procesos metalurgicos unidad ii
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CURSO: PROCESOS METALÚRGICOSTEMA: CLASIFICACIÓN INDIRECTA SEPARACIÓN SOLIDO LIQUIDO
POR : E D UAR DO R OJAS
Instituto Profesional Los LeonesDepartamento de Minería y Geología
Técnico en Minería
Clasificación Indirecta, Separación Solido Liquido
Sedimentación Libre
Sedimentación Obstaculizada
Equipos de Clasificación hidráulica y neumática
Espesamiento, clasificación, floculación y filtrado. Equipos y circuitos
Separación Sólido-Líquido
Los métodos mas utilizados para procesar minerales requieren que el mineral se encuentre mezclado con agua.
Tanto el concentrado que va hacia la etapa de fundición o el que se vende como producto tal, interesa que contenga una cantidad mínima de agua para reducir los costos de combustible y el de transporte respectivamente, además de poder aprovechar mejor el agua recuperada
Por lo cual, una vez obtenido el producto (concentrado, relave o residuo en general) es necesario separar los sólidos del fluido.
Separación Sólido - Líquido
Sedimentación Es una operación de separación de fases fluido-sólido en la que
las partículas sólidas se separan del fluido debido a que por su mayor densidad, tienden a sedimentar debido a la gravedad. El fluido puede ser un líquido o gas.
Cuando el sólido queda suspendido por el movimiento del fluido se da el fenómeno de fluidización.
Usos Clarificación: Obtener una fase líquida clara, sin sólidos en
suspensión (por ejemplo: tratamiento de aguas)
Espesamiento: Obtener una pulpa de densidad adecuada para alguna operación subsiguiente (por ejemplo: pulpa para filtrado)
Sedimentación
Variables: Tamaño de partícula Densidad de la partículas Forma de las partículas Propiedades superficiales
Otros fenómenos Sedimentación impedida Coagulación Floculación Dispersión
Separación Sólido -Líquido
Sistema de Dispersión Son sistemas multifásicos, compuestos de dos o
tres fases Una fase continua (medio dispersante) Una o dos fases discontinuas (fases dispersas)
Clasificación según el tamaño de partícula Suspensiones, partículas mayores que 1 micron Coloides, desde 1 micron a 10 angstrom
Las pulpas tienen características de suspensiones y coloides a la vez
Separación Sólido - Líquido
Estabilidad de las Dispersiones Se define como la capacidad de un sistema de mantener en
el tiempo una concentración uniforme a través de todo el volumen sin necesidad de agitación mecánica externa.
Cuando el sistema no es estable, se separan ambas fases por sedimentación de la fase sólida debido a la fuerza de gravedad.
Una suspensión es un sistema naturalmente inestable.
La velocidad de separación de ambas fases está determinada por la propiedades físicas de ambas fases y la concentración de la fase sólida
Separación Sólido - Líquido
Estabilidad de las Dispersiones A medida que la partícula es más pequeña, menor es
el efecto de la fuerza de gravedad.
A este nivel, son significativos factores tales como las fuerzas de atracción y repulsión entre las partículas.
Si predominan las fuerzas de repulsión, el sistema se mantiene estable
En caso contrario, las partículas sedimentan solas o forman agregados.
Separación Sólido - Líquido
Coagulación y Floculación Para el espesamiento de pulpas, se hace necesario disminuir
la estabilidad de las dispersiones.
Esto permite favorecer la formación de agregados multipartículas con velocidades de sedimentación superiores a la de una partícula normal.
Se hace necesario reducir la barrera energética, disminuyendo el potencial superficial.
Posibilidades: Adsorción superficial de iones Condensación de la doble capa
Separación Sólido - Líquido
Condensación de la doble capa La disminución del perfil del potencial permite reducir la barrera
energética con lo que se favorece la formación de agregados de partículas.
Cuando se induce la desestabilización de una dispersión mediante adsorción superficial de iones o por compresión de la doble capa, el fenómeno se denomina coagulación.
Mecanismos de coagulación de partículas coloidales
Separación Sólido - Líquido
El agua pasa a través de tuberías, a un tanque o cámara de mezcla donde se agita y se combina con un producto que neutralice y desestabilice los coloides
Este proceso dura fracciones de segundo y requiere de una fuerte agitación, que permita una rápida difusión del producto químico compuesto de Sulfato de Aluminio y Cloruro Férrico
Separación Sólido - Líquido
Floculación La floculación es otra forma de producir agregados de
partículas
El agregado de partículas se produce como consecuencia de la adición de compuestos orgánicos de cadena larga (polielectrolitos)
Estos compuestos se adsorben sobre la superficie
Separación Solido -Líquido
Mecanismos de Floculación Si la cadena es
corta, el reactivo produce hidrofobización de las superficies
Si la cadena es larga con múltiples grupos polares, cada molécula se adsorbe sobre varias partículas.
Separación Sólido - Líquido
La agitación homogénea y lenta del agua y el químico hace que las partículas de turbiedad se unan a las otras para formar un flóculo.
