacin y purificacin del cobre

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La recuperacin del cobre por extraccin con disolventes ha constituido un notableavance en las aplicaciones de esta tcnica a la Hidrometalurgia y ha sido, despusde la recuperacin del uranio, donde mayores realizaciones se han conseguido.Actualmente, existen varias plantas industriales de recuperacin de cobre, queutilizan la extraccin con disolventes de soluciones de lixiviacin en montn olixiviacin esttica, seguido de electrolisis para la recuperacin del metal. Estemtodo va sustituyendo progresivamente a la cementacin del cobre por chatarras yfusin posterior. Debido al bajo coste de operacin, el sistema de lixiviacin enmontn puede competir como alternativa con el clsico proceso de flotacin, quehace necesaria una molienda previa muy fina, adems del uso que puede darse aminerales oxidados que no se pueden flotar. El complemento de la lixiviacin enmontn es la extraccin por disolventes, que tambin se caracteriza por el bajocoste de la operacin.Una de las causas fundamentales que han contribuido a este avance ha sido laintroduccin del grupo de reactivos denominados LIX, manufacturados por GeneralMills, y que presentan la caracterstica de extraer selectivamente el cobre frente aotros metales, principalmente el hierro en su forma frrica, y permiten concentrar elcobre de las soluciones diluidas de lixiviacin hasta un valor que, despus de lareextraccin, produce un electrolito apto para efectuar la electrolisis del cobredirectamente. En la figura

28, se representa esquemticamente un circuito de extraccin por disolventes yelectrolisis del cobre aplicado a un proceso de lixiviacin en montn de minerales ysupone la existencia de circuitos cerrados en tres ciclos que permiten larecuperacin de reactivos.El cobre se extrae con la mayor parte de los reactivos usados para extraer otrosmetales, los cuales presentan el inconveniente de su falta de selectividad, siendoadems imposible aplicarlos a las soluciones de lixiviacin de minerales de cobreque tienen un pH ms cido que el requerido para la extraccin. En cambio, losreactivos derivados de las oximas son especficos para el cobre y lo extraen ensoluciones cidas. Existen varios de estos reactivos, conocidos por el nombrecomercial de reactivos LIX, habiendo sido el primero de ellos el LIX 63, que es una-hidroxioxima aliftica y aunque extrae el cobre, su selectividad no es todava muygrande y su rango de aplicacin queda limitado a soluciones con un pH poco cido.Posteriormente se introdujeron otros reactivos derivados de una-hidroxibenzofenonaoxima, que mejora el pH de extraccin y la selectividad deextraccin del cobre frente al hierro. Estos reactivos son el LIX 64, LIX 65N y LIX64N, siendo el ltimo el mismo LIX 65N adicionando una pequea proporcin delLIX 63 (1-2 %), que favorece la cintica de extraccin y es tambin el LIX 64N elagente de extraccin que ms se utiliz. Posteriormente se han propuesto otros

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reactivos de esta serie, como el LIX 70, el LIX 71 y el LIX 73, cuyas estructuras sedan en la tabla 6. La figura 29 muestra una comparacin del comportamiento deestos reactivos.

Fig. 29.- Extraccin del cobre por diversos agentes de extraccin: LIX 63, LIX64, LIX 64N, LIX 70 y Kelex 100 en xileno.

TABLA 6.- Reactivos de extraccin del cobre

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En 1977 Henkel KGaA compra General Mills y en 1999 anuncia una nueva compaaindependiente Cognis, desarrollando a lo largo de este tiempo las series LIX 600sobre la base de aldoximas, la LIX 860 basados en mezclas de reactivos aldoxima yketoxima (evitan el uso de modificadores) y en 1994 introduce su lnea de reactivosde mayor xito, la LIX Serie 900.

