apunte espesamiento

Cap 1-1 Luis Magne O.

Operación de Procesos de Separación Sólido - Líquido

1. INTRODUCCIÓN

1.1. ANTECEDENTES GENERALES

La separación sólido - líquido por métodos mecánicos forma parte de una gran área de técnicas de separación de fases sólidas, líquidas y gaseosas. Este tipo de separación aparece en un extenso número de procesos industriales en los diversos campos de la economía. Dentro de estas se encuentran:

Eliminación de agua desde suspensiones en la industria

Recuperación de agua en procesos de la minería

Purificación de aguas domiciliarias

Eliminación de polvo en suspensión

Desgasificación de líquidos

Eliminación de espumas en líquidos, etc.

La separación de sólidos y líquidos de una mezcla se puede realizar mediante métodos puramente mecánicos y térmicos:

Operaciones mecánicas:

• Tamizaje

• Sedimentación

• Filtración

Operaciones Térmicas:

• Secado

• Vaporizado.

Las operaciones de separación sólido – líquido se basan en tres mecanismos: la sedimentación, la consolidación y el flujo en medios porosos.

Se denomina sedimentación al proceso de asentamiento de un material sólido o líquido desde un fluido, generalmente agua o aire, desde un estado de suspensión. El procesos se observa en la naturaleza en los procesos geológicos de formación de los depósitos de rocas y minerales, etc. La eficiencia de la separación depende principalmente de la magnitud del campo de fuerzas aplicada (gravitacional o centrífuga), de la diferencia



de densidades entre las partículas sólidas y líquidas, del tamaño de las partículas y de la viscosidad del líquido. La cantidad de líquido de una suspensión que es capaz de separar la sedimentación es toda aquella que no llena los poros del sedimento formado. Las formas de aplicar fuerzas de cuerpo o externas a una suspensión es la siguiente:

Sedimentación Gravitacional:

• Espesador

• Clarificador

Sedimentación Centrífuga

• Centrífuga

• Hidrociclón

Cuando el agua retenida en el sedimento es más que la deseada, se debe recurrir a la filtración. Se denomina filtración al proceso de formar un queque soportado por un medio filtrante, eliminando líquido, denominado filtrado. Cuando todo el líquido de la suspensión ha pasado por el queque y los poros de éste están llenos de líquido, esto es, el queque está saturado, la formación de queque ha terminado. Para eliminar más líquido, se sopla aire a través del queque, el que desplaza al líquido disminuyendo su humedad. La fuerza impulsadora de la filtración es un gradiente de presión exterior impuesto por una bomba. Las variables más importantes de la filtración son la porosidad y la permeabilidad del queque, esto es la facilidad con que escurre el agua a través de él. La filtración puede ser ayudada o dificultada por la sedimentación. En general la suspensión a filtrar se impulsa hacia un recipiente y se hace pasar a través de un medio poroso denominado medio filtrante. Si el filtro es horizontal, la sedimentación de las partículas ayudará a la filtración, en cambio si el filtro es vertical, las partículas sedimentarán en la dirección perpendicular a la dirección de filtración, Figura 1.1.

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a

b

Figura 1.1. Sedimentación y Filtración en a) la misma dirección y b) en direcciones perpendiculares.

1.2. EQUIPOS UTILIZADOS EN LA SEPARACIÓN SÓLIDO - LÍQUIDO

A continuación se detallan los nombre de los principales equipos utilizados para la separación sólido – líquido en la industria minera, tanto en sedimentación como en filtración.

a) Sedimentación:

• Espesador

• Clarificador

• Hidrociclón

• Centrífuga

b) Filtración:

• Gravitacional : Filtro de arena

• Vacío : Filtro de tambor

Filtro de discos

Filtro de banda

Filtro de bandeja

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• Presión: Filtro de prensa vertical

Filtro de prensa horizontal

Filtro de vela

• Presión y vacío: Filtro hiperbárico

1.3. LA SEPARACIÓN SÓLIDO – LÍQUIDO EN PROCESAMIENTO DE MINERALES

Los métodos más utilizados para procesar minerales de cobre, tales como la flotación de sulfuros o la lixiviación de los óxidos, requieren que el mineral, reducido a un determinado rango de tamaño, se encuentre mezclado con agua. Una vez obtenido el concentrado y relave, o la solución de cobre y el residuo, es necesario separar los sólidos del fluido.

El concentrado de una planta de procesamiento de minerales sigue su camino hacia la etapa de fundición donde debe ser sometido a procesos de calentamiento. Alternativamente, en aquellas industrias mineras que no poseen fundición, el concentrado debe venderse como tal y ser transportado fuera de la empresa. En ambos casos interesa que el producto tenga una mínima cantidad de agua para reducir el consumo de combustible o el costo de transporte. La eliminación de agua del concentrado se efectúa mediante el espesamiento, la filtración y el secado.

