I
Facultad de Ingeniería
Carrera de Ingeniería Mecánica
Autor: Esteban Cárdenas, Franklin Cenicio
Para Obtener el Título profesional de
Ingeniero Mecánico
Asesor: Ing. Rojas Rojas, Jorge Luis
I
DEDICATORIA
A mi madre Lucy Cárdenas Cruz y a mi
padre Alejando Esteban Meza, que son el
pilar de todos mis logros, a ellos que con su
comprensión y ayuda incondicional me
apoyan a ser mejor cada día. A mis queridos
hermanos, que me dieron el ejemplo y la
fuerza para superarme. Gracias por haber
confiado en mí, y es en honor a ustedes a
II
AGRADECIMIENTO
A mis padres, por haberme inculcado la
educación y con ello poder afrontar la vida y
hacer realidad mis sueños; por todo el amor
incondicional que me han brindado siempre,
y por enseñarme el camino de la vida de
manera correcta. A mi hermano Ronel
Esteban Cárdenas, quien es mi líder y
III
IV La presente tesis contiene siete capítulos que muestran el diseño de un tanque agitador
para optimizar el funcionamiento de un filtro tipo Larox en la mina Andaychagua, el cual
es requerido para homogenizar y acondicionar el concentrado de zinc, cumpliendo las
exigencias del filtro.
El tanque agitador operaría en la unidad de producción Andaychagua entre las áreas de
Sedimentación y el área de Filtrado del concentrado de zinc perteneciente a la compañía
minera Volcan, empresa dedicada a la extracción y tratamiento de minerales.
En el primer capítulo se trata la problemática, se declaran los objetivos; y los
antecedentes vinculados a la instalación de filtros similares en otras unidades mineras.
En el segundo capítulo se describen los diferentes tipos de agitadores y sus
aplicaciones, en el rubro minero y en otras industrias, clasificándose según el tipo de
operación; además se desarrollan y describen cada uno de los procesos necesarios
para la obtención de los minerales.
En el capítulo número tres se desarrolla el estudio de campo de las instalaciones
mineras, en donde se describe y se analiza el área destinada para la ubicación del
tanque agitador, tomando en cuenta las limitaciones de área y las instalaciones
existentes.
Posteriormente en el capítulo número cuatro, se desarrolla el diseño del tanque agitador,
el cual se divide en tres subsistemas; tomando en cuenta diferentes alternativas para
cada una y su selección adecuada. También se examinan los criterios necesarios para
seleccionar las alternativas más convenientes para la minera para luego proceder a
dimensionar, seleccionar y calcular cada elemento que conforma el equipo agitador.
En el capítulo número cinco se mencionan los procedimientos, herramientas y equipos
necesarios para la construcción y montaje del tanque agitador, respetando los planos
estructurales y mecánicos.
En el sexto capítulo se describe el comisionamiento y funcionamiento del tanque
agitador; así como también la instrumentación y control del tanque agitador por parte de
la empresa minera.
En el séptimo capítulo se desarrolla el análisis del impacto económico, conociendo así
el costo total del tanque agitador.