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Existen otras compaas que han propuesto otros reactivos parecidos para laextraccin del cobre. Una de estas compaas es la Ashland Chemical Co., que hanintroducido los reactivos conocidos con el nombre de Kelex, cuya base es una8-hidroxiquinolina. Se conocen dos de estos reactivos con los nombres de Kelex100 y Kelex 120, cuyas propiedades y aplicaciones son anlogas a las de losreactivos LIX. El reactivo Kelex 120 es realmente el Kelex 100 diluido en nonilfenol,que acta como inhibidor en la formacin de una tercera fase. Segn se hapublicado, los reactivos Kelex compiten favorablemente con los LIX y an lesmejoran en la recuperacin de cobre de soluciones con contenidos altos en cobre.Se han propuesto an algunos otros reactivos con propiedades comparables a losanteriores. La Shell Chemicals Co., ha propuesto el reactivo SME-529 y tambin seha propuesto otro reactivo llamado Acorga P-50 y posteriormente otros que llevanlas denominaciones P-5100 y P-5300. Sus estructuras tambin se muestran en latabla 6.

Los modernos reactivos extractantes de cobre son predominantementehidroxioximas, las que funcionan como agentes quelantes de los cationes de cobrede la solucin, formando un compuesto de cobre orgnico soluble en parafina.Tienen una amplia utilizacin en la extraccin de cobre desde soluciones delixiviacin con cido sulfrico.Este tipo de extractantes realiza una quelacin, es decir forman estructura de anillosque envuelven a la molcula de extractante como una ligazn selectiva para el inmetlico, dejando los restantes cationes en solucin. Por tanto, los extractantes tipoquelantes son capaces de formar un compuesto orgnico con el metal de inters.Corresponden a esta clase los siguientes reactivos: LIX, ZENECA, ACORGA M5640,SME de Shell Chemicals y MOC, en el ltimo tiempo.De la reaccin de extraccin-reextraccin con este tipo de extractantes, puedededucirse que se produce un intercambio de iones en los que la molcula extractoraorgnica entrega dos protones a cambio de un catin de cobre. As, la reaccin deextraccin genera cido, por lo que el refino queda lo suficientemente cido paraser devuelto a la etapa de lixiviacin.En la tabla 7, se presenta una lista de los reactivos que actualmente estn en usoindustrial

La cintica de extraccin de estos reactivos es ms lenta que la de las aminas o la delos cidos alquilfosfricos. Son necesarios 2 3 minutos para realizarse. Existe unadiferencia de cintica entre el cobre y el hierro (III) con estos reactivos, que es labase de su selectividad para el cobre, el cual se extrae ms rpidamente que el

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hierro, como se muestra en la figura 30. Con un tiempo de contacto de unos dosminutos en un proceso en contracorriente existe muy poca contaminacin porhierro. Sin embargo, si se deja al hierro suficiente tiempo para alcanzar el equilibrio,las cantidades extradas seran mucho mayores.

Fig. 30.- Extraccin del cobre y del hierro (III) por Kelex 100: ensayo cintico Fase orgnica: 10 % de Kelex 100 en Shell Sol R/isodecanol. Fase acuosa:Sulfato de cobre o alumbre frrico conteniendo 2 g/l de metal

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13. Aplicaciones industriales

