Operaciones Mecánicas

Son transformaciones físicas que afectan la posición, forma o tamaño de los materiales. Algunos ejemplos incluyen:

• Reducción de tamaño
• Agitación
• Separaciones mecánicas (tamizado, filtración y sedimentación)
• Transporte

Separación Sólido-Líquido en Metalurgia

Este proceso es esencial en metalurgia y se utiliza en diversas aplicaciones, como:

• Disminución de humedad de concentrados
• Recuperación de solución rica en lixiviación por agitación
• Recuperación de agua desde relaves

Algunos ejemplos de operaciones mecánicas son: tamizaje, sedimentación, filtración. Mientras que las operaciones térmicas incluyen: secado, vaporización.

Sedimentación

Es la remoción de partículas sólidas suspendidas en un líquido mediante la decantación gravitacional.

Filtración

Es la separación de partículas sólidas suspendidas en un líquido al pasar esta mezcla por un medio filtrante que retiene los sólidos y deja pasar el líquido.

Tipos de Sedimentación

• Gravitacional: Espesador, clarificador
• Centrífuga: Centrífuga, hidrociclón

Equipos de Sedimentación

• Espesador: Su objetivo es aumentar la concentración de sólidos de la pulpa de descarga.
• Clarificador: Su objetivo es provocar la remoción de partículas sólidas desde flujos relativamente diluidos.
• Centrífuga: Acelera la sedimentación de partículas mediante la aplicación de una fuerza que tiende a que todos los cuerpos en rotación traten de alejarse de su eje.
• Hidrociclón: Utilizan un campo centrífugo generado por la rotación del fluido para acelerar la velocidad de sedimentación de las partículas.

Equipos que utilizan Flotación

• Gravitacional: Filtro de arena
• Vacío: Tambor, disco, banda, bandeja
• Presión: Prensa vertical, prensa horizontal, de vela
• Presión y Vacío: Filtro hiperbárico

Agregación de Partículas

La solución para la flotación de partículas finas y gruesas es molerlas lo más finas posible y luego aglomerarlas para una sedimentación más rápida, esencial para una buena separación mediante espesamiento. Los procesos de agregación incluyen: coagulación, floculación e hidrofobia.

Coagulación

Es un proceso que consiste en la desestabilización de las partículas coloidales a través de la neutralización de sus cargas, generalmente negativas (-). La coagulación implica tres etapas: adición de coagulante, desestabilización de la partícula coloidal y formación de coágulos. Las partículas minerales suspendidas en agua poseen una carga superficial negativa, por lo que la adición de cationes multivalentes, tales como Al³⁺, las neutralizan y permiten su acercamiento y la actuación de las fuerzas atractivas, formando coágulos.

Floculación

Es la agregación de partículas mediante la adsorción de largas cadenas de polímeros en varias partículas minerales. Se producen puentes polímeros-partículas generando flóculos muy fuertes. A mayores concentraciones que las necesarias para la floculación, el floculante se adsorbe completamente en una partícula dejando poca oportunidad para adsorberse en otras partículas, re-estabilizando la suspensión. Si dos o más polímeros lineales se adsorben sobre las partículas, se forma una red de tipo gel con forma de retículo tridimensional. En este caso, el proceso de agregación recibe el nombre de floculación en red. Cuando se desea elegir un floculante para un proceso de agregación, el tipo de sólido, su carga superficial y los electrolitos presentes en la solución determinarán el reactivo necesario. La adición de diferentes dosificaciones y tipos de mezcla a que es sometida la suspensión dan como resultado tamaños de flóculos y velocidades de sedimentación muy diferentes. Kitchener (1972) indicaba que el mérito de los floculantes poliméricos es su habilidad para producir flóculos más grandes y fuertes que los que se puede obtener por coagulación.

Propiedades de los Floculantes

Los floculantes poliméricos son reactivos orgánicos con moléculas de cadena larga y pesos moleculares elevados. Pueden ser de origen natural o sintético. La elección del floculante adecuado para una cierta tarea dependerá del potencial y de la carga superficial de las partículas sólidas y las condiciones fisicoquímicas de la solución, tales como el pH y la fuerza iónica.