La eficiencia del espesamiento se mide a través del porcentaje de sólidos logrado en la descarga, que debe ser el máximo posible.

La eficiencia de la filtración y secado se demuestra por la humedad residual, que debe ser la mínima posible.

En etapas intermedias del proceso de flotación, por ejemplo, entre la flotación de cobre y molibdeno, es necesario eliminar los reactivos utilizados en la primera etapa y que no permitirían realizar la etapa siguiente. Esta eliminación se realiza haciendo un cambio de agua, o más exactamente, cambiando una parte del agua utilizada en la primera etapa, por agua fresca, de modo que la concentración de los reactivos nocivos esté bajo un determinado valor al continuar el proceso. La eliminación de agua se logra en un espesador, el cual debe ser controlado estrictamente para que se logre los propósitos indicados.



Los relaves finales de una planta de flotación, que son material de deshecho, no se les debe eliminar sin antes recuperar el agua. Las empresas mineras frecuentemente están situadas en regiones áridas o cordilleranas donde el agua es un recurso escaso, por lo que debe ser recirculada.

Hay variables comunes que afectan la operación de los procesos de separación sólido - líquido, a saber:

• Tamaño de Partícula y Distribución de Tamaños. En general, las partículas más finas tienen velocidades de sedimentación y filtración más bajas. La superficie específica aumenta, lo que significa una concentración de sólidos más baja en la descarga del espesador y en el queque filtrado y un mayor contenido de humedad a ser evaporado en la etapa de secado. Por lo tanto, se debe evitar la sobremolienda.

• Concentración de Sólidos. Incrementos en la concentración de sólidos de la alimentación, generalmente, minimizará los costos y el tamaño del equipo requerido en los procesos de separación sólido - líquido.

El diseño de espesadores se basa en el área unitaria requerida, expresada en pies cuadrados por tonelada corta de sólido seco por día (o metros cuadrados por tonelada métrica por día), el cual decrece con un incremento en la concentración de sólidos de alimentación.

Las velocidades de filtración también aumentan a medida que el flujo que atraviesa los capilares del queque filtrado decrece.

Las capacidades de secado aumentan y se requiere menos energía por tonelada de producto final para evaporar la menor humedad asociada.

• Forma de la Partícula y Características Superficiales. Generalmente, la forma ideal de una partícula es la esférica con porosidad cero. A medida que cada uno de estos factores se degrada desde el estado deseado, las dificultades aumentan. Esto es particularmente cierto en el secado, donde la porosidad puede disminuir las velocidades de secado significativamente, si la humedad de la partícula debe llegar primero a la superficie de la partícula por difusión antes de ser evaporada. La partícula esférica, también exhibe una mínima superficie específica para un mismo tamaño de partícula con las ventajas ya mencionadas.

• Viscosidad del líquido. Aumentos de la viscosidad del líquido, provocan disminuciones en las velocidades de espesamiento, filtrado y secado.

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2. ESPESAMIENTO

2.1. ANTECEDENTES GENERALES

Se denomina espesamiento o espesaje a la operación de separar, mediante el mecanismo de sedimentación, parte del agua de una suspensión, de modo de obtener por una parte, una pulpa de mayor concentración de sólidos y por la otra, un flujo de agua clara.

El espesamiento se efectúa en equipos llamados espesadores. La Figura 2.1 representa el concepto básico de un espesador continuo. Estos son estanques cilíndricos de mayor diámetro que altura provistos de una alimentación central en su parte superior y una descarga, también central en el fondo. El piso se construye con una leve inclinación hacia el centro y sobre él la pulpa espesa es barrida por brazos mecánicos soportados desde el eje del estanque. La periferia superior del cilindro posee un canal concéntrico exterior que colecta el flujo de agua clara y recibe el nombre de rebalse.

Alimentación Rebalse(overflow)

Descarga(underflow)

Figura 2.1. Esquema de operación de un espesador continuo. Se muestra la definición de cuatro zonas de sedimentación de un espesador.

La tecnología moderna de sedimentación se desarrolló en gran parte en la industria minera. Antes de concebirse el espesador continuo, se utilizaba la decantación

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por gravedad en discontinuo. Después de esto, aparecieron los conos de decantación, que funcionaban sin parar al poder descargarse continuamente por el fondo mientras el líquido rebosaba por la parte superior. Conforme se desarrollaba la tecnología, se asumió la necesidad de conducir los sólidos sedimentados sobre una gran superficie, hacia un punto de descarga común. Con este principio general y diversas modificaciones, hacia 1905 se concibió el espesador continuo.

Los espesadores metalúrgicos operan con densidades de pulpa de 1.6 t/m3 o más y sedimentan con concentraciones de 60 a 70% de sólidos en peso, por lo que estos equipos deben ser de diseño robusto.