Una vez que el agua ha sido coagulada y floculada, el siguiente proceso consiste en separar los más densos.
Esta sedimentación se lleva a cabo en los decantadores, ya sean de forma circular o rectangular.
En estos procesos, el agua elimina cerca del 70% de sus impurezas biológicas e inorgánicas.
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Velocidad de Sedimentación La velocidad de separación o velocidad de
sedimentación está determinada por las propiedades del sólido, del líquido o de la mezcla.
Propiedades del sólido Densidad Forma Rugosidad superficial Condición eléctrica de su superficie Distribución granulométrica
Separación Sólido - Líquido
Velocidad de Sedimentación
Propiedades de la fase Líquida Densidad Viscosidad Naturaleza molecular Substancias disueltas
Propiedades de la mezcla Concentración de sólidos Viscosidad de la mezcla
Separación Sólido - Líquido
Separación Sólido - Líquido
Velocidad de Sedimentación
Las zonas de sedimentación y la del líquido claro crecen a expensas de las zona de concentración uniforme hasta que desaparece (punto crítico).
Hasta este punto, las partículas sedimentan libremente, chocando eventualmente debido a la concentración
Después del punto crítico, las partículas descansan una sobre otra produciéndose una compresión final.
Esto ocurre debido al peso de la columna hidrostática.
Separación Sólido - Líquido
Velocidad de Sedimentación La única interfase nítida es la existente entre el agua clara y la
pulpa.
La variación de esta altura respecto del tiempo se utiliza para caracterizar la sedimentación batch.
La velocidad de desplazamiento se calcula mediante la pendiente de la curva.
La curva presenta tres zonas típicas: Recta al principio, en que la velocidad de la interfase es constante Tramo curvo, cuando desaparece la zona de concentración constante Asintótica, después del punto crítico
Separación Sólido - Líquido
Tipo I (Sedimentación Discreta) Ocurre en
suspensiones diluidas, las partículas tienen muy poca interacción con otras mientras sedimentan
Las partículas sedimentan de acuerdo a la Ley de Stocks
El parámetro de diseño es: Tasa de flujo
superficial “overflow” (Q/As)
Tipo II (Sedimentación Floculante) Las partículas
floculan conforme sedimentan
La velocidad de los flóculos se incrementan con el tiempo
Parámetros de diseño: Tasa de flujo
superficial Profundidad del
tanque, o Tiempo de retención
hidráulico
Separación Sólido-Líquido
La teoría básica del flujo de sólidos a través de fluidos se basa en el concepto de cuerpos con movimiento libre
Donde: F: es la fuerza resultante sobre cualquier cuerpo : es la aceleración del cuerpo m: es la masa del cuerpo
Separación Sólido - Líquido
Las fuerzas que actúan sobre cualquier cuerpo que está cayendo
son: : Ley de Newton : Fuerza de arrastre : Fuerza de flotación
(Principio de Arquimides)Por lo tanto la fuerza
resultante es:
Separación Sólido-Líquido
Reemplazando FE, FD y FB, y además considerando que: La fuerza externa es la gravedad, por lo que aE es
igual a la aceleración de gravedad (g). Consideramos partículas esféricas, por lo que:
El área proyectada perpendicular al flujo es: La masa es:
Obtenemos:
Separación Sólido - Líquido
Velocidad Terminal La velocidad terminal de una partícula en un proceso
de sedimentación es la velocidad a la cual se alcanza el equilibrio de fuerzas sobre una partícula
A la velocidad terminal, ; por consiguiente,
Re-arreglando términos,
Para flujo laminar, turbulento o de transición
Separación Sólido - Líquido
Ley de Stokes (Régimen laminar)
Régimen de Transición
Ley de Newton (Régimen turbulento)
Donde
Re ≤ 0,1
Re ≥ 1,0
CD es también una función de la velocidad, por lo que resulta una ecuación con dos incógnitas. Una técnica para la solución simultanea es utilizar la ecuación:
Expresando el numero de Reynolds en función de la velocidad terminal en forma logarítmica
Eliminando vt entre ambas ecuaciones resulta
Nota: Se traza una línea recta con pendiente -2 que pase por el punto:
La intersección de la línea recta con la curva de la esfericidad deseada nos da el numero de Reynolds terminal de donde se puede calcular vt
Separación Sólido - Liquido
También se puede derivar una expresión en la cual no aparece el tamaño de partícula:
El tamaño de una partícula que tiene una velocidad terminal fija, puede determinarse de la grafica. Su intersección con la curva apropiada de esfericidad, da el numero de Reynolds terminal, a partir del cual puede calcularse Dp
Esfericidad = área superficial de una esfera equivalente de una partícula
Esfera equivalente = esfera del mismo volumen de una partícula
La desviación de la esfera no importa en la región de la Ley de Stocks como sucede en el región de la Ley de Newton
Las partículas caen con su área más pequeña señalando hacia abajo en la región de la Ley de Stocks
La superficie más grande señala hacia abajo en la región de la Ley de Newton
Separación Sólido - Líquido
Calcular la velocidad terminal (vt) para gotas de lluvia de 0.5 mm de diámetro que caen a través del aire a 20 °C.