Normalmente los reactivos mencionados, LIX o anlogos, se aplican a soluciones delixiviacin con cido sulfrico de minerales oxidados pobres de cobre, existiendoconstruidas varias plantas industriales que procesan el cobre de esta forma. Lasprimeras plantas comerciales que utilizaron los reactivos LIX fueron las de RanchersBluebird Mine (1968) y Bagdad Copper Mine, ambas en Arizona (EE.UU), queutilizaron el LIX 64N. En la dcada de los 70 se construy una planta mayor enZambia (Nchanga Consolidated Corporation, 1974), que tambin utilizaba el LIX64N, aunque en uno de sus circuitos se ha usado el agente SME 529. Se utilizandistintos diluyentes para el reactivo LIX 64N, entre ellos Napoleum 470, Escaid 100,Cnevron Diluent, etc., todos ellos son mezclas de hidrocarburos, siendo los equiposutilizados en estas plantas bateras de mezcladores decantadores.En estas plantas se utiliza el sistema de lixiviacin en montn, en el que grandestonelajes de minerales pobres se dejan durante cierto tiempo a la accin desoluciones muy diluidas de cido sulfrico, que percolan a travs de montones demineral y se colecta en el fondo el lquido de lixiviacin. El tiempo de lixiviacin esde varios das y, por ejemplo, en la planta de Ranchers Bluebird, antes citada, laduracin de la lixiviacin es de quince das. El lquido frtil se recoge en tanques dedonde se filtra a travs de lechos de tierra de diatomeas para eliminar los slidos ensuspensin. La concentracin del cobre suele ser de unos 2 a 3 g/l. Esta solucin aunos 25 C se trata por extraccin con disolventes a una relacin de caudalesaproximada Vor/Vaq = 1/2,5 en la alimentacin, siendo el disolvente utilizado ensus primeros aos el LIX 64N, aproximadamente al 9,5 % en Napoleum 470, en unabatera de tres mezcladores decantadores para la etapa de extraccin y de dos parala de reextraccin. Esta ltima se realiza por cido sulfrico procedente delelectrolito agotado de la electrolisis del cobre (aproximadamente 140 g/l de H2SO4y 30 g/l de Cu). La relacin de caudales es Vor/Vaq = 1/4. La solucin reextrada decobre, de 34 g/l, pasa a travs de unas clulas de flotacin, que utiliza Dowfroth250, para separar el disolvente arrastrado, que se recicla luego y el electrolito seenva a la fase de electrolisis del cobre. El refinado de la extraccin contieneaproximadamente 0,4 g/l de Cu. La figura 31 muestra el diagrama de flujo de estaplanta.La planta de Bagdad usa un proceso similar al descrito, utilizando una solucin dealimentacin con 1,5 g/l de Cu y 4 etapas de extraccin con LIX 64N en Napoleum470, se reextrae en tres etapas, originando un electrolito con 50 g/l de cobre. Elcapital invertido fue de cinco millones de dlares y se dice que fue amortizado en unsolo ao de operacin. El coste de operacin final es de 40 centavos/libra de cobreproducido, de los cuales slo 15 cents/lb corresponden a los gastos de extraccincon disolventes.

La mayor planta de la dcada de los 70 es la Nchanga Consolidated Copper Mines enZambia, construida por Davy Powergas, cuya capacidad fue diez veces mayor que lade Bagdad Copper Mines. La solucin de alimentacin tiene 2-3 g/l de Cu y tienetres etapas de extraccin utilizando LIX 64N al 20 % en Escaid 100. La reextraccinse verifica en dos etapas utilizando electrolito gastado (180 g/l de H2SO4 y 30 g/lde Cu) y se obtiene un electrolito de 50 g/l de Cu. El proceso se realiza en cuatrocircuitos en paralelo y la capacidad de la planta en sus inicios fue de 60.000 t/aode cobre electroltico. En uno de estos cuatro circuitos se utiliz el reactivo SME 529de la Shell.

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Otra de las grandes plantas de recuperacin de cobre por extraccin con disolventeses la de Anamax Co., tambin en Arizona (EE. UU), que fue construida inicialmentepara una produccin de 30.000 toneladas/ao de cobre. Se usa una solucin entre 2y 3 g/l de cobre, con cuatro etapas de extraccin y dos de reextraccin en doscircuitos paralelos, siendo el disolvente empleado en sus comienzos el LIX 64N al

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12-14 % en Chevron Diluent, que contiene un 15 % de aromticos. El refinado deja0,4 g/l de cobre.En la tabla 8 se presentan algunas plantas de extraccin por solventes de cobre y enla tabla 9 las plantas de cobre Chilenas.Tabla 8. Plantas de extraccin por solventes de cobre fuera de Chile