La función principal de los espesadores es espesar la pulpa alimentada hasta una concentración conveniente para las operaciones subsiguientes, ya sean bombeo, filtración, acondicionamiento, etc. Otra función que se toma cada vez más importante es la preocupación ambiental, y permitir la recuperación y recirculación total o por lo menos de parte del agua del proceso.

En algunos casos especiales, como en la cianuración de oro, lixiviación de minerales de cobre y de uranio, y en la industria del aluminio, los espesadores son utilizados como reactores químicos, los cuales retienen el mineral durante el tiempo necesario para que las reacciones químicas ocurran y se separe la fase sólida de la solución.

Por otro lado, nunca un espesador debe ser usado para acumular material en su interior. Esto siempre llevará a problemas operacionales y de detenciones para limpieza inevitable, con pérdida de tiempo, de material y de producción.

Los dispositivos más simples y antiguos que se utilizan para el espesamiento de sólidos son los tanques de asentamiento por lotes. Tienen tamaños limitados debido a las dificultades para retirar sólidos de los tanques mayores. En consecuencia, se considera en general que las unidades de asentamiento por lotes tienen costos operacionales demasiado grandes, debido a las necesidades elevadas de mano de obra para manejar un flujo de alimentación de tamaño razonable. Se han utilizado conos de asentamiento con un ángulo de ápice de 45 a 60º, para facilitar el retiro de sólidos del flujo inferior.

La pendiente del ángulo del cono limita el diámetro de la unidad y, por tanto, la capacidad de la unidad desde un punto de vista práctico. En consecuencia, se suelen aplicar espesadores continuos en las operaciones habituales.



Los espesadores pueden ser diseñados de diversos diámetros y alturas. Por ejemplo, en la Tabla 2.1 se indican algunos espesadores típicos Dorr - Oliver utilizados en la industria minera.

Tabla 2.1. Espesadores Dorr - Oliver convencionales.

Altura

Pies Metros pie2 metro2 pies metros

3 - 4 0.91 - 1.22 7.07 - 12.57 0.66 - 1.17 3 0.91

5 1.52 19.63 1.82 4 1.22

6 1.82 28.27 2.63 5 1.52

8 2.44 50.27 4.67 6 1.82

10 3.05 78.54 7.3 7 2.13

12 - 18 3.66 - 5.49 113.1 - 254.5 10.5 - 23.6 8 2.44

20 - 55 6.10 - 16.76 413.2 - 2375.8 29.2 - 220.7 10 3.05

60 – 100 18.29 - 30.48 2827.4 - 7854.0 262.7 - 729.7 12 3.66

125 - 150 38.10 - 45.72 12279.8 - 17671.5 1140.1 - 1641.7 15 4.57

150 - 300 45.72 - 91.44 12671.5 - 70685.8 1641.7 - 6566.9 23 7.01

300 - 400 91.44 - 121.92 70685.9 - 125663.2 6566.9 - 11674.5 40 12.19

2.2. FUNCIONAMIENTO DE UN ESPESADOR

A medida que entra el flujo de alimentación en el espesador, los sólidos van decantando hacia el fondo. El agua clara rebosa por la parte superior y los sólidos son evacuados por la descarga inferior. La Figura 2.1 muestra un corte esquemático en el que se ilustra la operación de un espesador continuo:

i. La zona A que es el agua de rebose limpio, esta libre de sólidos en la mayoría de las aplicaciones.

ii. La zona B consta de una pulpa de consistencia poco uniforme cuya concentración se aproxima a la de alimentación.

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iii. La zona C es un estado intermedio en el cual la pulpa está en una condición transitoria entre sedimentación por caída libre y compresión.

iv. La zona D muestra la pulpa en compresión, produciéndose un desplazamiento del agua por compresión de los sólidos que fuerzan al líquido a salir de sus intersticios.

En la práctica las características que distinguen las zonas A, B, C y D no son muy específicas aparte del aumento en concentración de sólidos y la descripción resulta más académica que real.

La Figura 2.2. presenta una ilustración de lo que realmente ocurre en un espesador continuo. La pulpa alimentada se diluye a la entrada por el cuello central y sale del cuello como una suspensión diluida en la cual los sólidos sedimentan, más bien a partir de una zona que una línea determinada. Las partículas se van aglomerando sobre la superficie de la pulpa espesada y continúan concentrándose en esta zona hasta llegar a la densidad de descarga.

Figura 2.2. Sección de un espesador continuo mostrando el efecto de sedimentación.

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El concepto básico de un espesador continuo de gravedad consiste en:

• un estanque

Los estanques son normalmente cilíndricos; las unidades más pequeñas se construyen en acero o madera las más grandes (mayor a 30 m) se hacen de concreto. La selección del material adecuado se suele basar en el costo, la disponibilidad, la topografía y condiciones del terreno, etc. La base del tanque es un cono de poca profundidad que sirve para facilitar la extracción de los lodos en su ápice, y que generalmente se construye del mismo material que las paredes, aunque los espesadores grandes de hormigón pueden tener una base de tierra. La pendiente de la base es típicamente de 80 a 140 mm/m, pero pueden usarse pendientes mayores (hasta de 45º) cerca del centro de los espesadores muy grandes, o para el “asentamiento” de pulpas en espesadores muy pequeños en los que la altura no representa gran problema.