Preparación de Floculante

Las empresas proveedoras de floculantes ofrecen estos productos en diversas formas, frecuentemente como gránulos, emulsiones o soluciones acuosas. Como los floculantes son utilizados normalmente en soluciones muy diluidas, es conveniente preparar una solución madre con una concentración entre 0.5 y 1% de floculante en peso. Para su uso, esta solución se diluye nuevamente a valores de 0.01 a 0.1% en peso según sea necesario. La solución madre, si es guardada adecuadamente, tiene una duración de 2 meses.

Agregación Hidrofóbica

Otro proceso de agregación que no solamente aumenta el tamaño del sistema particulado, sino que produce un producto final hidrófobo es la aglomeración con aceite. En este proceso, gotas de aceite se adsorben sobre partículas hidrófobas. Este conjunto de partícula y gota colisiona con otros conjuntos similares produciendo agregados de mayor tamaño. Los parámetros de operación más importantes en este proceso son la cantidad de aceite, las características del aceite, la propiedad de las superficies y la intensidad de la agitación. En flotación se utiliza aceites insolubles en agua: para mejorar la adhesión de partículas hidrófobas a las burbujas (flotación por emulsión) y para aumentar el tamaño de partículas muy pequeñas (flotación de aglomerados).

Efectos de la Arcilla en la Filtración

La arcilla logra aumentar la porosidad del queque. La hidrofobicidad de las arcillas evita la absorción de agua, logrando aumentar la velocidad de filtración y una menor humectación del queque.

Surfactantes

Los surfactantes son moléculas que contienen dos sectores: una parte polar que tiene afinidad para los solventes polares, particularmente el agua, y otra parte apolar que tiene afinidad para los solventes orgánicos, en particular los hidrocarburos, aceites o grasas, o simplemente está repelida por el agua. La solubilidad parcial tanto en agua como en aceite permite al surfactante ocupar la interfase.

Surfactantes y Presión Capilar en Filtración

La presión capilar en filtración es la diferencia de presión (ΔP) a través de la interfase, que separa el agua del aire en los capilares constituidos en el interior del queque. Si se coloca un capilar verticalmente en un recipiente de líquido que moje, el líquido asciende por el capilar, impulsado por ΔP, hasta alcanzar determinada altura (cuando ΔP = 0). Si el líquido no moja, el nivel de líquido en el capilar es menor que en el recipiente. La altura a la que se eleva o desciende un líquido en un capilar es directamente proporcional a su tensión superficial y está en razón inversa a la densidad del líquido y del radio del tubo. Los surfactantes (tales como el B-70 ó Teuton 320), bajan la tensión superficial, lo que incide en disminuir la presión capilar (ΔP), lo que trae como consecuencia el descenso y evacuación del agua.

Efectos de Variables sobre la Viscosidad

• Efecto: A mayor concentración de partículas finas, aumenta la viscosidad. Fundamento: Para partículas muy pequeñas, los esfuerzos electromagnéticos y las fuerzas viscosas producen aglomeración de las partículas, aumentando la viscosidad de la pulpa. (Garcell, 1994).
• Efecto: A mayor temperatura, menor viscosidad de la pulpa. Fundamento: Al incrementar la temperatura, disminuye la viscosidad del medio dispersante, además se produce un debilitamiento de las estructuras formadas por las partículas, lo que incide en disminuir la viscosidad de la pulpa (Garcell, 1993).
• Efecto: A mayor concentración de sólidos, aumenta la viscosidad. Fundamento: A medida que aumenta la concentración de sólidos, las partículas se encuentran más cerca unas de otras con lo que se incrementan las interacciones entre ellas y tienden a formar flóculos, agregados y estructuras. Esto trae como consecuencia un aumento de la viscosidad y en el esfuerzo de fluencia.
• Efecto: El dispersante disminuye la viscosidad y, por tanto, disminuye el esfuerzo de fluencia. Fundamento: El dispersante disminuye o elimina fuerzas de atracción entre las partículas, como consecuencia, éstas se dispersarán en el medio, disminuyendo la viscosidad de la pulpa (López, 1998).
• Efecto: La aplicación del floculante trae como consecuencia un aumento del esfuerzo de fluencia. Fundamento: El floculante tiene como objetivo aglomerar las partículas, formando redes de polímeros, lo que incide en aumentar la viscosidad y, por ende, el esfuerzo de fluencia. (Tupaz, 2009).
• Efecto: Al variar el pH, se modifica la viscosidad. Fundamento: Si el pH es cercano al punto isoeléctrico, predominan las fuerzas de atracción entre partículas (aglomeración), en cambio, si se aleja de este punto, son más importantes las fuerzas de repulsión (dispersión).
• Efecto: Composición mineralógica. Dependiendo de la composición, se altera el punto isoeléctrico, esto implica una variación del esfuerzo de fluencia. Fundamento: Dependiendo de los minerales que tenga una pulpa, implicará propiedades fisicoquímicas distintas, en particular el punto isoeléctrico (depende de los electrolitos del mineral). (Molnar 2010).

