procesos metalurgicos unidad ii

CURSO: PROCESOS METALÚRGICOSTEMA: CLASIFICACIÓN INDIRECTA SEPARACIÓN SOLIDO LIQUIDO

POR : E D UAR DO R OJAS

Instituto Profesional Los LeonesDepartamento de Minería y Geología

Técnico en Minería

Clasificación Indirecta, Separación Solido Liquido

Sedimentación Libre

Sedimentación Obstaculizada

Equipos de Clasificación hidráulica y neumática

Espesamiento, clasificación, floculación y filtrado. Equipos y circuitos

Separación Sólido-Líquido

Los métodos mas utilizados para procesar minerales requieren que el mineral se encuentre mezclado con agua.

Tanto el concentrado que va hacia la etapa de fundición o el que se vende como producto tal, interesa que contenga una cantidad mínima de agua para reducir los costos de combustible y el de transporte respectivamente, además de poder aprovechar mejor el agua recuperada

Por lo cual, una vez obtenido el producto (concentrado, relave o residuo en general) es necesario separar los sólidos del fluido.

Separación Sólido - Líquido

Sedimentación Es una operación de separación de fases fluido-sólido en la que

las partículas sólidas se separan del fluido debido a que por su mayor densidad, tienden a sedimentar debido a la gravedad. El fluido puede ser un líquido o gas.

Cuando el sólido queda suspendido por el movimiento del fluido se da el fenómeno de fluidización.

Usos Clarificación: Obtener una fase líquida clara, sin sólidos en

suspensión (por ejemplo: tratamiento de aguas)

Espesamiento: Obtener una pulpa de densidad adecuada para alguna operación subsiguiente (por ejemplo: pulpa para filtrado)

Sedimentación

Variables: Tamaño de partícula Densidad de la partículas Forma de las partículas Propiedades superficiales

Otros fenómenos Sedimentación impedida Coagulación Floculación Dispersión

Separación Sólido -Líquido

Sistema de Dispersión Son sistemas multifásicos, compuestos de dos o

tres fases Una fase continua (medio dispersante) Una o dos fases discontinuas (fases dispersas)

Clasificación según el tamaño de partícula Suspensiones, partículas mayores que 1 micron Coloides, desde 1 micron a 10 angstrom

Las pulpas tienen características de suspensiones y coloides a la vez


Estabilidad de las Dispersiones Se define como la capacidad de un sistema de mantener en

el tiempo una concentración uniforme a través de todo el volumen sin necesidad de agitación mecánica externa.

Cuando el sistema no es estable, se separan ambas fases por sedimentación de la fase sólida debido a la fuerza de gravedad.

Una suspensión es un sistema naturalmente inestable.

La velocidad de separación de ambas fases está determinada por la propiedades físicas de ambas fases y la concentración de la fase sólida


Estabilidad de las Dispersiones A medida que la partícula es más pequeña, menor es

el efecto de la fuerza de gravedad.

A este nivel, son significativos factores tales como las fuerzas de atracción y repulsión entre las partículas.

Si predominan las fuerzas de repulsión, el sistema se mantiene estable

En caso contrario, las partículas sedimentan solas o forman agregados.


Coagulación y Floculación Para el espesamiento de pulpas, se hace necesario disminuir

la estabilidad de las dispersiones.

Esto permite favorecer la formación de agregados multipartículas con velocidades de sedimentación superiores a la de una partícula normal.

Se hace necesario reducir la barrera energética, disminuyendo el potencial superficial.

Posibilidades: Adsorción superficial de iones Condensación de la doble capa


Condensación de la doble capa La disminución del perfil del potencial permite reducir la barrera

energética con lo que se favorece la formación de agregados de partículas.

Cuando se induce la desestabilización de una dispersión mediante adsorción superficial de iones o por compresión de la doble capa, el fenómeno se denomina coagulación.

Mecanismos de coagulación de partículas coloidales


El agua pasa a través de tuberías, a un tanque o cámara de mezcla donde se agita y se combina con un producto que neutralice y desestabilice los coloides

Este proceso dura fracciones de segundo y requiere de una fuerte agitación, que permita una rápida difusión del producto químico compuesto de Sulfato de Aluminio y Cloruro Férrico


Floculación La floculación es otra forma de producir agregados de

partículas

El agregado de partículas se produce como consecuencia de la adición de compuestos orgánicos de cadena larga (polielectrolitos)

Estos compuestos se adsorben sobre la superficie

Separación Solido -Líquido

Mecanismos de Floculación Si la cadena es

corta, el reactivo produce hidrofobización de las superficies

Si la cadena es larga con múltiples grupos polares, cada molécula se adsorbe sobre varias partículas.


La agitación homogénea y lenta del agua y el químico hace que las partículas de turbiedad se unan a las otras para formar un flóculo.