Compaa Localizacin Produc.Tpo CuCaractersticas (Mineral+lixiv) Extractante

RanchersBluebird

Bagdad CopperMine

Cyprus MineNchangaConsolidatedNchangaConsolidatedMinero PerDuval Corp.Soc. Min. TenkeFungamareAnaconda

Anamax

SEC Corp.ElpasoCities ServiceCapital Wire &CableJohnson Mathay

Mathey Refiners

Arizona, U.S.AArizona, U.S.AArizona, U.S.AZambia

Zambia

Cerro Verde,PerNevada, U.S.AZaire

Nevada, U.S.AArizona, U.S.ATexas, U.S.AArizona, U.S.AArizona, U.S.ALondres, GBretaa

Rustenberg,

18 -19

18 -19

13 -14

182

7 5

9 0

140

250

8 2

9 8

18 -20

13 -14

13 -14

-

-

Ox.Cu, H2SO4Ox.Cu, H2SO4Ox.Cu, H2SO4Ox.Cu, H2SO4Ox.Cu, H2SO4Ox.Cu, H2SO4Ox.Cu, H2SO4Ox.Cu, H2SO4Sulfuros Cu,Amoniacal

Ox.Cu, H2SO4Eletrlitosagota-dos (Cu, Ni, H+)Aguas de minaCobresecundrioSulfatos Cu, Ni

Lix 64 N

Lix 64 N

Lix 64 N

Lix 64 N/SME529

Lix 64 N

Lix 64 N

Lix 64 N

Lix 64 N

Lix 65 N

Lix 64 N

Lix 64 N

Lix 64 N

Lix 64 N

Lix 64 N

AcorgaP-5100

La construccin de esas plantas es una indicacin de que el proceso es rentable y sepuede decir que, en general, el proceso de extraccin con disolventes y electrolisisdel cobre (SX-EW) va desplazando al clsico de cementacin y fusin para larecuperacin del cobre. Al considera la construccin de la planta de Nchanga sehicieron estudios econmicos de la viabilidad del proceso de extraccin con

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disolventes frente a otros procesos, entre ellos el de cementacin y cuyos resultadoshan sido publicados. Entre las conclusiones que se han alcanzado se indica que losgastos de operacin estimados para el caso de la extraccin con disolventes son tanslo el 55 % de los estimados para la cementacin, ya que se consigue un granahorro en el consumo de reactivos al reciclar el disolvente, con slo unas prdidasmnimas, mientras que en el proceso de cementacin existe un gran consumo dechatarra de hierro, y en cuanto al consumo de cido tambin es inferior en un 30 %.Sin embargo la inversin necesaria es inferior en un 20 % para el proceso decementacin. En la tabla 10 se muestra una indicacin comparativa de estos datos.

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14. Procesos de extraccin con disolventes ycementacin

Proceso Gastos de operacin InversinSX-EW(1) 12,30 cents($)/lb Cu refinado 48,070 x 106 $Cementacin(1) 22,65 cents($)/lb Cu refinado 39,371 x 106 $SX-EW(2) 53,15 cents($)/lb Cu refinado 207,755 x 106 $Cementacin(2) 97,89 cents($)/lb Cu refinado 170,159 x 106 $

TABLA 10

(1) Precios estimados y referidos al ao 1971 y para una planta de produccin de4.500 t Cu/mes a partir de minerales pobres.(2) Precios estimados y referidos al ao 2009 y para una planta de produccin de4.500 t Cu/mes a partir de minerales pobres.En la tabla 11 se presentan una serie de grficos y tablas en las que se observa laproduccin total de Cu y la parte correspondiente a la produccin mundial obtenidapor medio del proceso SX-EW.TABLA 11

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Hoy en da alrededor del 25% de cobre del mundo se recupera mediante laextraccin por solvente y la extraccin por solvente se considera la ruta de msbajos costos de operacin para la produccin de ctodo de calidad.