Fluidos

• Fluido: Es una sustancia material continua y deformable cuando es sometida a una tensión de corte.
• Fluido ideal: Se llama fluido ideal a un fluido de viscosidad nula, incompresible y deformable cuando es sometido a tensiones cortantes por muy pequeñas que éstas sean.
• Fluido real: Se llama fluido real a un fluido que es viscoso y/o compresible.

Viscosidad

Es la capacidad que poseen los fluidos de desplazarse. Cuando un fluido circula por una conducción, debido al rozamiento interno (fricción entre sus moléculas y con las paredes de la tubería), la velocidad de las distintas capas de fluido no es la misma, como ocurre en fluidos ideales. La viscosidad absoluta es una propiedad de los fluidos que indica la mayor o menor resistencia que estos ofrecen al movimiento de sus partículas cuando son sometidos a un esfuerzo cortante. Algunas unidades a través de las cuales se expresa esta propiedad son el Poise (P), el Pascal-Segundo (Pa-s) y el centiPoise (cP), siendo las relaciones entre ellas las siguientes: 1 Pa-s = 10 P = 1000 cP. La Viscosidad Absoluta suele denotarse a través de la letra griega μ.

Tipos de Flujo

• Flujo laminar: Las partículas fluidas se mueven según trayectorias paralelas, formando el conjunto de ellas capas o láminas.
• Flujo turbulento: Las partículas fluidas se mueven de forma desordenada en todas las direcciones.

Si el valor del número de Reynolds es inferior a 500, el régimen es laminar, si está comprendido entre 500 y 2000, el régimen es de transición, y si es superior a 2000, el régimen es generalmente turbulento.

Historia del Espesamiento

• La invención del espesador Dorr y el diseño de espesadores, 1900 a 1940.
• El descubrimiento de las variables de operación de un espesador continuo, 1940-1950.
• La Era de Kynch, 1950-1970.
• Teoría Fenomenológica, 1970-1980.
• Teoría matemática, 1980-2011.

El espesador Dorr fue inventado en 1905 para realizar la separación sólido-líquido en el proceso de la cianuración de oro. La sedimentación de suspensiones conteniendo finas partículas de este metal apareció como interesante. Varios autores, Nichols (1908), Ashley (1909), Forbes (1912), Mishler (1912, 1917), Clark (1915), Ralston (1916), Free (1916) and Coe and Clevenger (1916), estudiaron el efecto de la concentración de sólidos y del electrolito, el grado de floculación y la temperatura en el proceso de sedimentación. El descubrimiento de las variables de la operación de un espesador continuo en la Universidad de Illinois se tornó muy activa en investigación en el campo de espesamiento, realizando 10 tesis en este período. El mecanismo de sedimentación continua fue estudiado en el laboratorio para explicar el comportamiento de espesadores industriales. Comings demuestra la existencia de cuatro zonas en un espesador continuo: una zona superior de agua clara, una zona de sedimentación, una zona de compresión y una zona de acción de las rastras. La conclusión más importante es que, en un espesador continuo en el estado estacionario, la concentración de la zona de sedimentación es constante y depende del flujo y no de la concentración de alimentación.

