4. fundamentos teoricos de sedimentación

Operaciones Concentradora Laguna Seca – MODULO 1

1.0 FUNDAMENTOS TEÓRICOS APLICADOS A PLANTAS CONCENTRADORAS DE SULFUROS DE COBRE

1.4 FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE SEDIMENTACIÓN

Al finalizar satisfactoriamente el estudio de este tópico, Usted debe ser capaz de:

• Identificar el fenómeno de sedimentación• Aplicar conceptos básicos referidos al lenguaje de sedimentación • Identificar las variables de operación con el modelo y los efectos en la

sedimentación

1.4.1 INTRODUCCIÓN

En el procesamiento de minerales, donde la concentración por flotación es aplicada al beneficio, se requiere que el mineral, reducido a un determinado rango de tamaño, en la etapa de molienda, se encuentre mezclado con agua, formando una pulpa que ingresa al proceso de flotación, obteniéndose dos corrientes: concentrado y relaves.La pulpa obtenida en el proceso de flotación contiene un alto porcentaje de agua, que debe ser reducida en la etapa de sedimentación posterior, con la finalidad de concentrarla hasta un nivel de sólido que permita transportarla hidráulicamente por mineroducto, obteniendo como beneficio secundario la recuperación de agua para proceso.Las colas finales de una planta de flotación constituyen el principal residuo en la actividad de extracción del mineral de cobre y corresponde a una mezcla de sólidos y agua en una proporción aproximada de 1:1en masa, por lo que se les debe recuperar el agua ante de ser enviados a los tranques de relave.

1.4.2 CONCEPTOS BÁSICOS DE SEDIMENTACIÓN

1.4.2.1 Mecanismos de SedimentaciónLa Sedimentación es un mecanismo de separación sólido – líquido que se basa en el movimiento de partículas sólidas a través de un fluido y consiste básicamente en obtener como productos una pulpa de mayor concentración de sólidos que la pulpa original y una solución clara. La separación parcial o la concentración de las partículas sólidas suspendidas en un líquido se produce principalmente mediante asentamiento por gravedad. El mecanismo de Sedimentación se puede dividir en las operaciones funcionales de: espesamiento y clarificación.El objetivo principal del espesamiento es incrementar la concentración de los sólidos en suspensión en la corriente de alimentación, en tanto que el de clarificación es eliminar las partículas en suspensión y obtener un efluente claro o limpio. Estas dos funciones son similares y ocurren en forma simultánea y la terminología sólo hace distinción entre los resultados deseados. Las plantas concentradoras de minerales disponen de espesadores para concentrado y relaves, que operan como espesadores o clarificadores de acuerdo a los siguientes objetivos:• En los espesadores de concentrado se verifica una operación de espesamiento, donde la

descarga debe tener una consistencia suficiente para ser enviada como alimentación a los filtros

Sep 2004 Página 53 de 69 Modulo 1: Fundamentos SedimentaciónRev. No. 1 Archivo: Teoria Sedimentación.DOC

Operaciones Concentradora Laguna Seca – MODULO 1de concentrado, o bien para ser transportada hidráulicamente a través de mineroductos a la zona de filtrado y embarque de concentrados. En el caso de Minera Escondida Ltda., la pulpa debe tener entre 62% a 65 % de sólidos, para ser transportada por mineroducto a la planta de filtro de Puerto Coloso.

• En los espesadores de relave se verifica una operación de clarificación, donde lo importante es obtener un rebalse acuoso limpio que constituye el agua industrial de recirculación a proceso. Su descarga más espesa es enviada hacia el tranque de relaves donde se deposita la ganga del mineral (estéril) y a su vez se recupera parte del agua.

1.4.2.2 Sedimentación de Partículas a) Partícula aislada Una partícula sólida aislada, en un fluido de menor densidad, tiende a caer aumentando su velocidad hasta llegar a una velocidad de equilibrio entre las fuerzas de gravedad y las fuerzas de resistencia del fluido, como se muestra en la Figura 4.1 Esta velocidad de equilibrio se denomina velocidad de sedimentación.La velocidad de sedimentación es función del diámetro de la partícula (d) que sedimenta, del peso específico relativo entre el sólido y el fluido (ρs/ρL) y la viscosidad del fluido (µ).

= µ

ρρ

,,L

sdvv (4.1)

La velocidad de sedimentación para una esfera de densidad sρ , se obtiene igualando la expresión del peso aparente (peso real menos el empuje) y los esfuerzos de arrastre, obteniéndose la siguiente expresión:

−= 1

3

41

L

s

d

gdc

vρρ (4.2)

Donde: v es la velocidad de sedimentación (m/s), cd = coeficiente de arrastre (adimensional), g aceleración de gravedad (m/s2) , d diámetro de partícula (m), ρS densidad de la partícula (Kg/m3) y ρl densidad del líquido (Kg/m3)En el caso de un flujo de sedimentación muy lento, compuesto por partículas muy pequeñas y/o livianas, existe una solución analítica denominada ecuación de Stokes, que tiene la siguiente expresión para la velocidad de sedimentación:

ηρρ

−

=1

18

1v

2

L

sgd(4.3)

Donde: η viscosidad cinemática (Kg/m ·s).Experimentalmente se comprueba que la solución de Stokes, es válida sólo para Re > 0.1.

b) Conjunto de partículas


Peso Aparente

Fuerza Arrastre

Figura 4.1 Fuerzas que actúan en una partícula aislada

Operaciones Concentradora Laguna Seca – MODULO 1Para altas concentraciones de sólidos, es necesario considerar además la interacción entre partículas. Hay dos tipos importantes de interacción:• Interacción por sedimentación obstruida o sedimentación de pulpas. Si las partículas están muy cercas unas de otras, la estela de una partícula tiende a arrastrar a las vecinas y las partículas más rápidas chocan con otras más lentas. Por otra parte, el fluido debe desplazarse por entre las partículas en movimiento para dejarles lugar. El efecto global de este fenómeno es la reducción de la velocidad de sedimentación, es decir, como si cada partícula estuviera sedimentando en un pseudofluido de mayor densidad y viscosidad que el fluido puro (mezcla sólido – fluido).• Interacción por floculación.Las partículas individuales se agrupan para formar una unidad de mayor tamaño mediante un fenómeno electroquímico, permitiendo aumentar la velocidad de sedimentación.Compare los efectos en la velocidad de sedimentación, de estos dos tipos de interacción (por sedimentación obstruida y por floculación).