Datos: aire=1,206 kgm-3
aire=2*10-5Nsm-2
agua=1.000kgm-3
g=9,8ms-2
Formulas
El numero de Reynolds de una partícula es:
Separación Sólido - Líquido
Sedimentación libre. Es cuando el movimiento de las fases es debido
solamente al efecto de las fuerzas de gravedad, flotación y resistencia sobre el sistema.
En términos generales la sedimentación es considerada libre cuando: El diámetro de las partículas es 200 veces menor al del
recipiente en que están sedimentando La concentración de partículas es menor al 0,2%
Se aplican las funciones antes estudiadas
Separación Sólido – Líquido
Sedimentación Obstaculizada o frenada Es cuando el movimiento de las fases es debido al efecto de las
fuerzas de gravedad, flotación y resistencia sobre el sistema y a la concentración y/o tamaño de las partículas sedimentando.
Por consiguiente, cuando: El diámetro de las partículas es mayor a 200 veces el diámetro del
recipiente en que están sedimentando se considera que la sedimentación es frenada por Efecto Pared.
La concentración de partículas es mayor al 0.2% se considera que la sedimentación es frenada por Concentración de Partículas.
Se puede derivar un factor de corrección (R) que incorpore los efectos de viscosidad para una suspensión dada, permitiendo el uso de una ecuación más conveniente
Donde vH es la velocidad terminal para la sedimentación obstaculizada
Clasificación Indirecta
Se entiende por «clasificación indirecta de partículas» a la clasificación por tamaños que se realiza por medio de características físicas de las partículas asociadas al tamaño, por ejemplo la densidad o peso especifico.
Los principales equipos utilizados para clasificación de minerales de forma indirecta son los hidrociclones.
Clasificación Indirecta
Los HIDROCICLONES conocidos también por ciclones, forman una clase importante de equipos destinados principalmente a la separación de suspensiones sólido – líquido. La primera patente del HIDROCICLÓN data de 1891, sin embargo, su utilización industrial recién tuvo inicio después de la segunda guerra mundial en la industria de procesamiento de minerales. Desde entonces, vienen siendo usados industrialmente, de manera diversificada en las industrias química, metalúrgica, petroquímica, textil, y otros.
El HIDROCICLÓN consiste de una parte cónica seguida por una cámara cilíndrica, en la cual existen una entrada tangencial para la suspensión de la alimentación (Feed). La parte superior del hidrociclón presenta un tubo para la salida de la suspensión diluida (overflow) y en la parte inferior existe un orificio de salida de la suspensión concentrada (underflow).
Clasificación Indirecta
El ducto de alimentación se denomina inlet, el tubo de salida de la suspensión diluida se denomina vortex, y el orificio de salida del concentrado se denomina apex, tal como se puede observar en el siguiente esquema de las partes del HIDROCICLÓN:
Clasificación Indirecta
La suspensión es bombeada bajo presión, entra al HIDROCICLÓN a través del tubo de alimentación donde se genera un movimiento de tipo espiral descendente debido a la forma del equipo y la acción de la fuerza de gravedad .
A razón de este movimiento se produce una zona de muy baja presión a lo largo del eje del equipo, por lo que se desarrolla un núcleo de aire en ese lugar.
A medida que la sección transversal disminuye en la parte cónica, se superpone una corriente interior que genera un flujo neto ascendente también de tipo espiral a lo largo del eje central del equipo, lo que permite que el flujo encuentre en su camino al vortex que actúa como rebalse.
Clasificación Indirecta
Las partículas en el seno del fluido se ven afectadas en el sentido radial por dos fuerzas opositoras: una hacia la periferia del equipo debido a la aceleración centrífuga y la otra hacia el interior del equipo debido al arrastre que se mueve a través del HIDROCICLÓN. Consecuentemente, la mayor parte de las partículas finas abandonarán el equipo a través del vortex, y el resto de las partículas, mayoritariamente los gruesos, saldrán a través del apex. En la siguiente figura se puede observar la trayectoria de flujos dentro del HIDROCICLÓN.
Clasificación Indirecta
Básicamente los cuatro parámetros independientes que permiten variar las condiciones de operación son:
La densidad de la pulpa La caída de presión en la alimentación El diámetro del vortex El diámetro del apex
El tamaño de corte y la eficiencia de la separación son controlados mediante el ajuste de estos parámetros.
Clasificación Indirecta
El diámetro del HIDROCICLÓN puede variar desde una pulgada hasta dimensiones que pueden alcanzar los 1200 mm.
HIDROCICLONES de mayor diámetro producen separaciones gruesas
HIDROCICLONES de menor diámetro producen separaciones finas.
Clasificación Indirecta
Clasificación Indirecta
Los equipos de Hidrociclones trabajan en baterías de hidrociclones, donde pueden combinar las características de capacidad de operación y tamaño de partículas necesarios para la operación