Zonas del Espesador

• A) Zona superior de agua clara
• B) Zona de sedimentación
• C) Zona de compresión

Teoría Matemática del Espesamiento

Para el establecimiento de una teoría rigurosa y completa del espesamiento, era necesario interesar a matemáticos en este tema. Entre los resultados obtenidos de estos trabajos están:

• La formulación rigurosa y el análisis matemático de los procesos de sedimentación de suspensiones ideales en columnas de sedimentación y espesadores ideales.
• La formulación rigurosa y el análisis matemático de los procesos de sedimentación de suspensiones floculadas en columnas de sedimentación y espesadores industriales.
• El primer modelo de un espesador de alta capacidad.
• La formulación de ecuaciones constitutivas para la velocidad de sedimentación de partículas individuales y suspensiones.

Teoría del Espesamiento

El espesamiento consiste en una secuencia de dos fenómenos: la sedimentación y la consolidación.

• Sedimentación: Asentamiento de una partícula, o una suspensión de partículas, en un fluido por efecto de la fuerza de gravedad.
• Consolidación: Fenómeno de eliminación de agua por compresión (caso de relaves de cobre).

La ecuación de sedimentación de una esfera fue propuesta por Stokes en 1851, es el punto de partida de toda discusión de los procesos de sedimentación. Stokes demostró que la velocidad terminal de una esfera en un fluido es:

• Directamente proporcional a la diferencia de densidades entre el sólido y el fluido.
• Directamente proporcional al cuadrado del radio de la esfera.
• Directamente proporcional a la fuerza de gravedad.
• Inversamente proporcional a la viscosidad del fluido.

Diseño de Espesadores

El diseño de un nuevo espesador o la capacidad de un espesador existente se calcula para el funcionamiento en el estado estacionario. Desde 1912 a la fecha, se ha desarrollado numerosos métodos de diseño de espesadores, los que pueden ser clasificados dependiendo de los fundamentos utilizados para su desarrollo. Lo que se busca es conocer cuál es el área adecuada para un cierto flujo de alimentación. ÁREA UNITARIA (A.U): m²/tpd. Los primeros métodos propuestos para calcular la capacidad de un espesador continuo están basados en un balance macroscópico alrededor del equipo. Mishler — Coe – levenger.

Método de Mishler

Este método consiste en medir en el laboratorio la velocidad de sedimentación de una suspensión de la misma concentración que la alimentación al espesador y utilizar la ecuación (2) para calcular el Área unitaria (A.U). Este balance tiene implícita la suposición que la concentración en la zona II es la misma que la de alimentación.

Métodos de Proceso de Sedimentación Kynch

Debido a que el diseño utilizando el método de Coe Clevenger requería bastantes pruebas de laboratorio, se buscó un método más rápido con la teoría de Kynch. Entre dichos métodos destaca el de Talmage y Fitch, el cual requiere sólo un ensayo de sedimentación batch.

Método Talmage y Fitch

Consiste en:

1. Realizar una prueba de sedimentación.
2. Dibujar la curva de sedimentación.
3. Calcular la altura Z_d.
4. Trazar una curva de sedimentación desde Z_d hasta cortar la curva de sedimentación, esta intersección define la coordenada t_u.
5. Utilizar la expresión (8) para calcular el área unitaria.

Como el método de Talmage y Fitch está destinado a todo tipo de pulpas, incompresibles o compresibles, en algunos casos la recta horizontal trazada desde Z_D no corta a la curva de sedimentación. En estos casos, Talmage y Fitch recomiendan trazar la tangente Z-T para la concentración crítica j_c y obtener t_u como intersección de esta recta con la horizontal trazada desde…

Filtración

La filtración se utiliza para:

• Recuperación de un componente sólido valioso.
• Recuperación de un componente líquido valioso.
• Recuperación de ambos componentes.

