Información Tecnológica-Vol. 17 N°6-2006, pág.: 157-164

ARTICULOS VARIOS

Separación Neumática de Finos desde Corrientes de Mineral Chancado

Pneumatic Separation of Fines from Currents of Crushed Minerals

Jaime M. Tapia
Universidad Arturo Prat, Departamento de Ingeniería, Avda. A. Prat 2120, Casilla 121, Iquique-Chile (e-mail: jaime.tapia@unap.cl)

Resumen

Se presenta una alternativa técnica para reducir la generación de finos (partículas de tamaño inferior a 212 µm) en el proceso de chancado de mineral de cobre. La propuesta consiste en la separación neumática de los finos a través de la acción de un flujo ascendente de aire aplicado a muestras sintéticas de mineral chancado, preparadas con diferentes contenidos de finos (de 10 a 25% en peso). En pruebas de laboratorio se verificó la separación de los finos contenidos en las muestras a través de esta técnica. En pruebas en lecho estático se obtuvo una separación cercana al 90%, a partir de razones (U₀/U_t) = 2 (para una muestra sintética con 20% de finos y velocidad superficial de aire U₀ = 100 cm/s). Por su parte, pruebas en lecho móvil entregaron una separación cercana al 75%, para una muestra y condiciones similares. Este comportamiento se replicó para todas las muestras sintéticas ensayadas. Estos resultados permiten validar la alternativa técnica de separar en forma neumática las partículas finas desde corrientes de mineral chancado.

Palabras clave: separación neumática, eficiencia de separación, finos, mineral chancado

Abstract

An alternative technique is presented for reducing the production of fines ( particles of less than 212 mm in size) during the crushing process applied to copper minerals. The proposed method included pneumatic separation of the fines from an ascending flow of air applied to artificially prepared samples of crushed mineral which were prepared containing various quantities of fines ranging from 10 to 25% by weight. Laboratory tests verified separation of the fines from the samples using the proposed method. In static bed tests, separation of nearly 90% was obtained, starting with ratios of (U₀/U_t) = 2 (for a prepared sample containing 20% fines and surface air velocity of U₀ = 100 cm/s). On the other hand, tests with a moving bed gave a separation near 75% for similar samples and working conditions. This behavior was repeated for all the test samples prepared. These results allowed validation of the alternative technique for the pneumatic separation of fines from currents of crushed minerals.

Keywords: pneumatic separation, separation efficiencies, fines, crushed minerals

INTRODUCCION

Durante el chancado de minerales de cobre que serán beneficiados a través de procesos hidrometalúrgicos, se genera por efecto de una combinación de abrasión y atricción, una fracción de partículas denominadas finos. Estas partículas tienen un tamaño inferior a 212 µm (tamaño de la abertura de la malla 70 de la serie ASTM E-11). Normalmente esta fracción varía entre un 2 y un 25% en peso del total del mineral chancado, dependiendo de la génesis de cada yacimiento.

Estas partículas tienen la particularidad de afectar seriamente el proceso de lixiviación en pilas, debido a que provocan problemas operacionales que reducen significativamente la recuperación global del cobre. Sin embargo, no pueden descartarse ya que son partículas liberadas, con leyes que fluctúan entre un 1 y 7%, según el mineral.

Una forma habitual de eliminar los problemas que generan los finos en las pilas, es la de aglomerar esta fracción con el resto del mineral usando agua y ácido sulfúrico. De esta forma se obtienen partículas gruesas rodeadas de un film de partículas finas adheridas a su superficie, generando una nueva fase adecuada para ser tratada en las pilas normales de lixiviación.

Sin embargo, en la práctica esta metodología no resulta completamente adecuada, ya que una fracción de estos “finos” es arrastrada por las soluciones de lixiviación que percolan a través de la pila, generándose capas impermeables en el interior de éstas. Estas capas tienden a producir inundaciones, derrumbes, canalizaciones de la solución lixiviante, cortocircuitos, sectores muertos, etc, factores todos que disminuyen la recuperación del elemento de interés.

Como una alternativa a este procedimiento, en este trabajo se estudia la separación neumática de los finos, a través de la aplicación de un flujo ascendente de aire a muestras representativas de mineral chancado. Esta separación permitiría obtener una corriente de gruesos libre de finos que podría ser lixiviada en pilas en forma convencional eliminando los problemas ocasionados por los finos. Además, se obtendría una fracción de finos que debido a su alta liberación podría tratarse directamente, generando una corriente concentrada de finos factible de procesarse, por ejemplo, a través de una lixiviación agitada (Tapia, 2000).