1.4.2.3 Coagulación y FloculaciónLa coagulación hace que las partículas coloidales, es decir, aquellas que son tan pequeñas que no pueden sedimentar por si sola, se adhieran unas a otras. Todas las partículas ejercen fuerzas de atracción mutuas, conocidas como fuerzas de Van der Waals-London, las cuales solamente son efectivas en una distancia muy pequeña. Normalmente, la adhesión debida a estas fuerzas se reduce o elimina por la presencia de una atmósfera cargada eléctricamente alrededor de cada partícula, generándose fuerzas de repulsión entre ellas. Por lo tanto, en cualquier sistema existe un balance entre las fuerzas de atracción y las de repulsión presentes en la interfase líquido-sólido.

Las fuerzas de repulsión no sólo evitan la coagulación de las partículas, sino también retardan su sedimentación al mantenerlas en movimientos constantes. Este efecto es pronunciado en las partículas más pequeñas.

Los coagulantes son electrolitos que tienen una carga opuesta a la de la superficie de las partículas, causando así una neutralización de éstas cuando se dispersan en el sistema, permitiendo que las partículas entren en contacto y se adhieran como un resultado de las fuerzas moleculares (atracción).

Los sólidos coloidales, dependiendo de su carga superficial, pueden requerir un tratamiento inicial con un agente químico, que tenga propiedades iónicas fuertes, como los ácidos, la cal, el alumbre o el sulfato férrico. Estos dos últimos precipitan a pH neutro y producen una estructura de flóculos gelatinosos que ayudan aún más a la recolección de partículas extremadamente pequeñas.

La floculación produce la formación de aglomerados mucho mayores que los que resultan en la coagulación y que se forman sobre moléculas de reactivos que actúan como puente entre las partículas en suspensión. Los reactivos utilizados para formar los puentes son polímeros orgánicos de cadena larga y lineales. Antiguamente, se utilizaban materiales naturales, tales como almidón, cola y gelatina. Sin embargo, hoy en día se utilizan materiales sintéticos, normalmente llamados polielectrolitos, como por ejemplo, las poliacrilamidas, cuya variedad es amplia en peso molecular y densidad de carga. La mayoría de los polielectrolitos son de carácter aniónico, pero existen también no-iónicos y algunos


Operaciones Concentradora Laguna Seca – MODULO 1catiónicos. Las sales inorgánicas no son poderosas para cumplir con esta función de puente, pero algunas veces son usadas junto a los agentes orgánicos para abaratar costos en la neutralización de carga de las partículas.. El empleo de floculantes se ha convertido en una práctica común para reducir las dimensiones del equipo y los costos de capital que se pueden lograr con dosis nominales de reactivo. El campo de aplicación de los floculantes varía, pero en general, los no iónicos son adecuados para suspensiones ácidas, los aniónicos trabajan bien en medios neutros o alcalinos y los catiónicos son más eficaces en materiales orgánicos y coloidales.

Las pulpas o suspensiones de sólidos finamente divididos, que se generan habitualmente en la industria minera, se pueden considerar en general como suspensiones estables. La floculación de suspensiones puede inducirse de tres maneras:1. Reduciendo la carga superficial2. Rompiendo la doble capa protectora3. Por conexión polielectrolítica

Con un pH casi neutro, la mayoría de los sólidos en agua tienen una carga superficial negativa. No obstante, esta carga varía de acuerdo con el pH, pudiendo ser positiva, negativa o neutra.La carga pasa a neutra (punto isoeléctrico) al alcanzar el pH característico de cada sólido. A medida que el pH se acerca al punto isoeléctrico disminuye la carga superficial y la doble capa contraiónica, permitiendo de esta forma iniciar la floculación.Los electrolitos añadidos y particularmente, los iónes inorgánicos de Fe++, Al+++ y Ca++ comprimen la doble capa. Igual que una carga superficial más baja, una doble capa comprimida produce menos repulsión entre partículas y facilita la floculación. Se dice que los polielectrólitos pueden flocular suspensiones por medio de enlace o conexión. Los floculantes se fabrican en forma de sólidos secos, líquidos, emulsiones y suspensiones. Los sólidos secos requieren sistemas diseñados adecuadamente para obtener una disolución total, con una concentración característica de aproximadamente 0.5 a 1% en peso. Las formas fluidas de los floculantes son más fáciles de dispersar. Las soluciones preparadas se diluyen por lo general hasta 0.1 a 0.01% antes de agregarlas a la pulpa de alimentación del espesador. En algunos casos puede ser necesario diluirlas aún más, hasta el equivalente de 1 a 2% del volumen de alimentación, para obtener una floculación eficiente. En los espesadores convencionales, el floculante se agrega al pozo de alimentación o en lugares diversos de manera de obtener una distribución relativamente uniforme del reactivo. Sin embargo, en muchas aplicaciones es necesario un mezclado cuidadosamente controlado del floculante y la corriente de alimentación, para mantener una eficiencia de floculación y velocidades de sedimentación altas. Esto es especialmente válido para los espesadores de alta velocidad.¿Cuándo es conveniente coagular las partículas?. ¿En su faena emplean coagulantes?.