• un medio para introducir la alimentación con un mínimo de turbulencia

En los espesadores convencionales el tambor de alimentación cilíndrico conduce aproximadamente 1 m3/min x m2. Una de sus funciones principales es la de actuar como mampara para absorber la energía de la corriente de alimentación, y para este fin es a menudo algo más que un simple cilindro, es llamado feedwell y es un dispositivo que divide el flujo de pulpa alimentada en diversos flujos en direcciones opuestas, para evitar la turbulencia que se produce con el ingreso de pulpa. Con esto la alimentación entra suavemente al espesador, permitiendo la suave sedimentación de partículas.

La otra función del tambor de alimentación es permitir, cuando sea necesaria, la floculación. Aunque a veces es posible hacer esto dotando al tambor con suficiente tiempo de retención. Un procedimiento más eficaz es proveer alguna forma de retromezclado. Esto puede lograrse con una pared del tambor perforadas, de manera que los gradientes de densidad en el tambor proporcionen una acción agitadora; o bien, instalando un dispositivo agitador en el tambor. Los espesadores alimentados por manto de lodos entregan la alimentación (con floculante) abajo del nivel de los lodos. Esto se hace ya sea con un tambor profundo de alimentación, o alimentando desde el fondo.

Estos métodos tienden a fluidizar el lodo en esta zona y, debido a la alta concentración de sólidos, a intensificar la floculación y proporcionar un efecto filtrante. La técnica es parcialmente benéfica en cuanto a que es normalmente una operación



clarificadora, ya que el proceso de sedimentación se convierte entonces en uno de espesamiento, y se reduce el área necesaria por factores de 2 a 10.

• Una unidad propulsora y dispositivo elevador

La propulsión es el componente clave de una unidad de espesamiento. El montaje propulsor proporciona:

i. la fuerza para desplazar los sólidos asentados al punto de descarga,

ii. un soporte para el mecanismo que permite que gire,

iii. una capacidad adecuada de reserva para soportar las sobrecargas menores, y

iv. un control seguro que proteje al mecanismo contra los daños, cuando se producen sobrecargas importantes.

Normalmente se usa un dispositivo elevador junto con la transmisión, para impedir que el mecanismo se enfrente a una resistencia anormal, debido a:

♦ los aumentos de la densidad de sólidos en la alimentación

♦ las cantidades excesivas de sólidos de tamaños demasiado grandes

♦ el desprendimiento de sólidos de los lados del tanque o del brazo del mecanismo

♦ otras obstrucciones para el paso de los miembros rastrilladores.

Después que se elevan los brazos de rastrillo, se pueden bajar gradualmente para "arar" suavemente la obstrucción y retirarla del estanque. No solamente se protege el mecanismo contra los posibles daños, sino que se impide también la detención del equipo, que resulta costosa, y se mantiene el drenaje del tanque.

• un mecanismo de rastrillo propulsado para mover los sólidos asentados hasta un punto de descarga

El objetivo principal del mecanismo de rastrillo es desplazar los sólidos asentados hacia el punto de descarga y, al hacerlo, espesa los lodos, creando trayectorias en la zona de compresión que permite romper los flóculos y que escapen los líquidos atrapados. El mecanismo se debe diseñar para cada aplicación específica. En general, las unidades de espesamiento de soporte de puente y columna central utilizan dos brazos largos con opciones para dos brazos cortos. Las unidades de tracción emplean un brazo largo y tres cortos.

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En la Figura 2.3 se ilustra el diseño tradicional del brazo y dos modificaciones. El diseño tradicional se emplea en general para las unidades de soporte de puente. La extensión de las aspas por debajo del caballete mismo del brazo de rastrillo, sobre postes verticales, proporciona un mayor margen para el paso de líquidos a través de los sólidos que los diseños tradicionales. En otro diseño, Figura 2.4., el uso de cables para desplazar las aspas reduce el volumen del mecanismo.

Con frecuencia en el fondo de las aspas, cuando el material que se maneja tiende a compactarse y endurecerse, se usan muescas o dientes. Estos cortan los sólidos compactados y aflojan el material, para que las aspas puedan realizar su función normal de rastrilleo.

La velocidad de rastrilleo, definida como la velocidad periférica o de la punta del brazo, varía con el tipo de material que se maneja. Por lo común se encuentra en el intervalo de 20 a 25 pies/min para los materiales de sedimentación más rápida y de hasta 50 pies/min para los materiales cristalinos y los concentrados.

Figura 2.3. Diseños de mecanismos de rastrillo que se emplean para servicios específicos.