V
1.1. Descripción del problema ... 2
1.1.1. Problema general ... 4
1.1.2. Problemas específicos ... 4
1.2. Objetivos ... 5
1.2.1. Objetivo general ... 5
1.2.2. Objetivos específicos ... 5
1.3. Justificación e importancia ... 5
1.4. Limitaciones ... 6
1.5. Antecedentes ... 7
CAPÍTULO II ... 12
MARCO TEORICO ... 12
2.1. Obtención del mineral ... 13
2.2. Tanques agitadores ... 20
2.2.1. Sistema de agitación ... 21
2.3. Clases de agitadores ... 21
2.3.1. Agitadores de hélice ... 21
2.3.2. Agitadores de turbina ... 23
2.3.2.1. Agitador de turbina con aspas planas ... 23
2.3.2.2. Agitador de turbina con aspas inclinadas ... 24
2.3.2.3. Agitador de turbina Hydrofoil ... 25
2.3.2.4. Agitador de turbina con aspas curvas ... 27
2.3.2.5. Agitador de turbina con disco y aspas planas ... 28
2.3.3. Agitadores de paso cerrado ... 29
2.3.3.1. Agitador de paso cerrado tipo ancla ... 30
2.3.3.2. Agitador de paso cerrado tipo helicoidal ... 31
2.4. Aplicación de la agitación en las instalaciones mineras ... 32
2.4.1. Homogeneización del fluido ... 32
2.4.2. Suspensión y homogeneización de sólido-líquido ... 33
2.4.3. Emulsión de dos fluidos insolubles ... 34
2.4.4. Inyección de gas en un fluido ... 34
VI
2.5.1. Clasificación de recipientes de agitación ... 36
2.5.1.1. Recipientes sin deflectores ... 36
2.5.1.2. Recipientes con deflectores (Baffles) ... 37
2.5.1.3. Recipientes pequeños ... 40
2.5.1.4. Recipientes de gran tamaño ... 41
CAPÍTULO III ... 42
ESTUDIO DE CAMPO ... 42
3.1. Ubicación y accesibilidad... 43
3.2. Reconocimiento de la ubicación y área de trabajo del equipo ... 44
3.3. Proyecto: “Ingeniería, Montaje y Puesta en marcha del filtro Larox 38/38” ... 48
3.3.1. Características de construcción y operación ... 51
3.3.2. Principio de la filtración a presión. ... 54
3.3.2.1. Filtración ... 54
3.3.2.2. Prensado ... 55
3.3.2.3. Secado por aire ... 55
3.3.2.4. Descarga de la torta ... 56
3.3.3. Diagrama de flujo del proceso ... 56
CAPÍTULO IV ... 57
DISEÑO DEL TANQUE AGITADOR ... 57
4.1. Parámetros de diseño y datos funcionales ... 58
4.2. Especificaciones técnicas del tanque agitador ... 59
4.3. Alternativas de diseño ... 59
4.3.1. Configuración del recipiente más impulsor (agitador) ... 60
4.3.1.1. Alternativa N°1 ... 60
4.3.1.2. Alternativa N°2 ... 61
4.3.1.3. Alternativa N°3 ... 63
4.3.1.4. Análisis de alternativas en la configuración recipiente más impulsor . 65 4.3.2. Configuración del sistema de transmisión ... 67
4.3.2.1. Alternativa N°1 ... 67
4.3.2.2. Alternativa N°2 ... 69
4.3.2.3. Alternativa N°3 ... 70
4.3.2.4. Análisis de alternativas en la configuración del sistema de transmisión 71 4.3.3. Configuración de plataforma de operación (bastidor) ... 74
4.3.3.1. Alternativa N°1 ... 74
4.3.3.2. Alternativa N°2 ... 75
VII
4.4. Diseño geométrico del tanque agitador ... 78
4.4.1. Dimensionamiento del tanque agitador ... 80
4.5. Producción de filtro Larox ... 82
4.5.1. Datos de producción del filtro Larox. ... 83
4.5.2. Estudio de producción del filtro Larox. ... 84
4.6. Diseño geométrico del impulsor... 87
4.6.1. Determinación del diámetro del impulsor ... 87
4.6.2. Cálculo de la altura del aspa del impulsor ... 88
4.7. Cálculo de las dimensiones de los deflectores (bafles) ... 88
4.8. Cálculo de las potencias. ... 89
4.8.1. Cálculo del caudal del agitador. ... 89