1.4.2.4 Descripción de la Operación de EspesamientoEsta operación, se realiza en forma industrial, en un equipo denominado espesador que consiste en un estanque cilíndrico de gran diámetro, poco profundo, provisto de un rebalse periférico y con una descarga centrada en el fondo. La alimentación se introduce en estos estanques en el centro a media altura entre el rebalse y la descarga, y fluye por una tubería hasta el centro del espesador (interior del pozo de alimentación). Cuando la corriente de alimentación entra al espesador, se establece un gradiente de concentración de sólidos, en función de la altura de estos equipos, de forma tal que los sólidos sedimentan


Operaciones Concentradora Laguna Seca – MODULO 1al fondo, mientras que en la parte superior rebalsa un líquido limpio o claro, denominado overflow. El volumen de líquido claro producido por unidad de tiempo en un espesador continuo depende principalmente, del área transversal disponible para la sedimentación y es casi independiente de la profundidad del líquido.Los sólidos sedimentados son removidos mediante un mecanismo de rastras (rastrillos radiales), que se mueve lentamente para no generar turbulencia y que permite transportar el material sedimentado hacia la descarga. La descarga o underflow, abandona el espesador por gravedad o por acción de una bomba.

Si se considera que la sedimentación de partículas de tamaño finos, de sólo algunos micrones, está afectada principalmente por la fuerza de gravedad, se verifica que las velocidades de sedimentación son demasiado lentas. Luego, para que la operación sea practicable las partículas deben coagularse y/o flocularse, para incrementar su tamaño y por ende, su velocidad de sedimentación.¿El caudal de líquido claro depende de la altura del espesador?. Fundamente.

1.4.2.5 Tipos de SedimentaciónLos tipos de sedimentación que se encuentran en la tecnología de un proceso se ven considerablemente afectados no sólo por los factores obvios – el tamaño de partícula, viscosidad del líquido, densidad de la solución y el sólido – sino que también, por las características de las partículas en el precipitado. Estas propiedades, así como los requerimientos del proceso, ayudan a determinar tanto el tipo de equipo que logre los objetivos deseados en forma más eficaz como, los métodos de pruebas a utilizar para la selección del equipo.En la Figura 4.3 se muestra la relación que existe entre la concentración de sólidos, la cohesión entre partículas y el tipo de sedimentación que puede ocurrir.


ALIMENTACIÓNPulpa diluida

OVERFLOW

Solución clara

UNDERFLOWPulpa concentrada

Figura 4.2 Esquema de un espesador


Las partículas totalmente discretas incluyen partículas minerales (φ > 20 µm), cristales de sales y sustancias similares cuya tendencia a la cohesión es pequeña.Las partículas extremadamente floculadas incluyen partículas < 20 µm, hidróxidos metálicos, precipitados químicos, sustancias orgánicas.A concentraciones bajas, el tipo de sedimentación encontrado se conoce como asentamiento de la partícula. Independientemente de su naturaleza, las partículas están lo suficientemente apartadas para asentarse libremente. Las partículas que se asientan con mayor rapidez pueden chocar con las de sedimentación lenta, si no se adhieren, sedimentan a su propia velocidad específica y si se adhieren forman flóculos más grandes y sedimentan a velocidades mayores que la partícula individual. Existe una transición gradual del asentamiento de las partículas al régimen de la zona de sedimentación, donde las partículas son obligadas a asentarse como una masa. La principal característica de esta zona es que la velocidad de asentamiento de la masa es función de la concentración de sólidos presentes. La concentración de sólidos llega a un nivel en el que el descenso de la partícula se ve restringido no sólo por las fuerzas hidrodinámicas, sino también, aunque sólo en parte, por el apoyo mecánico de las partículas que se encuentran abajo. Por consiguiente, el peso de las partículas en contacto mutuo puede afectar la velocidad de sedimentación a esos niveles más bajos.Esta compresión da por resultado una mayor concentración de sólidos, por la compactación de los flóculos individuales y el relleno parcial de los espacios vacíos interflóculos mediante flóculos deformados.La velocidad de sedimentación en la zona de compresión es función de la concentración de sólidos y la profundidad de la pulpa en esta zona particular.La tabla 4.1 describe el fenómeno de sedimentación para diferentes concentraciones de pulpa

Tabla 4.1 Relación de la concentración de pulpa con el fenómeno de sedimentación


Concentración incrementada de

sólidos

Partículas totalmentediscretas

Partículas extremadamentefloculadasGrado de adherencia de la partícula

Concentración baja

Concentración elevada

Zona de Asentamiento de la Partícula

Zona de sedimentación

Zona de compresión

Figura 4.3. Tipos de sedimentación


Concentración de Pulpa

Descripción del Fenómeno Ejemplos

Diluida (clarificación) Inicialmente las partículas o flóculos sedimentan en forma independiente, no se distingue interfase pulpa-líquido claro.

La velocidad es función principalmente del tamaño de flóculos o partículas y de la concentración.

Clarificación aguas. Tratamiento desechos.

Intermedia (clarificación)

Las partículas inicialmente sedimentan en forma independiente y a medida que descienden sedimentan en forma colectiva, no existiendo aún, una interfase nítida pulpa-líquido claro.

Pulpas de procesos químicos y metalúrgicos.

Aguas servidas.

Concentrada (espesamiento)

Se distingue una interfase pulpa-líquido claro, donde la velocidad de sedimentación de los sólidos es función de la concentración. En la práctica la velocidad aumenta con la formación de flóculos.

Pulpas de procesos químicos y metalúrgicos.

Altamente concentradas

(espesamiento)

Se distingue claramente una interfase pulpa-líquido claro, donde la sedimentación de los lodos depende del tiempo y profundidad de la zona de sedimentación obstruida.

Deshidratación de lodos con adición de floculantes.

1.4.2.6 Zonas de Sedimentación en un EspesadorEn un sedimentador discontinuo se distinguen varias zonas de sedimentación, las que se pueden apreciar en la Figura 4.4

• Zona A: Líquido del Overflow claro o también llamada agua clara o solución. • Zona B: Consiste en una pulpa de consistencia bastante uniforme, de concentración de sólidos

similar a la corriente de alimentación. • Zona C: Es un estado intermedio en el cual la pulpa está en condición de transición entre la zona

B y zona D.• Zona D: Corresponde a la pulpa en compresión, donde ocurre una deshidratación por compresión

de los sólidos que fuerzan a que el líquido salga de los intersticios. En la práctica, las características especiales que distinguen zonas B, C y D no son fáciles de observar, excepto cuando hay un aumento considerable de la concentración de sólidos.