Con el fin de determinar la factibilidad de realizar esta separación neumática, se realizaron pruebas para determinar en primer lugar la respuesta de los finos a la fluidización y, en segundo, para determinar las eficiencias de separación de finos desde el mineral chancado que lo contiene en condiciones de lecho estático y móvil.

Las pruebas se realizaron para simular diferentes condiciones de operación. Las pruebas en lecho estático, pretenden  simular las condiciones de separación de los finos desde, por ejemplo, una correa o banda transportadora horizontal a la cual se le insufle aire en forma ascendente.

Las pruebas en lecho móvil se realizaron para determinar la eficiencia en la separación de los finos desde un flujo de mineral en caída libre, en contracorriente con un flujo ascendente de aire.

ANTECEDENTES TEORICOS

La separación neumática de partículas por tamaños es una tecnología ampliamente usada en diferentes procesos. Esta consiste en general en la aplicación de un fluido (gas o líquido) en forma ascendente a través de un lecho de partículas. En general se pueden dar dos condiciones: operación en lecho fluidizado y en lecho fijo.

Un lecho fluidizado es aquel en que las partículas finas son llevadas a un estado fluidizado a través del contacto con un gas o líquido ascendente. Este fenómeno es complejo y presenta diferentes características según el caudal de fluido insuflado.

Por su parte, el lecho fijo o estático ocurre cuando el fluido percola a bajas velocidades, a través de los espacios libres entre las partículas (poros). Este ocurre de modo que el flujo de gas no es suficiente para fluidizar a todas las partículas de la distribución, pero sí es suficiente para arrastrar a las partículas de tamaño mucho menor al tamaño medio de la distribución. Esta situación se da en distribuciones de tamaños en las que se presentan relaciones de tamaños muy altas entre las partículas más grandes y las más pequeñas presentes en formas significativa. Esta situación ocurre en las corrientes de mineral chancado de este estudio y en flujos de carbón de mina con altos contenidos de cenizas, por ejemplo (Yang et al, 2002).

Cabe destacar que a los aquí denominados finos se les puede considerar, según la clasificación de Geldart (1973), como constituidos de dos tipos de partículas. En primer lugar, una fracción alta en arcillas, muy fina (d_p < 50 mm) y de baja densidad que corresponden a partículas tipo C, las que se caracterizan por su mala respuesta a la fluidización como resultado de sus altas fuerzas cohesivas. Además, los finos contendrían una gran cantidad de partículas de densidad mediana y tamaños entre 50 y 212 mm, que tienen una adecuada respuesta a la elutriación (partículas tipo A). La interacción de estas partículas frente a la aplicación de corrientes de gas (aire) ha sido estudiada, entre otros, por Mahmoud et al (2004, 2005 y 2006), Ye et al (2005), y Xu et al (2006).

Un ejemplo de aplicación de la fluidización, es el caso del secado y separación por tamaños de dolomita en un reactor fluidizado de la compañía Dorr-Oliver (Kunni y Levenspiel, 1969). Este reactor es capaz de tratar un flujo de alimentación de 50 TPH de mineral inferior a 4.75 mm (- 4 mallas serie USA) y 2% de humedad, generando un producto constituido por 3 fracciones de tamaño producto (4x80#, 65x325# y -325# mallas), con una humedad inferior al 0.3%.

Si se aumenta la velocidad superficial del fluido, el lecho fijo puede variar a condiciones en las que las partículas son apenas suspendidas en el flujo ascendente. Este lecho se llama lecho en mínima fluidización y ocurre cuando el peso del lecho es igual al empuje del fluido. Este caso no es buscado en este estudio, ya que no se quiere fluidizar a toda la corriente, lo que sería sumamente costoso, sino que sólo arrastrar a los finos contenidos en el mineral chancado.

En el caso de operaciones sólido-gas, el  flujo de gas está limitado entre la velocidad mínima de fluidización U_mf y la velocidad de arrastre de los sólidos. Esta última puede aproximarse por la velocidad terminal de partículas U_t.