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En resumen, los rastrillos cumplen con las siguientes funciones: - aumentar la densidad de la pulpa - desprender bolsas de aire y agua atrapadas en la pulpa - comprimir las partículas sólidas unas sobre otras, de modo de ocupar el mínimo de

volumen - mantener los sólidos depositados en suspensión, evitando el estancamiento del

espesador.

La suma de todos estos efectos contribuye a aumentar el porcentaje de sólidos que son retirados por el underflow y así también facilitar su operación.

Figura 2.4. Diseño de brazo de cable.

Se utilizan diversos métodos para minimizar o hacer uniforme la carga que obra sobre el mecanismo de impulsión. La carga de arrastre normal puede minimizarse manteniendo los miembros estructurales de los brazos arriba de la zona de lodos, y las aspas de los rastrillos suspendidas de los brazos. Aun así, es deseable contar con algún mecanismo para cuidar de las cargas excesivas debidas a acumulación de lodos en el

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tanque. El método más común consiste en dotar al espesador de un mecanismo (de preferencia automático) que levante todo el conjunto de los rastrillos al aumentar la carga. Un procedimiento alternativo consiste en articular brazos en el eje central de manera que puedan montarse sobre las obstrucciones. Además de proporcionarle protección contra sobrecarga, estos mecanismos de seguridad permiten que el espesador pueda almacenar lodos en exceso, proveyendo al circuito de capacidad para fluctuaciones.

• un medio para eliminar el agua clara

La operación eficiente de un espesador requiere también controlar la velocidad del líquido al vertedero de rebalse. En los clarificadores debe restringirse a 0.2 m3/mm x m; los espesadores metalúrgicos normalmente trabajan a 0.1 m3/mm x m. Si hay posibilidad de que los regímenes de flujo sean mayores de esto, pueden colocarse vertederos adicionales dentro del área del tanque. Cuando los gastos son muy bajos, pueden utilizarse ranuras. Las ranuras profundas tienen la ventaja de que puede mantenerse flujos constantes aún habiendo vientos superficiales fuertes.

• un medio para retirar los sólidos espesados

La pulpa espesada es retirada por un cilindro central en el fondo del estanque, ya sea utilizando una bomba de velocidad variable o utilizando la fuerza de gravedad. En este último caso, el flujo de descarga se regula cambiando la abertura de la descarga mediante la sustitución de anillos de goma de diversos diámetros.

2.3. TIPOS DE ESPESADORES

Hay cuatro tipos básicos de espesadores circulares que difieren principalmente en el método de soporte y propulsión de los mecanismos. Estos son:

1. con mecanismo de soporte de puente,

2. con mecanismo de soporte de columna central con propulsión central,

3. con mecanismo de soporte de columna central con el brazo propulsor en la periferia del tanque, denominado comúnmente espesador de tracción y

4. el tipo de bandeja que es, en realidad, una variación del primero, con varios compartimentos, uno sobre otro y un mecanismo común de propulsión.

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2.3.1. Espesadores de Soporte de Puente

En este tipo de espesadores, el mecanismo de los rastrillos está soportado por una estructura situada de un lado al otro del tanque, el cual proporciona también soporte al sistema de descarga de la alimentación, y lleva un pasillo o andador.

Los espesadores de soporte de puente son comunes en diámetros de hasta 100 pies, aun cuando se han construido unidades especiales de hasta 150 pies. En la Figura 2.5 se muestra una unidad típica. La propulsión consiste en un gusano o un engranaje cilíndrico, montado normalmente sobre cojinetes de precisión e impulsado por un motor, mediante una transmisión de una o más reducciones de engranaje. Un eje vertical de transmisión se fija al engranaje principal. Normalmente, se sujetan dos brazos de rastrillo al eje central mediante estrellas de acero. Los brazos largos tienen suficientes aspas para raspar el fondo dos veces por revolución y, cuando es conveniente, dos brazos cortos adicionales para rastrillar el área interna cuatro veces por revolución, con el fin de retirar las grandes cantidades de partículas gruesas que se asientan cerca del centro. Los raspadores cónicos atornillados al eje central impiden que se atasque el cono de descarga del fondo. El puente que cubre el espacio del estanque puede ser de la forma de viga o caballete. El puente soporta el mecanismo espesador, la pasarela y la artesa o tubería de alimentación. Las unidades están equipadas por lo común con un dispositivo elevador para aliviar las cargas anormales.

Figura 2.5. Esquema de un espesador unitario con mecanismo de puente.

El mecanismo espesador de mecanismo de puente ofrece las siguientes ventajas sobre un espesador de soporte de columna central:

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a. capacidad para transferir cargas a la periferia del tanque

b. capacidad para dar una concentración más densa y consistente de flujo interior con el punto simple de extracción

c. un mecanismo menos complicado de elevación

d. menos estructuras sujetas a la acumulación de lodos, y

e. acceso a la transmisión desde los dos extremos del puente.