Figura 4.4 Zonas de sedimentación de un espesador discontinuo

Operaciones Concentradora Laguna Seca – MODULO 1En un espesador continuo (equipado con rastras), la pulpa de alimentación ingresa en el pozo de alimentación a una profundidad de 0.6 a 1 mt por debajo de la superficie del líquido, en la mayoría de los casos. Al entrar la pulpa se distribuye radialmente a través del área transversal del espesador y el líquido fluye entonces hacia arriba, para rebosar por la canaleta de rebalse, mientras que los sólidos sedimentan hacia el fondo, estableciéndose dos zonas:• La zona superior está libre de partículas en los niveles más altos y aumenta lentamente su

contenido de sólidos por debajo de la entrada de la alimentación. Las partículas decantan en esta zona por sedimentación libre.

• Debajo de la zona diluida hay una zona de compresión, en la cual aumenta rápidamente la concentración de sólidos con la distancia medida desde el límite de separación de las dos zonas. Esta zona corresponde a la zona de compresión D de un espesador discontinuo. Las zonas B y C del proceso discontinuo no se encuentran en un espesador continuo.Los rastrillos que operan en el fondo de la zona de compresión, tienden a romper la estructura de los flóculos y a compactar los lodos hasta un contenido de sólidos mayor que en la zona D de un espesador por cargas o discontinuo.

En la práctica, puede obtenerse una corriente superior clara, si la velocidad ascendente del líquido en la zona diluida es menor que la velocidad mínima final del sólido en todos los puntos de la zona. Si esta condición no se da, se dice que el equipo está sobrecargado.

1.4.3 EQUIPOS DE ESPESAMIENTO

La función principal de un espesador continuo es concentrar los sólidos en suspensión, mediante asentamiento por gravedad, separando la pulpa de alimentación en una solución clara (overflow) y una pulpa de mayor concentración (underflow).En una operación en equilibrio, se debe cumplir que los sólidos alimentados al espesador son iguales a los que se retiran por el underflow del equipo, permitiendo de esta forma mantener constante el inventario de lodos al interior de la unidad.

1.4.3.1 Componentes BásicosLos sistemas de sedimentación constan de varios componentes, cada uno de los cuales se puede suministrar en diversas variantes. Los componentes básicos son los mismos, tanto para las operaciones de espesamiento o clarificación: • Tanque• Estructura de apoyo de la unidad motriz• Unidad motriz• Mecanismo de arrastre• Mecanismo de elevación de rastras• Pozo de alimentación• Sistema de descarga de overflow• Sistema de descarga de underflow• InstrumentaciónA continuación se describen brevemente los componentes básicos.a) Tanque Este elemento provee el tiempo de residencia para producir la sedimentación de los sólidos. El fondo inclinado le da movimiento a los sólidos y le permite fluir hacia el punto de descarga (en el centro). b) Estructura de apoyo de la unidad motriz

Existen tres mecanismos básicos de apoyo de unidades motrices:• Mecanismo apoyado en una columna central• Mecanismo apoyado en un puente• Mecanismo de impulso por tracción apoyado en una columna central, con el brazo de arrastre

unido a un carro motorizado en la periferia del tanque.


Operaciones Concentradora Laguna Seca – MODULO 1b.i) Espesadores con el mecanismo apoyado en una columna central: Estos espesadores

tienen, por lo general, 20 m de diámetro o más. El mecanismo está apoyado en una columna central estacionaria de acero o concreto y los brazos de arrastre están unidos a una jaula de impulso, que gira alrededor de una columna central

b.ii) Espesadores con el mecanismo apoyado en un puente: Estos espesadores son comunes en diámetro hasta 30 m, con un máximo de aproximadamente 45 m. Ofrecen las siguientes ventajas sobre el diseño apoyado en una columna central:

• capacidad para transferir cargas a la periferia del tanque• capacidad para dar una concentración de underflow más consistente y densa con un sólo punto de

extracción• un dispositivo de elevación menos complicado• menos miembros estructurales sujetos a acumulación de sedimento• acceso al mecanismo de impulso por ambos extremos y• menos costo para las unidades con un diámetro inferior a 30 m.b.iii) Espesadores por tracción: Estos espesadores se adaptan mejor a tanques mayores de 60 m de

diámetro. Por lo general, el mantenimiento es más simple que en los otros tipos de espesadores, lo cual es ventajoso en lugares remotos. El costo de instalación del espesador por tracción puede ser mayor que el de una unidad con impulso central, por el costo de construcción del muro de concreto reforzado que se requiere para apoyar el carro de impulso. Las desventajas del espesador por tracción son:

• no se puede utilizar un dispositivo de elevación práctico• la operación puede ser difícil en climas donde ocurren nevadas o heladas y• el esfuerzo del torque de impulso debe transmitirse de la periferia del tanque al centro, donde se

presentan las condiciones más pesadas de rastrilleo.c) Unidad motriz

La unidad motriz o impulso es el componente clave de una unidad de sedimentación, proporcionando:• la fuerza necesaria para mover los rastrillos a través del lodo espesado y para desplazar los sólidos

sedimentados hasta el punto de descarga,• una capacidad adecuada de reserva para soportar perturbaciones y sobrecargas temporales, y debe

poseer un control confiable que proteja al mecanismo cuando se presente una sobrecarga importante reflejada en el incremento del torque o par motor.

d) Mecanismo de arrastre Estos brazos pueden cumplir 3 objetivos distintos:• Mover los sólidos sedimentados hacia el punto de descarga.• Mantener un grado de fluidez en el espesador para asegurar una remoción hidráulica de la pulpa.

• Incrementar la concentración de sólidos en el "underflow" formando canales para que el agua sea separada de los sólidos que están sedimentando en la zona de compresión.

El mecanismo de arrastre también ayuda en el espesamiento de la pulpa al romper los flóculos, permitiendo liberar el fluido atrapado y consolidar los flóculos. Los mecanismos de arrastre se diseñan para aplicaciones específicas y suelen tener dos brazos largos, con rastrillos y en forma opcional, dos brazos cortos para las unidades con el mecanismo apoyado en un puente o columna central. Las unidades de tracción tienen generalmente un brazo largo y tres cortos.