Velocidad Mínima de Fluidización

La velocidad superficial en condiciones de mínima fluidización U_mf se puede calcular a partir, entre otras, de las ecuaciones propuestas por Wen y Yu (1966):

Una expresión más reciente, válida en una amplia gama de lechos y materiales, es la propuesta por Coltters y Rivas (2004):

Velocidad Terminal de las Partículas

La velocidad terminal U_t, máxima velocidad que alcanza la partícula al sedimentar en un fluido, puede estimarse de la ecuación (4), considerando régimen laminar y partícula esférica  (Kunii y Levenspiel, 1968):

En lechos fluidizados, la velocidad del gas debe estar entre U_mf y la velocidad de arrastre, con el fin de permitir una adecuada descarga del material. En el caso de esta propuesta técnica, la velocidad superficial del gas (aire) debe ser superior a la velocidad terminal del menor tamaño presente en forma significativa en los finos (75 mm), para efectos de inducir su elutriación del lecho.

METODOLOGIA

Las pruebas se realizaron a nivel de laboratorio, utilizando un mineral de cobre obtenido desde corrientes de chancado terciario de Cía. Minera Quebrada Blanca (CMQB). Este mineral fue muestreado y procesado de modo de asegurar una adecuada representatividad del mineral ensayado.

En primer lugar, a partir del mineral muestreado se prepararon las fracciones de tamaño (F-1) a (F-5), correspondientes a los monotamaños: 70x100, 100x150, 150x200, 200x400 y 400x600 mallas (serie ASTM E-11) respectivamente. A estas fracciones se les determinó la velocidad mínima de fluidización y las curvas de arrastre (elutriación). Las pruebas se realizaron usando muestras representativas en forma batch, durante un tiempo estándar de 10 minutos y en condiciones ambientales

Las pruebas se realizaron en un dispositivo experimental consistente en un reactor cilíndrico de acrílico de 10 cm de diámetro interno y 140 cm de alto. El aire fue insuflado en forma ascendente al sistema, a través de un compresor de doble pistón de 4 HP de potencia, capaz de generar un caudal de aire de 485 lpm a una presión máxima de 16 bar. La Figura 1 muestra el dispositivo experimental utilizado.

Junto a lo anterior, se prepararon muestras sintéticas (M-1 a M-4), conteniendo diferentes cantidades de finos, con el fin de determinar el impacto de la composición en la separación neumática. En la práctica, el contenido de finos puede variar en rangos que van, por ejemplo, de entre 4-5% de finos en el caso de la ex-Cía. Minera La Cascada, a un rango de 18-24% que presenta actualmente el mineral chancado de CMQB.

Fig. 1: Dispositivo experimental.

Las muestras sintéticas fueron ensayadas en pruebas en lecho estático y móvil. Las primeras consistieron en depositar una muestra representativa sobre la placa distribuidora del lecho, al cual se le insuflaba caudales conocidos de aire. Estas pruebas se realizaron de modo de simular las condiciones de una correa transportadora de mineral chancado a la que le insufle aire.

Por su parte, las pruebas en lecho móvil consistieron en la aplicación de aire a una muestra que era alimentada desde la parte superior del lecho. Las muestras preparadas se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1: Composición en peso de las muestras sintéticas.

Análogamente a lo anterior, las pruebas fueron batch, de 10 minutos de duración  y en condiciones ambientales.

RESULTADOS

En primer lugar se entregan las velocidades mínimas de fluidización de las fracciones F-1 a F-5 (ver Tabla 2).

Tabla 2: Velocidad mínima de fluidización.

La velocidad terminal de todas las muestras sintéticas (M-1 a M-4) es la misma (48.5 cm/s), debido a que se consideró como tamaño mínimo representativo para todas ellas, la abertura de la malla 200 (75 mm). Esto implica que se considera a los finos como constituidos principalmente por partículas en la fracción –70+200 mallas de la serie ASTM E-11.

Las tasas de elutriación (arrastre) de los finos contenidas en las fracciones F-1 a F-5 se presentan en la Figura 2. Las tasas de elutriación de las muestras sintéticas en cada lecho se muestran en las Figuras Nº 3 (lecho estático) y Nº 4 (lecho móvil).

La Figura 5 muestra en forma simultánea los resultados de elutriación de finos, tanto para lecho estático como para lecho móvil.

DISCUSION

Los resultados anteriores muestran que, efectivamente, el arrastre neumático de finos es factible desde corrientes típicas de mineral chancado de cobre dispuesto a ser lixiviado. Este resultado se replica para los finos contenidos tanto en las fracciones puras como en las muestras sintéticas.