La filtración es el proceso de separación sólido-líquido mediante el cual el sólido es separado del fluido en una suspensión haciéndolo pasar a través de un lecho poroso, denominado medio filtrante. El lecho retiene las partículas mientras que el fluido pasa a través del medio filtrante y recibe el nombre de filtrado. Para pasar el flujo a través del medio filtrante, es necesario aplicar un gradiente de presión como fuerza impulsora. Existen varias formas para aplicar este gradiente de presión, por ejemplo: la gravedad, el vacío, una presión, un vacío y una presión combinados, una fuerza centrífuga. La mayor parte de estas formas de aplicar presión da lugar a diferentes tipos de equipos de filtración, los que se reciben el nombre de filtros.

Tipos de Filtración

• Filtración con formación de queque
• Filtración sin formación de queque
• Filtración profunda

Filtración con Formación de Queque

Se caracteriza porque el sólido de la suspensión es retenido en la superficie del medio filtrante como una capa denominada queque. En este tipo de filtración, el flujo de suspensión es perpendicular a la superficie del medio filtrante. Se utiliza para suspensiones que poseen más de un 10% de sólidos en volumen y es el proceso de filtración más importante en la industria minera.

Filtración sin Formación de Queque

Aquí el líquido atraviesa el medio filtrante mientras que el sólido permanece en la suspensión, aumentando su concentración con el tiempo. Este tipo de filtración es útil cuando se desea concentrar una suspensión sin que sea necesario un producto de baja humedad. Aún cuando la filtración sin formación de queque puede ser utilizada en la separación sólido-líquido, es principalmente utilizada en la filtración de gases polvorientos.

Filtración Profunda

Para la filtración de partículas muy finas en suspensiones diluidas, se utiliza comúnmente filtros que tienen medios filtrantes de poros mayores que las partículas pero de grandes espesores. Las partículas penetran en el interior del medio filtrante y son capturadas por las fibras o partículas que constituyen el medio filtrante. Este tipo de filtro pierde su capacidad de filtración después de un cierto tiempo y es necesario limpiar el medio filtrante eliminando las partículas desde su interior, o sustituir el filtro por uno nuevo.

Condiciones de Filtración

Las condiciones en que se realiza una filtración dependen de muchos factores, entre los cuales destacan:

• Las propiedades del fluido (ej: densidad, viscosidad y corrosividad).
• La naturaleza del sólido, tal como su tamaño, forma y distribución de tamaño.
• Las propiedades de la suspensión (ej: concentración y compresibilidad).
• La cantidad de material a tratar.
• El valor del material y si el material valioso es el sólido, el fluido, o ambos.
• Si es necesario lavar el queque.
• Si es importante o no la contaminación del producto.

Ciclos de Filtración

1. Formación del queque
2. Lavado del queque
3. Secado del queque
4. Descarga del queque

Ciclo del Queque: Formación del Queque

La magnitud de material depositado en el medio filtrante depende de:

• Gradiente de presión
• Concentración de la suspensión
• Tiempo de succión

En este ciclo, hay un flujo continuo de filtrado a través del medio filtrante y del queque.

Ciclo de Filtración: Lavado del Queque

• La necesidad de lavar el queque depende del objetivo perseguido por el proceso de filtración.
• El lavado se efectúa para eliminar impurezas del queque o para recuperar líquidos valiosos.
• El lavado del queque implica calcular la cantidad mínima de agua necesaria para desplazar el líquido de los poros y el tiempo necesario.

Ciclo de Filtración: Secado del Queque

Es aquella etapa en que el agua retenida en los poros del queque es desplazada soplando aire o succionado aire de la atmósfera. Para controlar esta etapa, es necesario conocer la cantidad de agua retenida en el queque. El criterio para seleccionar la humedad residual del queque es económico, cuando no es una restricción del equipo.

Ciclo de Filtración: Descarga del Queque

El desprendimiento del queque y su descarga es de gran importancia para una operación eficiente. En el caso de filtración a vacío, la descarga es muy simple y consiste en raspar las telas y eliminar el producto por gravedad. En el caso de filtración a presión, o filtración hiperbárica, la descarga debe tener válvulas que permitan presurizar y despresurizar la zona de descarga en ciclos controlados.