De manera característica, el diseño convencional se utiliza en las unidades apoyadas en un puente, en tanto que el diseño de doble pendiente se emplea para las unidades de mayor diámetro. El diseño “thixo post” utiliza cuchillas de arrastre sobre los postes verticales, que se extienden por abajo del armazón para mantenerlos libres de pulpa y en consecuencia, evitar la recolección de sólidos que pueden causar la formación de “islas” o “lodo”. Una isla es una masa semisolidificada que se acumula sobre el mecanismo de arrastre y gira con él. Las islas reducen la capacidad del espesador e incrementan la carga del torque sobre el mecanismo de impulso.


Operaciones Concentradora Laguna Seca – MODULO 1Las cuchillas de arrastre pueden tener fondos en forma de sierra, para penetrar los sólidos que tienden a compactarse. En estas aplicaciones se utilizan los dispositivos de elevación.

Los requerimientos de velocidad de arrastre dependen del tipo de sólidos que entran al espesador. Para los sólidos de sedimentación lenta se utilizan velocidades periféricas que varían entre 3 y 8 m/min, para sólidos de sedimentación rápida 8 a 12 m/min y para los sólidos gruesos o materiales cristalino 12 a 30 m/min.e) Mecanismo de elevación de rastras

El mecanismo de elevación de rastras es necesario para mantener el funcionamiento normal del espesador, cuando se tiene un torque excesivo como resultado de una operación no adecuada, por ejemplo, bombeo insuficiente del underflow, ondas irruptivas en la velocidad de alimentación de los sólidos, cantidades excesivas de partículas grandes, formación de lodos por los sólidos acumulados entre los rastrillos y el fondo del tanque o sobre los miembros estructurales del mecanismo de arrastre, o bien, obstrucciones diversas que caen dentro del espesador. El mecanismo de elevación puede ajustarse para que eleve automáticamente los rastrillos cuando ocurre un nivel específico de torque o par motor (por ejemplo, 40% del torque de diseño) y seguir elevándose hasta que el torque vuelve a su valor normal o hasta que alcanza la altura máxima de elevación. Generalmente, deben tomarse las medidas correctivas necesarias para eliminar la causa de la perturbación. Una vez que el valor del torque regresa a su nivel normal, el mecanismo de los rastrillos se baja lentamente, para arrastrar gradualmente el exceso de sólidos acumulados hasta extraerlos del tanque.

Los dispositivos de elevación de los rastrillos pueden ser manuales para los espesadores de diámetro pequeño, o motorizados para los grandes. Los dispositivos manuales de elevación constan de un volante y un tornillo sin fin para elevar o bajar el mecanismo de rastrillos en una distancia que, por lo general, varía ente 30 y 60 cm. Los mecanismos de elevación motorizados están diseñados para permitir una elevación vertical del mecanismo de rastrillos hasta de 90 cm. El dispositivo de elevación tipo plataforma eleva todo el mecanismo de rastrillos e impulsor hasta 2.5 m y se utiliza para las aplicaciones en las que se espera un valor excesivo del torque o cuando se desea almacenar los sólidos en el espesador.f) Pozo de Alimentación Esta dispositivo tiene dos finalidades: reducir la turbulencia que trae la corriente de alimentación y distribuir la pulpa en forma uniforme bajo el nivel de líquido claro. De la profundidad del pozo depende la turbulencia de la alimentación y la calidad que se desea del overflow, es decir, se puede mejorar la calidad del overflow si se profundiza el pozo.La pulpa se alimenta al pozo de alimentación del espesador por medio de un canal abierto o tubería, adosado al puente, que por lo general no debe tener una pendiente mayor al 2%, para minimizar la turbulencia al interior del pozo. Sin embargo, la velocidad del fluido debe ser tal que no se genere sedimentación de los sólidos en su trayecto.g) Sistema de descarga de overflow En forma característica, el efluente clarificado se elimina por medio de una canal periférico, localizado dentro o fuera del tanque. El efluente entra al canal al rebosar por un vertedero plano o con muescas en "V", o mediante orificios sumergidos en el fondo del canal. Las velocidades no uniformes del overflow, causadas por el paso del viento sobre la superficie del líquido, en los espesadores grandes, se puede controlar mejor si se utilizan vertederos sumergidos con orificios o muescas en "V".Los canales radiales se emplean cuando se requiere de un flujo de líquido ascendente y uniforme. Este arreglo proporciona una ventaja adicional que consiste en reducir el efecto del viento, el cual puede perjudicar seriamente la claridad en las aplicaciones que utilizan estanques de gran diámetro. La capacidad hidráulica del canal debe ser suficiente para evitar la inundación, que puede causar la desviación de la alimentación, con el consecuente deterioro en la claridad del overflow.

h) Sistema de descarga de underflow Los sólidos concentrados se eliminan del espesador generalmente mediante una bomba centrífuga para pulpas, o bien, una bomba de desplazamiento positivo. En ocasiones, la evacuación de lodos se realiza


Operaciones Concentradora Laguna Seca – MODULO 1por gravedad a través de una válvula de control de flujo. El arreglo de underflow debe diseñarse de tal manera que elimine los sólidos del espesador sin problemas de taponamiento, a la máxima velocidad con la que entran al espesador. Se deben tomar las medidas necesarias para destapar o desviar la tubería tapada, de manera que siempre se puedan extraer los lodos del espesador y evitar detención no programadas del equipo. En algunas aplicaciones, se recircula el underflow al pozo de alimentación para ayudar a la floculación, almacenar los sólidos en el espesador y mantener el funcionamiento adecuado de la unidad durante los periodos en que la alimentación se reduce o se interrumpe.Existen cuatro arreglos básicos de underflow:• La bomba de underflow adyacente al espesador, con la tubería enterrada, procedente del cono de

descarga,• La bomba de underflow debajo del espesador o adyacente a él, con la tubería del cono de descarga

dentro de un túnel,• La bomba de underflow adyacente al espesador, con una descarga periférica procedente de la