El último punto suele ser importante en un circuito de decantación continua en contracorriente, donde las unidades están en fila y las tuberías se pueden llevar de un tanque a otro en esa línea.

2.3.2. Espesadores de Soporte de Columna Central

Los espesadores de soporte de columna central suelen tener diámetros mayores a 75 pies; aun cuando, en casos especiales, pueden ser menores. El mecanismo lo soporta una columna central estacionaria de concreto o acero. Los brazos rastrilladores se fijan en una jaula impulsora que gira en torno a la columna central. Existen dispositivos elevadores que levantan los brazos del rastrillo de 12 a 36 pulgadas.

2.3.3. Espesadores de Tracción

El espesador de tracción, a diferencia de las unidades de puente y de soporte de columna central (que tienen transmisiones situadas en el centro) utiliza un carro motorizado que va sobre la pared del estanque. Un caballete de transmisión, que se extiende desde la jaula giratoria central al carro de la periferia, sirve como brazo largo de rastrillo. Uno o más brazos cortos rastrillan también el área central. Las aspas fijas a los brazos rastrillan los sólidos asentados hacia la zanja anular de descarga de barros situada en torno a la columna central. Se suministra energía eléctrica al carro móvil mediante anillos de deslizamiento conectados a la columna central, con contactos mediante escobillas colocadas en el caballete. Si se produce una sobrecarga, el carro pierde velocidad, suena una alarma y se deposita automáticamente arena ante las ruedas propulsoras, para evitar los deslizamientos. El espesador de tracción es más adaptable a los tanques de 200 pies de diámetro. El costo instalado de este espesador puede ser superior al de la unidad de soporte de columna central, sobre todo en las condiciones de suelos pobres, debido a la



fuerte pared de concreto que se requiere para sostener los rieles. El espesador de mecanismo de tracción tiene varias desventajas:

i. no se puede utilizar ningún dispositivo práctico de elevación

ii. el funcionamiento puede ser difícil en los climas en que la nieve y el hielo son comunes

iii. el esfuerzo del motor se debe transmitir de la periferia del estanque hacia adentro, donde se producen las condiciones más fuerte de rastrilleo.

2.3.4. Espesadores no Convencionales

- Espesadores de flujo laminar

Los espesadores de flujo laminar se diseñaron para reducir los espacios que requieren los espesadores convencionales. Un módulo de flujo laminar de 5.5 m x 3.7 m x 5.2 m puede contener hasta 230 m2 de área de sedimentación equivalente a un espesador convencional de 17 m. Se componen de conjuntos de placas paralelas inclinadas ubicados en el área de asentamiento. Esto da como resultado distancias de asentamiento muy cortas (menores que la distancia vertical entre las placas), y el área efectiva de asentamiento es la superficie proyectada verticalmente de todas las placas.

La inclinación de las placas es un parámetro importante, en cuanto a que debe asegurar un flujo uniforme del sólido asentado hacia abajo de las placas y hasta la descarga. En algunos casos pueden usarse vibradores para asegurarse de que esto ocurra.

- Espesadores de cono profundo

El espesador de cono profundo utiliza niveles de floculante relativamente altos (del orden de 200 g/tm). Esto, junto con la compresión hacia el fondo del cono permite que haya una descarga inferior de naturaleza plástica, que puede manejarse por medio de un transportador. El recipiente de 4 metros de diámetro tiene una capacidad de alrededor de 80 a 110 m3/h, y da lugar a un producto con 60 a 70% de sólidos en volumen.



- Espesadores de bandeja

Un espesador de bandeja equilibrada consiste en un tanque dividido verticalmente en compartimentos, de acero, con la misma alimentación dividida uniformemente entre todos y cada uno de los compartimentos. Cada bandeja se inclina hacia el centro del tanque y la pulpa espesada se retira hacia el centro de cada compartimento mediante rastrillos paralelos a las bandejas.

Una bota central se extiende hacia abajo desde cada bandeja hasta el compartimento que sigue. Rodeando a cada bota hay un cilindro de acero fijo a los brazos de rastrillo, y se extiende ligeramente por encima del fondo de la bota, para proporcionar un sello parcial. Los sólidos espesados descienden, debido a la gravedad, a través de las botas y los cilindros, hasta el compartimento del fondo, de donde se retiran.

La alimentación para el espesador entra primeramente a una caja divisora de alimentación en la parte superior del tanque, que divide el flujo uniformemente entre los compartimentos. Un faldón de acero que rodea a cada bota central y soldado al fondo de la bandeja, forma una artesa poco profunda de alimentación. El agua clara desborda del compartimento superior a una artesa periférica común. El desbordamiento de cada compartimento inferior sale por uno o más orificios periféricos situados inmediatamente por debajo de la bandeja superior. Las tuberías de derrame terminan en una caja de derrame en la parte superior de un tanque.