En efecto, para las fracciones puras se cumple que las fracciones F-1 a F-3, que corresponden a partículas tipo A de la clasificación de Geldart, tienen un arrastre casi completo para velocidades superficiales similares a la terminal (U₀/U_t » 1). Esta respuesta disminuye para las fracciones más pequeña (F-4 y F-5), las que requieren razones (U₀/U_t) de 4 y 9 respectivamente, para lograr el arrastre completo. Esto se debe a que estas partículas corresponden al tipo C de Geldart, las que se caracterizan por su baja respuesta a la fluidización.

Un resultado similar se obtuvo para los finos contenidos en las muestras sintéticas (M-1 a M-4), en ambos tipos de lechos. En efecto, las Figuras 3 y 4 muestran un óptimo grado de separación de los finos para razones (U₀/U_t) cercanas a 2. Además, se aprecia que en ambos casos, la separación de los finos aumenta, en general, con la concentración de finos en la muestra. Este resultado refleja un adecuado comportamiento hidrodinámico de la corriente de aire ascendente de aire en su paso a través del lecho mineral.

Fig. 2: Elutriación de finos en función de la velocidad de fluidización

Fig. 3: Elutriación de finos en lecho estático.

Fig. 4: Elutriación de finos en lecho móvil.

Fig. 5: Elutriación de finos en lechos estático y móvil.

Esto puede atribuirse a las características del lecho de mineral chancado, en cuanto a su porosidad y contenido de finos. En efecto, la amplia distribución de tamaños e irregular forma de las partículas chancadas, inducen la formación de un lecho con una alta porosidad y adecuada permeabilidad del gas (aire). Esto permite que el aire pueda pasar a través del lecho a una mayor velocidad superficial local que la insuflada, lo que provoca el arrastre por emulsión de los finos contenidos entre los macroporos del lecho. Además, este efecto se ve favorecido por la acción de los finos contenidos que hacen de lubricante en el lecho, lo que explica el aumento de separación para las muestras altas en finos. Resultados similares han sido reportado, entre otros, por Solimene et al (2003). Sin embargo, cabe tener presente que este comportamiento puede inhibirse por la formación de canalizaciones preferenciales en el lecho, según lo reportado por Johanson (2004) y Reichhold et al (2006).

Un resultado interesante de analizar es que en las pruebas realizadas en lechos estáticos se obtuvieron tasas de elutriación superiores a las logradas en las pruebas en lecho móvil (ver Fig. 5). Esto puede atribuirse principalmente al efecto de arrastre mecánico que realizan los gruesos sobre los finos, impidiendo así una adecuada percolación del aire ascendente a través del material en movimiento.

Un ejemplo exitoso de la separación neumática de finos desde corrientes de este tipo, es el caso de la planta de Da An Shan (Beijing, China). En esta se realiza la separación neumática de finos de carbón desde un lecho vibratorio. Para esta planta, Yang et al (2002) publicaron resultados en los que muestran eficiencias de un 94% en la separación de finos de carbón (partículas entre 0.5 y 1 mm), desde corrientes de carbón de mina de tamaño 100% inferior a 50 mm y humedad  libre de entre 1.7 y 9.5%. Esto considerando una capacidad de producción de 100 TPH de carbón en una parrilla vibratoria de 1.8x1.4 m.

Los buenos resultados que se obtienen para el lecho estático podrían ser mejorados a partir de la entrega de una energía adicional a la forma de una vibración mecánica del lecho, por ejemplo, de modo de romper las partículas aglomeradas y facilitar la elutriación de los finos. Ejemplos de trabajos en este sentido son los realizados por Mawatari et al (2005), Tatemoto et al (2005) y por Xu y Zhu (2005 y 2006).

A partir de los resultados anteriores, se sugiere realizar a continuación de este trabajo, un estudio que defina el diseño adecuado de un dispositivo separador de finos desde corrientes de minerales chancados, a partir de los parámetros metalúrgicos determinados.

CONCLUSIONES

Las partículas finas son efectivamente elutriadas, en todas las muestras ensayadas, en función de un flujo ascendente de aire.

La elutriación es función del tamaño y tipo de respuesta de la partícula a la fluidización neumática, de modo tal que aumenta con la velocidad superficial del aire.

Para lecho estático, se encuentra que el arrastre de los finos en las muestras aumenta con el flujo de aire insuflado, alcanzando del orden del 90% de separación para razones (U₀/U_t) ³ 2 (U₀ ³ 100 cm/s). Además, se encuentra que en general la elutriación aumenta con el contenido de finos en la muestra, alcanzando una situación de arrastre total a partir de razones (U_o/U_t) ³ 3 (U_o = 150 cm/s), para todas las composiciones de finos ensayadas.