pared lateral del tanque, yi) Instrumentación En la mayoría de los espesadores se utilizan instrumentos para medir el torque, con objeto de evitar daños al mecanismo de impulso o arrastre, mediante la operación de un dispositivo para elevar los rastrillos o interrumpir el suministro eléctrico del mecanismo de impulso, en caso de una sobrecarga. En algunas aplicaciones también se requiere un control automático de la alimentación o descarga del espesador.Además del torque de impulso y las velocidades de alimentación y underflow se pueden controlar otras variables del proceso, que en algunas aplicaciones son la dosis de floculante, la concentración de sólidos del underflow, la altura de la interfase líquido-sólido y la claridad del overflow. En ocasiones, se utiliza el control del bombeo del underflow para controlar el nivel de pulpa y la concentración de sólidos del underflow, teniendo presente mantener el equilibrio operacional del equipo. A pesar de que se puede permitir que el volumen de pulpa en el espesador se incremente o disminuya sin un mayor riesgo, es necesario controlarlo para evitar, por una parte, que los sólidos salgan con el overflow y por la otra, que el nivel de pulpa descienda a tal grado que el underflow se vuelva demasiado diluido. La concentración de sólidos en el underflow también debe mantenerse en el nivel deseado, particularmente, a un nivel en el cual se prevenga que la compactación se transforme en una condición no fluida, cuyo resultado sería un torque excesivo sobre el mecanismo de arrastre. Mediante el empleo de válvulas de control de flujo o bombas de velocidad variable, se pueden obtener velocidades variables de bombeo. Las mediciones de la densidad de underflow se pueden realizar mediante dispositivos sensores de radiación gamma o sónicos, pero dichos dispositivos tienden a perder precisión y es muy deseable utilizar un dispositivo simple de lectura directa, por ejemplo, una balanza Marcy para la densidad de pulpa, en los procedimientos rutinarios que realiza el operador.¿Cuál es el propósito de alimentar un espesador a través de un pozo de alimentación?.

1.4.3.2 Tipos de Sedimentadores

Los espesadores continuos han sufrido varias modificaciones, resultado del desarrollo de gran variedad de floculantes poliméricos orgánicos. En consecuencia, existen actualmente dos tipos básicos de espesadores continuos: el convencional y el de alta velocidad.a) Espesadores convencionales

Estos espesadores se dividen en tres tipos, que se distinguen por el mecanismo de impulso: apoyado en un puente; apoyado en una columna central y con impulso de tracción. Estos


Operaciones Concentradora Laguna Seca – MODULO 1tipos de sedimentadores se describieron anteriormente en la sección “componentes básicos” (ver punto 4.2.1.b).

El diámetro del tanque seleccionado puede ser para un espesador convencional tan pequeño como 3 m o tan grande como 120 m y esta relacionado con la estructura de apoyo del mecanismo.

La corriente de alimentación se lleva al centro del espesador mediante una tubería o un canal abierto y entra al pozo de alimentación, que está diseñado para minimizar la turbulencia producida por la velocidad de entrada de la alimentación y forzar la entrada de la pulpa debajo de la superficie de líquido claro. El flujo de sólidos espesados fluye hacia el centro del espesador, para posteriormente ser descargado. El líquido del overflow se extrae del espesador por medio de un vertedero periférico.

El espesador convencional se puede utilizar con o sin floculantes, dependiendo de la aplicación. Si se utilizan floculantes, por lo general, se agregan al canal o el pozo de alimentación y la floculación ocurre como producto de la turbulencia resultante.

b) Espesadores de alta velocidad Estos espesadores están diseñados específicamente para maximizar la eficiencia de los floculantes y difieren de los espesadores convencionales en el diseño del pozo de alimentación, las dimensiones y la forma de control. A diferencia de las unidades convencionales, los espesadores de alta velocidad deben utilizar floculantes.

Los pozos de alimentación de los espesadores de alta velocidad se diseñan para una dispersión completa del floculante en la alimentación y para admitir la pulpa floculada en la zona de sedimentación del espesador sin destruir los flóculos recientemente formados. La alimentación puede entrar directamente al lecho de pulpa si el contacto de los sólidos es el mecanismo por el que debe completarse la floculación, o puede entrar arriba del nivel de pulpa si ésta se encuentra lo suficientemente floculada para producir la claridad deseada y la densidad de underflow requerida.

b.i) Espesador Hi Capacity de EimcoEn el diseño del espesador Eimco de alta velocidad (Figura 4.5) debe utilizarse una etapa de desaireación para eliminar el aire que entra con la alimentación, de manera que no genere turbulencia dentro del espesador o cause la flotación de los sólidos. La pulpa entra al pozo de alimentación, donde se agrega el floculante en varios punto para optimizar el mezclado con la corriente de alimentación. Algunos diseños utilizan un mezclador mecánico para dispersar el floculante, en tanto que en otros diseños dependen de la turbulencia creada por la corriente de alimentación. La floculación puede ocurrir tanto en el pozo de alimentación como en el lecho de pulpa; el grado de floculación en el pozo de alimentación depende del tiempo de residencia y de la turbulencia existente en dicho pozo.

El incremento en la eficiencia de floculación logrado en un espesador de alta velocidad puede aumentar la velocidad de sedimentación de 2 a 10 veces respecto a la obtenida en un espesador convencional y por consiguiente, reducir en un factor similar el requerimiento de área unitaria.



Figura 4.5 Espesador Hi Capacity de Eimco.

b.ii) Espesador de alta velocidad Dorr-OliverLa empresa Dorr-Oliver recientemente ha introducido un nuevo concepto de espesador de alta capacidad, el cual conjuga las ideas de alta velocidad y mezcla efectiva del floculante con la pulpa de alimentación. Ofrece al mercado una variedad de modelos de feedwell (pozo de alimentador), los cuales están diseñados para lograr una óptima eficiencia de floculación y reducir el tiempo de residencia de las partículas en el espesador.