La sobreelevación se define como la distancia del nivel de líquido en el compartimento superior al nivel en la tubería de derrame. Es mayor para el compartimento del fondo, debido a la elevada columna de sólidos en el centro, que es preciso igualar.

Se encuentran variaciones de este diseño básico en:

♦ espesador de bandeja del tipo de lavado, en que las bandejas están en serie, en lugar de en paralelo

♦ espesador de bandejas de combinación, que consiste en diseños balanceados y de lavado

♦ espesador de bandejas con diseño de retiro de flujo de fondo periférico.

En todos esos diseños se usan bandejas para separar los compartimientos unos

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de otros y un mecanismo común de propulsión. En general, todos comparten la misma desventaja, puesto que requieren mayor atención del operario para lograr el control que cualquier otra unidad. Por lo común, los espesadores de bandeja tienen concentraciones menores en la sección inferior que los tipos unitarios y, por esta razón, no se usan normalmente en circuitos decantadores continuos a contracorriente. Además, el diámetro de un espesador de bandeja se limita, por lo común, a un máximo de 70 pies; de otro modo, la carga soportada por las bandejas autosostenidas se hace excesiva para los esfuerzos razonables de diseño.

2.4. OPERACIÓN DE UN ESPESADOR

El funcionamiento adecuado de un espesador requiere el conocimiento y control de las variables que afectan la operación. Estas se pueden agrupar, en diferentes categorías desde el punto de vista del control del proceso, y se muestran a continuación, Figura 2.6.

Figura 2.6. Clasificación de variables de operación de un espesador.

Las variables indicadas son:

A : Flujo másico de sólidos en la alimentación

ΦA : Concentración de sólidos en la alimentación

D : Flujo másico de sólidos en la descarga

ΦD : Concentración de sólidos en la descarga

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a : Profundidad de agua clara

QD : Flujo volumétrico de pulpa en la descarga

qfl : Flujo de floculante

Cs : Características del sólido (densidad, dureza, forma)

FA : Distribución de tamaños en la alimentación

h : Altura de pulpa del espesador

La operación de un espesador consiste en conseguir para un determinado tonelaje de alimentación, un estado estacionario con una concentración de descarga y profundidad de aguas claras prefijadas.

La profundidad de aguas claras es independiente de las variables de entrada y es afectada solamente por la distribución granulométrica de la alimentación, siempre que el espesador esté trabajando dentro de su rango de capacidad. Mientras más finos sean los sólidos de alimentación se precisará mayor cantidad de floculante para mantener limpia el agua de rebalse. Como la distribución granulométrica de alimentación al espesador es una perturbación, el control en la adición de floculante, qfl, se efectúa directamente con la medición de la profundidad de aguas claras, a.

Cuando, debido a cambios en las características del sólido o a variaciones en el tonelaje de la alimentación, la concentración de descarga comienza a cambiar, es posible volver al valor original establecido, controlando el flujo de descarga QD. Esto se consigue mediante una bomba de velocidad variable o, cuando la descarga es por gravedad, cambiando la abertura de la descarga mediante la sustitución de anillos de goma de diversos diámetros. El nuevo estado estacionario se obtendrá a una nueva altura h de la pulpa.

2.5. ESPESADORES DE ALTA CAPACIDAD

Los espesadores de alta capacidad o también llamados de alta velocidad, constituyen una innovación tecnológica en el desarrollo de los sistemas de separación sólido - líquido. Como equipo propiamente tal, es lo mejor que se ha aplicado a la sedimentación o espesamiento de partículas en suspensión.



El objetivo de un espesador de alta capacidad es lograr una mayor homogenización entre el reactivo floculante y la pulpa a espesar, por lo cual el sistema de alimentación (feedwell) a este tipo de espesadores es distinto al de los convencionales.

La diferencia más relevante entre los espesadores convencionales y los de alta capacidad, que en los últimos se requiere de una menor área unitaria de espesamiento en comparación con las instalaciones convencionales, para tratar un determinado tonelaje de pulpa. Esto último es ventajoso desde el punto de vista de espacio debido que al requerirse menor área unitaria menor será el diámetro de los espesadores a usar. Valores que fluctúan en 5 a 10 pies2/t corta/día en instalaciones convencionales son reducidos a áreas tan bajas como 0.3 a 0.6 pies2/t corta/día.

Los espesadores de alta capacidad en comparación con los convencionales, exhiben un aumento en la velocidad de sedimentación de las partículas, lo que se logra con cantidades moderadas de floculante, generalmente 2 a 4 ppm, requieren una menor área unitaria de espesamiento, menor espacio físico de instalación y menor tiempo de residencia de las partículas en el equipo; lo que se refleja en un aumento en la capacidad de tratamiento de sólidos en cifras del orden de un 60 a 70%.