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El alcance de la extraccin por solvente de cobre slo est limitado por ladisponibilidad de mineral lixiviable en cido y no es de extraar que unaconsiderable atencin est dirigida hacia el desarrollo de adecuadas tcnicas delixiviacin de calcopirita, el ms numeroso de todos los minerales de cobre.Existen adems otros procesos en los que se aplica la extraccin con disolventes alas soluciones de lixiviacin, en medios distintos al cido sulfrico. As en el procesoMinimet se lixivian minerales del tipo calcopirita, calcocita y covelita, utilizandocomo lixiviante el cloruro cprico a pH 1, formndose cloruro cuproso, cloruroferroso y azufre elemental durante la lixiviacin. Esta solucin se divide en dospartes, una en la que se precipita y se elimina el hierro como goetita, reciclndose lasolucin de cloruro cprico, y otra parte que se trata por extraccin con disolventescon el reactivo LIX 65N al 30 % en Escaid 100 en una sola etapa a 50 C, contiempos de residencia de 10 a 15 minutos y concentraciones altas en cobre. El cobrese extrae como in cprico, oxidndose el in cuproso durante la extraccin porinyeccin de aire y separndose del hierro, que queda como in ferroso en elrefinado. Este se recicla para aprovechar el in cprico sin extraer y se vuelve autilizar en la lixiviacin, no existiendo por tanto prcticamente consumo dereactivos. Para evitar la acumulacin de otros metales se hace un drenaje delrefinado, en el que se retira una parte del mismo y donde se eliminan Zn, Pb, Cu yAg. En la figura 32 se presenta un diagrama de flujo de este proceso.

Si la extraccin con disolventes del cobre se aplica a sistemas en mediosligeramente alcalinos con mezclas amoniacales, la cintica es mucho ms rpida y

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puede alcanzarse el 95 % de la extraccin en slo 5 segundos. En el procesoAnaconda Arbiter se utiliza el LIX 65N y se aplica en una planta con una capacidadinicial de produccin de 100 t/da de cobre electroltico. Se realiza una lixiviacin enmedio amoniacal con inyeccin de oxgeno a baja presin y tcnicas especiales deagitacin. Despus de extraer el cobre con el LIX 65N se recupera el amoniaco delrefino con caliza y destilando con corriente de vapor. En la figura 33 se muestra undiagrama de esta planta.

En la planta de Capital Wire para la recuperacin del cobre de chatarra de latn,radiadores de coches, cobre de cementacin, etc., se utiliza tambin la lixiviacinamoniacal y la solucin obtenida de unos 30 g/l de cobre se diluye con el propiorefinado de la extraccin del cobre, a un valor aproximado de 15 g/l. Se usa LIX

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64N, que en dos etapas extrae totalmente el cobre y tambin en dos etapas sereextrae con el electrolito agotado, seguido de electrolisis del cobre.Con la viabilidad ya probada industrialmente para diversos materialesprimarios y secundarios, el proceso de extraccin con disolventes se presentacomo una va alternativa en la hidrometalurgia para la obtencin de grancantidad de metales y ser aplicado de una forma rentable, eficiente yrespetuoso con el medioambiente, logrando productos de alta calidad ysubproductos reciclables con ausencia de los principales txicos y peligrososde los residuos.

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15. Hidrometalurgia. Bibliografa

La biografa de este curso tambin hace referencia a la primera parte tituladaHidrometalurgia. Extraccin con disolventes (1/2)

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Presentacin del curso1. Diluyentes2. Disolventes. Clasificacin3. Disolventes. Fenmeno de la tercera fase4. Sinergismo. Fenmeno5. Hidrometalurgia. Ensayos6. Hidrometalurgia. Eleccin y diseo del equipo7. Extraccin. Aspectos econmicos8. Planta de extraccin. Costo de capital9. Planta de extraccin. Costos de operacin10. Comparacin de costos de varios sistemas11. Optimizacin de procesos de extraccin con disolventes12. Extraccin con disolventes. Aplicacin13. Aplicaciones industriales14. Procesos de extraccin con disolventes y cementacin15. Hidrometalurgia. Bibliografa

hidrometalurgia extraccion disolventes 22 28677 completo

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