Uno de los modelos más aplicados es el Fitch Feedwell, ver Figura 4.6, el cual consiste de tres cámaras horizontales contenidas dentro del cilindro del feedwell. El flujo de alimentación que entra a este tipo de feedwell, se divide en dos corrientes iguales en forma tangencial. El choque de estas corrientes opuestas causa la homogenización de la pulpa con el floculante, favoreciendo con esto la floculación e incrementando la velocidad de sedimentación de las partículas.

Además, a través de una variación en el diseño del Fitch Feedwell, ofrece el modelo llamado Dynafloc Feedwell, diseñado para reducir al mínimo el consumo de polímero y para mezclas instantáneas de floculante con pulpa de alimentación a espesar, lo que favorece en gran medida la formación uniforme de flóculos. Esto se debe a que el paso de la pulpa floculada desde el feedwell hacia las zonas de sedimentación es extremadamente suave, por lo tanto los flóculos no se rompen y no es necesario agregar polímero en forma adicional.

En el Dynafloc Feedwell el floculante se adiciona directamente dentro de la zona de turbulencia que se crea en la interfase de las dos corrientes, logrando con esto una rápida dispersión del floculante.



1.4.3.3 Criterios de Diseño

El objetivo principal al diseñar una unidad de sedimentación es determinar su área unitaria. Los requerimientos de área para los espesadores se basan con frecuencia en las velocidades de flujo de los sólidos, medidas en el régimen de la zona de sedimentación. La teoría sostiene, que para cualquier condición de sedimentación específica, existe en el espesador una concentración crítica que limita la velocidad de carga de sólidos. Esta concentración crítica se muestra como un lecho de pulpa de profundidad variable en el que la concentración de sólidos es bastante uniforme, desde la parte superior hasta el fondo del lecho. Por lo general, la concentración del underflow es mayor que ésta, se tienen concentraciones que se incrementan gradualmente a medida que progresa la profundidad en la región bajo esta zona de concentración constante. Como la concentración en esta zona crítica representa una condición de régimen permanente, su extensión vertical debe variar continuamente en respuesta a cambios menores en la velocidad de concentración de la alimentación o el underflow. En espesadores que operan con concentraciones relativamente elevadas de underflow, con tiempos largos de retención de sólidos y menor carga, esta zona puede no estar presente.Se han desarrollado muchos métodos de pruebas batch, que se basan en la determinación de la velocidad de flujo de los sólidos con esta concentración crítica. En la mayor parte de estos métodos, se reconoce que a medida que los sólidos entran al régimen de compresión, el comportamiento de espesamiento ya no es sólo una función de la concentración de sólidos. En consecuencia, en estos métodos se intenta utilizar el punto “crítico” que divide a las dos zonas y obtener las dimensiones del estanque, con base en la velocidad de sedimentación de una capa de pulpa, de esta concentración. La dificultad está en discernir dónde se localiza este punto en la curva de sedimentación.Se han desarrollado muchos procedimientos, pero dos en particular se utilizan con más frecuencia: el método de Coe y Clevenger y la técnica de Kynch, definida por Talmage y Fitch.a) El método de Coe y Clevenger requiere la medición de la velocidad inicial de interfase pulpa - liquido claro para diferentes concentraciones de sólidos, que varían desde la concentración de alimentación hasta el valor final del underflow. El requerimiento de área para cada concentración de sólidos ensayada se calcula al dividir la velocidad volumétrica del overflow (m3/s) por la velocidad correspondiente de sedimentación de la interfase (m/s). Para una concentración de underflow determinada se alcanzará un valor máximo que determina el área del estanque, expresada casi siempre


Figura 4.6 : Diseño Fitch Feedwell de un espesador de alta capacidad Dorr-Oliver

Alimentación

Adición de floculante

Operaciones Concentradora Laguna Seca – MODULO 1como el área unitaria en m2/(kg/s). La ecuación para calcular el área unitaria con varias concentraciones de sólidos es:

Área unitaria =

iL

ui

vs

CC

− 11

(4.4)

Donde Ci es la concentración de sólidos a la velocidad de sedimentación de la interfase vi, Cu es la concentración del underflow y sL es la gravedad específica del líquido libre de sólidos en el espesador. Las dimensiones de Ci y Cu son la masa de sólidos en suspensión por unidad de volumen de líquido libre de sólidos en el precipitado. b) El método Kynch se utiliza generalmente una sola curva de sedimentación, que es preferible cuando se utiliza la floculación con polímeros. El tamaño del flóculo se ve afectado considerablemente por la concentración inicial de sólidos y esto puede dar resultados erróneos si se utiliza el procedimiento de Coe y Clevenger. La curva es una gráfica del nivel de la pulpa en una probeta graduada contra el tiempo de sedimentación. La prueba debe continuar hasta obtener la concentración deseada del underflow. En el cálculo del área unitaria, con base en esta teoría, el método de Talmage y Fitch consiste en resolver la ecuación

Area unitaria = oo

u

HC

t (4.5)

Donde tu representa el tiempo (días); Co es la concentración inicial de sólidos en la alimentación (Kg/m3) y Ho es la altura inicial (m), del precipitado, en la probeta de prueba. El término t u se toma de la intersección de una tangente con la curva en el punto crítico y una línea horizontal que representa la profundidad de la pulpa, a la concentración del underflow. Existen varios medios para seleccionar este punto crítico, todos empíricos, y el valor del área unitaria determinada no se puede considerar preciso.¿Cuál es el objeto del cálculo de un diseño de espesador y en qué se fundamenta?.

1.4.4 VARIABLES OPERACIONALES DEL PROCESO DE SEDIMENTACIÓN

Las variables operacionales que permiten controlar el proceso de espesamiento son:a) Densidad de la pulpa de descarga del espesador. La densidad de pulpa se relaciona directamente con el contenido de sólido, siendo necesario tener un control estricto sobre este parámetro para evitar:• La reducción del caudal de evacuación u obstrucción de la bomba o tubería de descarga cuando

los incrementos de densidad de pulpa o porcentaje de sólido, son tales, que alteran la normal manipulación de los lodos por decantación de los sólidos.

• Sobrecarga del motor eléctrico que impulsa la bomba del underflow, debido al aumento de la densidad de la pulpa. Esta situación genera un mayor consumo de corriente y puede activar la protección eléctrica del motor.