Por su parte, para lecho móvil se encuentra, para todas las muestras, tasas de elutriación cercanas al 85% para razones (U_o/U_t) ³ 3 (U_o ³ 150 cm/s). Además, se encuentra que al igual que en el caso del lecho estático, el arrastre se hace mayor para las muestras sintéticas que tienen una mayor la cantidad de finos presentes en la muestra.

Todo lo anterior permite validar la alternativa técnica de separar las partículas finas, desde muestras representativas de corrientes de mineral chancado.

NOMENCLATURA

AGRADECIMIENTOS

El autor agradece a la Dirección de Investigación de la Universidad Arturo Prat por el financiamiento de este trabajo y a Cía. Minera Quebrada Blanca por la facilitación del mineral necesario para el estudio.

REFERENCIAS

Coltters R. y A. Rivas, “Minimun fluidation velocity correlations in particulate systems”, Powder Technology, 147, 34-48 (2004).

Geldart D., “Types of gas fluidization”, Powder Technology, 7, 285-292 (1973).

Johanson K., “Rathole stability analysis for aerated powder materials”, Powder Technology, 141, 161-170 (2004)

Kunii D. y O. Levenspiel, “Fluidization Engineering”, John Wiley & Sons, Nueva York, Estados Unidos, (1968).

Mahmoud E., T. Nakazato, N. Nakagawa y K. Kato, “Solid circulation rate in a circulating fluidized bed in the presence of fine powders”, Chemical Engineering Science, 61, 766-774 (2006).

Mahmoud E., T. Nakazato, N. Nakagawa y K. Kato, “Evaluation of the turnover times of the bed particles and of the fine powders in a circulating powder-particle fluidized bed (CPPFB)”, Powder Technology, 153, 81-89 (2005).

Mahmoud E., T. Nakazato, S. Nakajima, N. Nakagaway K. Kato, “Separation rate of fine powders from a circulating powder-particle fluidized bed (CPPFB)”, Powder Technology, 146, 46-55 (2004).

Mawatari Y., M. Tsunekawa, Y. Tatemoto y K. Noda, “Favorable vibrated fluidization conditions for cohesive fine particles”, Powder Technology, 154, 54-60 (2005)

Reichhold A., B. Kronberger y G. Friedl, “Temporary defluidization in fine powder fluidised beds caused by changing the fluidising gas”, Chemical Engineering Science, 61, 2428-2436 (2006).

Solimene R., A. Marzocchella y P. Salatino, “Hydrodynamic interaction between a coarse gas-emitting particle and a gas fluidized bed of finer solids”, Powder Technology, 133, 79-90 (2003).

Tapia, J., “Lixiviación Agitada de Crisocola en Medio Acido”, Actas de XI Congreso Nacional de Metalurgia CONAMET, 439-444, La Serena, Chile, Agosto 9-11, (2000).

Tatemoto Y., Y. Mawatari y K. Noda, “Numerical simulation of cohesive particle motion in vibrated fluidized bed”, Chemical Engineering Science, 60, 5010-5021 (2005).

Wen C.Y. y Y.H. Yu, A. I. Ch. E. Journal, 12, 610 (1966).

Xu C. y J. Zhu, “Experimental and theoreitical study on the agglomeration arising from fluidization of cohesive particles-effects of mechanical vibration”, Chemical Engineering Science, 60, 6529-6541 (2005).

Xu C. y J. Zhu, “Parametric study of fine particle fluidization under mechanical vibration”, Powder Technology, 161, 135-144 (2006).

Xu C., Y. Cheng y J. Zhu, “Fluidization of fine particles in a sound field and identification of group C/A particles using acoustic waves”, Powder Technology, 161, 227-234 (2006)

Yang G., D. Zheng, J. Zhou, Y. Zhao y Q. Chen, “Air Classification of Moist Raw Coal in a Vibrated Fluidized Bed”, Minerals Engineering, 15, 623-625 (2002).

Ye M., M. Van der Hoef y J. Kuipers, “The effects of particle and gas properties on the fluidization of Geldart A particles”, Chemical Engineering Science, 60, 4567-4580 (2005).

Monseñor Subercaseaux 667

La Serena - Chile

Tel.: (56-51) 2551158

Fax: (56-51) 2551158


citrevistas@gmail.com