Una vez que el agua ha sido coagulada y floculada, el siguiente proceso consiste en separar los más densos.

Esta sedimentación se lleva a cabo en los decantadores, ya sean de forma circular o rectangular.

En estos procesos, el agua elimina cerca del 70% de sus impurezas biológicas e inorgánicas.


Velocidad de Sedimentación La velocidad de separación o velocidad de

sedimentación está determinada por las propiedades del sólido, del líquido o de la mezcla.

Propiedades del sólido Densidad Forma Rugosidad superficial Condición eléctrica de su superficie Distribución granulométrica


Velocidad de Sedimentación

Propiedades de la fase Líquida Densidad Viscosidad Naturaleza molecular Substancias disueltas

Propiedades de la mezcla Concentración de sólidos Viscosidad de la mezcla


Velocidad de Sedimentación

Las zonas de sedimentación y la del líquido claro crecen a expensas de las zona de concentración uniforme hasta que desaparece (punto crítico).

Hasta este punto, las partículas sedimentan libremente, chocando eventualmente debido a la concentración

Después del punto crítico, las partículas descansan una sobre otra produciéndose una compresión final.

Esto ocurre debido al peso de la columna hidrostática.


Velocidad de Sedimentación La única interfase nítida es la existente entre el agua clara y la

pulpa.

La variación de esta altura respecto del tiempo se utiliza para caracterizar la sedimentación batch.

La velocidad de desplazamiento se calcula mediante la pendiente de la curva.

La curva presenta tres zonas típicas: Recta al principio, en que la velocidad de la interfase es constante Tramo curvo, cuando desaparece la zona de concentración constante Asintótica, después del punto crítico


Tipo I (Sedimentación Discreta) Ocurre en

suspensiones diluidas, las partículas tienen muy poca interacción con otras mientras sedimentan

Las partículas sedimentan de acuerdo a la Ley de Stocks

El parámetro de diseño es: Tasa de flujo

superficial “overflow” (Q/As)

Tipo II (Sedimentación Floculante) Las partículas

floculan conforme sedimentan

La velocidad de los flóculos se incrementan con el tiempo

Parámetros de diseño: Tasa de flujo

superficial Profundidad del

tanque, o Tiempo de retención

hidráulico


La teoría básica del flujo de sólidos a través de fluidos se basa en el concepto de cuerpos con movimiento libre

Donde: F: es la fuerza resultante sobre cualquier cuerpo : es la aceleración del cuerpo m: es la masa del cuerpo


Las fuerzas que actúan sobre cualquier cuerpo que está cayendo

son: : Ley de Newton : Fuerza de arrastre : Fuerza de flotación

(Principio de Arquimides)Por lo tanto la fuerza

resultante es:


Reemplazando FE, FD y FB, y además considerando que: La fuerza externa es la gravedad, por lo que aE es

igual a la aceleración de gravedad (g). Consideramos partículas esféricas, por lo que:

El área proyectada perpendicular al flujo es: La masa es:

Obtenemos:


Velocidad Terminal La velocidad terminal de una partícula en un proceso

de sedimentación es la velocidad a la cual se alcanza el equilibrio de fuerzas sobre una partícula

A la velocidad terminal, ; por consiguiente,

Re-arreglando términos,

Para flujo laminar, turbulento o de transición


Ley de Stokes (Régimen laminar)

Régimen de Transición

Ley de Newton (Régimen turbulento)

Donde

Re ≤ 0,1

Re ≥ 1,0

CD es también una función de la velocidad, por lo que resulta una ecuación con dos incógnitas. Una técnica para la solución simultanea es utilizar la ecuación:

Expresando el numero de Reynolds en función de la velocidad terminal en forma logarítmica

Eliminando vt entre ambas ecuaciones resulta

Nota: Se traza una línea recta con pendiente -2 que pase por el punto:

La intersección de la línea recta con la curva de la esfericidad deseada nos da el numero de Reynolds terminal de donde se puede calcular vt

Separación Sólido - Liquido

También se puede derivar una expresión en la cual no aparece el tamaño de partícula:

El tamaño de una partícula que tiene una velocidad terminal fija, puede determinarse de la grafica. Su intersección con la curva apropiada de esfericidad, da el numero de Reynolds terminal, a partir del cual puede calcularse Dp

Esfericidad = área superficial de una esfera equivalente de una partícula

Esfera equivalente = esfera del mismo volumen de una partícula

La desviación de la esfera no importa en la región de la Ley de Stocks como sucede en el región de la Ley de Newton

Las partículas caen con su área más pequeña señalando hacia abajo en la región de la Ley de Stocks

La superficie más grande señala hacia abajo en la región de la Ley de Newton


Calcular la velocidad terminal (vt) para gotas de lluvia de 0.5 mm de diámetro que caen a través del aire a 20 °C.