• Un incremento en la densidad de pulpa genera el aumento del torque de la rastra y en casos extremos podría activar los mecanismos de protección.

• Una densidad menor a la especificada, afecta los procesos posteriores de transporte de pulpa y filtración de concentrado.


Operaciones Concentradora Laguna Seca – MODULO 1• Una baja densidad de pulpa, implica reducir el inventario de lodos al interior del espesador,

generando un desequilibrio del proceso que tiene como consecuencia un overflow de menor calidad.

Frente a estas anormalidades se pueden aplicar las siguientes medidas correctivas, dependiendo de:a) Densidad de pulpa alta

• Si la densidad de pulpa es tal que permita la operación en forma normal se debe incrementar la velocidad de evacuación de lodos, aumentando la velocidad de bombeo o incorporando otras bombas al circuito. Esto se fundamenta en el hecho que al retirar más material del que esta sedimentando, la densidad de la pulpa en la zona de compresión tiende a disminuir.

• Alternativamente se puede considerar el levante de las rastras para disminuir el arrastre de carga hacia el cono de descarga y permitir así su evacuación mediante bombas. Una vez normalizada la situación se debe bajar las rastras paulatinamente hasta alcanzar la posición normal.

• Si el sedimentador tiene recirculación de pulpa esta debe ser suspendida hasta normalizar la situación de alto contenido de sólido en el underflow a objeto de incrementar el flujo de evacuación de pulpa

• Si la densidad de pulpa es tan alta que no permite operar adecuadamente el sistema de bombeo, debe considerarse la adición de agua o solución de overflow, por el cono de descarga del espesador, para adelgazar la pulpa saliente.b) Densidad de pulpa baja

• Reducir el flujo de underflow para incrementar el tiempo de residencia del sólido en el espesador, permitiendo de este modo incrementar la densidad de la pulpa en la zona de compresión.c) Velocidad de extracción de la pulpa de descarga del espesador (underflow)

La velocidad de extracción del underflow es una de las variables que permite controlar la densidad de la pulpa de descarga. Una mayor evacuación de lodos permite reducir la densidad de pulpa, mientras que una menor velocidad de extracción de lodos aumenta la densidad de los lodos.

d) Dosis de floculantes. La adición de floculante tiene por finalidad generar flóculos de mayor tamaño y por ende incrementar la velocidad de sedimentación de los sólidos. El tamaño de los flóculos dependerá de la dosis de floculante suministrado, por lo tanto, la cantidad de floculante debe ser controlada considerando que:• Una adición excesiva de floculante incrementa los costos de operación y favorece la formación de

islas, las que perjudican la operación normal del espesador.• Si se utilizan dosis de floculante menores a la necesaria, disminuye el tamaño de flóculo y por

ende la velocidad de sedimentación, lo que genera overflow con mayor cantidad de sólidos suspendidos.e) Inventario de sólidos en el estanque.

En las operaciones de espesamiento normalmente se procura mantener un inventarioEn las operaciones de espesamiento normalmente se procura mantener un inventario constante, que asegure una altura de interfase apropiada para el logro del objetivo delconstante, que asegure una altura de interfase apropiada para el logro del objetivo del espesador. El inventario de sólidos al interior de un espesador se ve afectado por:espesador. El inventario de sólidos al interior de un espesador se ve afectado por:•• Una mayor carga de sólidos presentes en la alimentación.Una mayor carga de sólidos presentes en la alimentación.•• Un bajo flujo de underflowUn bajo flujo de underflow•• Un inadecuado funcionamiento de las rastras, impidiendo una normalUn inadecuado funcionamiento de las rastras, impidiendo una normal

evacuación de sólidos.evacuación de sólidos.f) La velocidad de alimentación

La velocidad de alimentación influye directamente en la operación de un espesador,La velocidad de alimentación influye directamente en la operación de un espesador, debido a que el área superficial del equipo es constante. Por lo tanto, variaciones en eldebido a que el área superficial del equipo es constante. Por lo tanto, variaciones en el flujo de alimentación generaran diferentes velocidades ascenso del líquido claro yflujo de alimentación generaran diferentes velocidades ascenso del líquido claro y esta debe ser menor a la velocidad de asentamiento de las partículas, para que seesta debe ser menor a la velocidad de asentamiento de las partículas, para que se produzca la sedimentación.produzca la sedimentación.El efecto de un flujo muy alto de alimentación en la operación genera:El efecto de un flujo muy alto de alimentación en la operación genera:•• Velocidades mayores de ascenso del líquido claro, reduciendo la calidad delVelocidades mayores de ascenso del líquido claro, reduciendo la calidad del

efluente (overflow), por arrastre de partículas finas durante el rebalse.efluente (overflow), por arrastre de partículas finas durante el rebalse.•• Una mayor carga de sólidos al interior del espesador, siendo necesarioUna mayor carga de sólidos al interior del espesador, siendo necesario

incrementar la descarga de lodos para mantener el equipo en una condiciónincrementar la descarga de lodos para mantener el equipo en una condición


Operaciones Concentradora Laguna Seca – MODULO 1estable de operación, de lo contrario se producirá un incremento del inventario deestable de operación, de lo contrario se producirá un incremento del inventario de lodos, afectando negativamente la calidad del overflow.lodos, afectando negativamente la calidad del overflow.

El efecto de un bajo flujo de alimentación en la operación genera:El efecto de un bajo flujo de alimentación en la operación genera:• Una menor carga de sólidos, requiriendo un mayor tiempo de sedimentación para alcanzar el

porcentaje de sólidos requeridos en el underflow. En esta condición se debe reducir la evacuación de lodos para mantener estable el equipo y por otra parte, se debe ajustar la dosis de floculante a la nueva condición de alimentación.g) Torque de rastras

Las siguientes condiciones afectan esta variable:• El incremento de inventario, producto de la alimentación o una descarga insuficiente por el

underflow, genera un incremento del torque.• Una mantención insuficiente del mecanismo de impulsión.


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4. fundamentos teoricos de sedimentación