En estos espesadores la floculación se logra directamente en el feedwell, por lo que el diseño de estos equipos contempla la implementación de cámaras mezcladoras en su interior. Estas cámaras permiten la buena homogenización del floculante con la pulpa, logrando con ello la perfecta dispersión del reactivo floculante dentro de la corriente de alimentación y el crecimiento progresivo del flóculo. Este efecto se traduce en una reducción de la cantidad de floculante requerido.

La operación normal de un espesador de alta capacidad comprende mantener el nivel de la capa sedimentada por sobre la salida del feedwell, por lo tanto la longitud del feedwell es mayor en comparación con la de un modelo convencional. Esto se manifiesta en un efecto de filtro de arena que impide que partículas de menor peso, que no fueron floculadas, sean llevadas hacia el sobre flujo por acción de las fuerzas de impulso. Para mantener la capa sedimentada a una determinada altura, es necesario que estos equipos cuenten con sistemas de control automático.

En algunos casos, la pulpa de alimentación, antes de entrar al feedwell, es desaireada a fin de remover el aire contenido, debido a que se perjudica la claridad del sobreflujo por efecto de la flotación de partículas finas.

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2.5.1. Modelos de Espesadores de Alta Capacidad

En los últimos años han sido puestos en el mercado de procesamiento de minerales, por empresas especializadas en el estudio de las separaciones sólido - líquido, los equipos conocidos como de espesadores de alta capacidad o alta velocidad. A continuación se revisan algunos modelos de estos espesadores. La Figura 2.7 muestra un esquema de este tipo de equipos.

Figura 2.7. Esquema de un espesador de alta capacidad.

- Espesador Enviro-Clear

La Amstar Corporation a través de su subsidiaria ofrece el espesador Enviro-Clear, el cual fue usado por primera vez en el procesamiento de remolacha, carbón y en la industria del uranio. Consiste en un conducto de alimentación con forma de cono invertido que termina en el feedwell. La pulpa alimentada es desviada en forma descendente por el feedwell hacia planchas de choque adquiriendo la pulpa una trayectoria horizontal.

La operación consiste en mantener un nivel de capa sedimentada constante, por medio de detectores de niveles. La pulpa floculada es dirigida dentro del lecho y los flóculos que son formados por efecto de la adición de polímeros orgánicos, ganan en masa por atrapamiento de material sólido y a un cierto tamaño crítico sedimentan a través del

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lecho compactado. Finalmente son removidos por acción de las rastras hacia el cono de descarga, mientras que la solución emigra en forma ascendente y se esparce en el sobre flujo.

- Espesador de alta capacidad Eimco

Envirotech Corporation, División Eimco PEC pone en el mercado el espesador de alta capacidad Eimco Hi que se ve en la Figura 2.8.

Estos aparatos están equipados con un modelo de feedwell que contempla el diseño de cámaras mezcladoras en su interior. La adición del floculante se realiza en forma parcializada en las diferentes cámaras dispuestas en el feedwell, y la óptima floculación se logra por medio de una adecuada homogenización del floculante con la pulpa. Para tal efecto cuentan con mezcladores mecánicos de velocidad variable y controlada. Una excesiva agitación produce el quiebre del polímero y consecuentemente una ineficiente operación de espesamiento.

Figura 2.8. Espesador Eimco Hi de alta capacidad. Principio de operación.

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Durante la operación, la alimentación entra en una etapa de cámara de mezcla donde el floculante es añadido y rápidamente dispersado por la mezclador escalonada, Figura 2.8. La acción de mezcla escalonada mejora el espesado porque hace una utilización más eficiente del floculante.

Después de la mezcla, la alimentación es inyectada dentro de la masa de pulpa donde los sólidos alimentados son aún más floculados por medio del contacto con el material anteriormente floculado, y el contacto directo entre el agua que sube y la sedimentación de los sólidos. Los brazos del rastrillo sirven para la misma finalidad que en los espesadores convencionales, y dirigen los sólidos sedimentados hacia el cono de descarga, desde donde son bombeados fuera del espesador.

El sistema de control más simple que posee este tipo de espesador es el mostrado en la Figura 2.9, el cual automáticamente monitoriza y mantiene el nivel de pulpa a un nivel prefijado por medio de controles de nivel del tipo sonoro.

Figura 2.9. Control simple de nivel de pulpa en espesador Eimco Hi.

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- Espesador de alta capacidad Dorr-Oliver

Dorr-Oliver 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 feddwell, 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, que se muestra en la Figura 2.10, 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.

Figura 2.10. Diseño Fitch Feedwell de un espesador de alta capacidad Dorr Oliver.

Los espesadores de alta capacidad tienen un amplio campo de operaciones, pero no se pretende que reemplacen a todos los espesadores convencionales. Algunas pulpas tienen solamente una baja respuesta a la floculación, o, simplemente, requieren una tal cantidad de reactivos que harían el intento antieconómico. Otras pulpas espesan tan lentamente que requieren un gran volumen de compresión para obtener una máxima concentración en la salida inferior.

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apunte espesamiento

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