Datos: aire=1,206 kgm-3

aire=2*10-5Nsm-2

agua=1.000kgm-3

g=9,8ms-2

Formulas

El numero de Reynolds de una partícula es:


Sedimentación libre. Es cuando el movimiento de las fases es debido

solamente al efecto de las fuerzas de gravedad, flotación y resistencia sobre el sistema.

En términos generales la sedimentación es considerada libre cuando: El diámetro de las partículas es 200 veces menor al del

recipiente en que están sedimentando La concentración de partículas es menor al 0,2%

Se aplican las funciones antes estudiadas

Separación Sólido – Líquido

Sedimentación Obstaculizada o frenada Es cuando el movimiento de las fases es debido al efecto de las

fuerzas de gravedad, flotación y resistencia sobre el sistema y a la concentración y/o tamaño de las partículas sedimentando.

Por consiguiente, cuando: El diámetro de las partículas es mayor a 200 veces el diámetro del

recipiente en que están sedimentando se considera que la sedimentación es frenada por Efecto Pared.

La concentración de partículas es mayor al 0.2% se considera que la sedimentación es frenada por Concentración de Partículas.

Se puede derivar un factor de corrección (R) que incorpore los efectos de viscosidad para una suspensión dada, permitiendo el uso de una ecuación más conveniente

Donde vH es la velocidad terminal para la sedimentación obstaculizada

Clasificación Indirecta

Se entiende por «clasificación indirecta de partículas» a la clasificación por tamaños que se realiza por medio de características físicas de las partículas asociadas al tamaño, por ejemplo la densidad o peso especifico.

Los principales equipos utilizados para clasificación de minerales de forma indirecta son los hidrociclones.


Los HIDROCICLONES conocidos también por ciclones, forman una clase importante de equipos destinados principalmente a la separación de suspensiones sólido – líquido. La primera patente del HIDROCICLÓN data de 1891, sin embargo, su utilización industrial recién tuvo inicio después de la segunda guerra mundial en la industria de procesamiento de minerales. Desde entonces, vienen siendo usados industrialmente, de manera diversificada en las industrias química, metalúrgica, petroquímica, textil, y otros.

El HIDROCICLÓN consiste de una parte cónica seguida por una cámara cilíndrica, en la cual existen una entrada tangencial para la suspensión de la alimentación (Feed). La parte superior del hidrociclón presenta un tubo para la salida de la suspensión diluida (overflow) y en la parte inferior existe un orificio de salida de la suspensión concentrada (underflow).


El ducto de alimentación se denomina inlet, el tubo de salida de la suspensión diluida se denomina vortex, y el orificio de salida del concentrado se denomina apex, tal como se puede observar en el siguiente esquema de las partes del HIDROCICLÓN:


La suspensión es bombeada bajo presión, entra al HIDROCICLÓN a través del tubo de alimentación donde se genera un movimiento de tipo espiral descendente debido a la forma del equipo y la acción de la fuerza de gravedad .

A razón de este movimiento se produce una zona de muy baja presión a lo largo del eje del equipo, por lo que se desarrolla un núcleo de aire en ese lugar.

A medida que la sección transversal disminuye en la parte cónica, se superpone una corriente interior que genera un flujo neto ascendente también de tipo espiral a lo largo del eje central del equipo, lo que permite que el flujo encuentre en su camino al vortex que actúa como rebalse.


Las partículas en el seno del fluido se ven afectadas en el sentido radial por dos fuerzas opositoras: una hacia la periferia del equipo debido a la aceleración centrífuga y la otra hacia el interior del equipo debido al arrastre que se mueve a través del HIDROCICLÓN. Consecuentemente, la mayor parte de las partículas finas abandonarán el equipo a través del vortex, y el resto de las partículas, mayoritariamente los gruesos, saldrán a través del apex. En la siguiente figura se puede observar la trayectoria de flujos dentro del HIDROCICLÓN.


Básicamente los cuatro parámetros independientes que permiten variar las condiciones de operación son:

La densidad de la pulpa La caída de presión en la alimentación El diámetro del vortex El diámetro del apex

El tamaño de corte y la eficiencia de la separación son controlados mediante el ajuste de estos parámetros.


El diámetro del HIDROCICLÓN puede variar desde una pulgada hasta dimensiones que pueden alcanzar los 1200 mm.

HIDROCICLONES de mayor diámetro producen separaciones gruesas

HIDROCICLONES de menor diámetro producen separaciones finas.


Los equipos de Hidrociclones trabajan en baterías de hidrociclones, donde pueden combinar las características de capacidad de operación y tamaño de partículas necesarios para la operación

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