Medios Filtrantes

Un medio filtrante puede ser definido como cualquier material permeable sobre el cual, o en el cual, son separados los sólidos del fluido durante el proceso de filtración. El principal rol del medio filtrante es provocar una buena separación entre los componentes de una suspensión con el mínimo consumo de energía. Flood (1966) clasificó los medios filtrantes en 2 categorías, según:

• Tipo superficie, en el cual las partículas en suspensión son principalmente retenidas sobre el medio.
• Tipo profundo, en que las partículas penetran en los poros, donde son retenidas. Estos se usan principalmente para la clarificación de líquidos.

El medio filtrante más común son telas de algodón, principalmente por su bajo costo y variedad de tejidos. Otros materiales son lana, nylon, seda, fibra de vidrio, carbón poroso, goma porosa. Purchas y Hardman (Purchas 1981) han realizado estudios de medios filtrantes. El medio filtrante se caracteriza de acuerdo a diversas propiedades físicas (mecánicas) y químicas. Purchas identificó 20 propiedades divididas en tres categorías:

• Propiedades orientadas a los equipos.
• Propiedades orientadas a la aplicación del medio filtrante.
• Propiedades específicas de filtración.

Propiedades de los Medios Filtrantes

Propiedades Generales

• Trama
• Peso/área
• Permeabilidad al aire
• Permeabilidad al agua
• Porosidad
• Resistencia a la tensión
• Fácil descarga del queque
• Mínima resistencia al flujo
• Mínima humedad del queque
• Máxima vida útil de la tela
• Menor tendencia a la colmatación (obstrucción)
• Espesor de la tela
• Resistencia a la temperatura
• Resistencia al pH
• Capacidad de suciedad

Propiedades Orientadas al Equipo

• Rigidez
• Resistencia al estiramiento
• Estabilidad en los bordes
• Resistencia a la abrasión
• Estabilidad a la vibración
• Dimensiones compatibles

Propiedades Específicas de Filtración

• Partícula más pequeña retenida
• Eficiencia de retención
• Resistencia al flujo
• Capacidad de ensuciamiento
• Tendencia a la obturación
• Descarga del queque

Propiedades Orientadas a la Aplicación del Medio Filtrante

• Estabilidad química y térmica
• Estabilidad biológica
• Estabilidad dinámica
• Características absorbentes
• Mojabilidad
• Características de estática
• Disponibilidad
• Capacidad de reutilización
• Costo

Características Técnicas de los Medios Filtrantes

• Condiciones Térmicas y Químicas: Bajo estas condiciones, los polímeros son los medios más adecuados para el medio filtrante. Los más usados son polipropileno (PP), polietileno (PET) y poliamida (PA).
• Requerimientos en la Filtración: Los principales son: claridad en el filtrado, rendimiento, contenido de humedad en el queque, efectiva liberación del queque, baja resistencia al paso del fluido y alta resistencia a la abrasión.
• Consideraciones con respecto al equipo: Es importante donde se va a usar el medio filtrante: el tipo de pulpa, volumen del producto, contenido de sólidos requeridos, así como si es filtración a presión o vacío.
• Costos: El costo del medio, así como su vida útil es de vital importancia. Este ítem puede decidir el tipo de medio a utilizar.

En conclusión, podemos ver que existe una infinidad de medios filtrantes dependiendo de la aplicación, por lo que la selección de un medio específico debe tomar en cuenta muchos factores. Esto hace necesario realizar distintos ensayos de laboratorio para observar el comportamiento del medio filtrante y así poder evaluar su comportamiento dependiendo de la aplicación. Entendiendo el importante rol que juega el medio filtrante en el proceso de filtración, queda claro que una mala elección acarreará resultados perjudiciales para la filtración, traduciéndose en aumentos de costos, pérdidas de tiempo y un proceso ineficiente.

Tipos de Tejidos

• Tafetán o tejido simple
• Sarga o tejido cruzado
• Satín o tejido satinado