4.8.2. Cálculo de la velocidad angular del agitador. ... 90
4.8.3. Cálculo de la potencia consumida ... 91
4.8.4. Cálculo de la potencia nominal del motor ... 95
4.9. Cálculo del tiempo de homogeneización ... 96
4.10. Diseño mecánico del agitador. ... 98
4.10.1. Cálculo del torque máximo. ... 98
4.10.2. Cálculo del momento flector máximo. ... 99
4.10.3. Cálculo del diámetro de eje del impulsor. ... 99
4.10.4. Cálculo de la frecuencia natural del impulsor. ... 100
4.11. Selección del motor. ... 101
4.12. Selección del reductor de velocidad. ... 104
4.13. Dimensionamiento del sistema de transmisión. ... 108
4.13.1. Selección de la correa de transmisión. ... 108
4.13.2. Dimensionamiento de poleas ... 110
4.13.3. Cálculo de la cantidad de correas “V” a utilizar. ... 114
4.13.4. Cálculo de distancia entre centros de poleas. ... 116
4.13.5. Longitud de correas en “V” (LP). ... 117
4.14. Cálculos de espesores del tanque. ... 117
4.14.1. Cálculo del espesor del cuerpo. ... 118
4.14.2. Cálculo de espesor del fondo ... 120
4.14.3. Dimensionamiento de refuerzos ... 124
4.15. Selección de accesorios para tanque agitador ... 124
4.16. Cálculo y dimensionamiento del bastidor o plataforma de monitoreo ... 130
4.16.1. Herramientas de cómputo. ... 130
VIII
4.16.3. Materiales ... 132
4.16.4. Normas y códigos de referencia. ... 133
4.16.5. Identificación de cargas. ... 133
4.16.6. Diseño de elementos. ... 139
4.16.7. Combinaciones de cargas. ... 140
4.16.8. Análisis estructural... 140
4.17. Protección de superficie ... 149
4.18. Sistema de colores de mina a utilizar. ... 150
CAPÍTULO V ... 151
CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE ... 151
5.1. Construcción ... 152
5.1.1. Máquinas y equipos ... 152
5.1.2. Herramientas ... 153
5.1.3. Instrumentos de verificación ... 153
5.1.4. Equipos de protección personal (EPP) ... 153
5.1.5. Listado de equipos ... 154
5.1.6. Elementos destinados a su fabricación ... 154
5.1.6.1. Casco y fondo del tanque. ... 156
5.1.6.2. Manhole y líneas de succión, drenaje y rebose. ... 157
5.1.6.3. Estructura de plataforma de operación. ... 159
5.1.6.4. Barandas de seguridad. ... 160
5.1.6.5. Grating o rejillas en plataforma del tanque. ... 160
5.1.6.6. Eje de transmisión y acoples ... 161
5.1.6.7. Hélices ... 161
5.1.6.8. Bafles ... 162
5.1.6.9. Anillo rigidizador. ... 162
5.1.6.10. Sillas de anclajes. ... 163
5.1.7. Listado de materiales ... 165
5.1.8. Planos de fabricación ... 165
5.2. Montaje ... 166
5.2.1. Planos de Montaje ... 167
CAPÍTULO VI ... 168
COMISIONAMIENTO Y FUNCIONAMIENTO ... 168
6.1. Comisionamiento y puesta en marcha del tanque agitador ... 169
6.1.1. Preparación antes de la puesta en marcha ... 169
IX
6.1.3. Puesta en servicio con pulpa. ... 171
6.2. Funcionamiento del tanque agitador en el proceso de producción. ... 172
6.2.1. Secuencia de operación (según proyecto mina). ... 173
6.2.2. Instrumentación y control (según proyecto mina). ... 174
CAPÍTULO VII ... 178
ANÁLISIS DE COSTO ... 178
7.1. Análisis de costos directos ... 179
7.1.1. Costos de materiales directos ... 179
7.1.2. Costo de los elementos normalizados ... 180
7.1.3. Costo del maquinado ... 181
7.1.4. Costo de montaje ... 182
7.1.5. Costo directos totales. ... 183
7.2. Análisis de costos indirectos ... 183
7.2.1. Costo de materiales indirectos ... 183
7.2.2. Costos de ingeniería ... 184
7.2.3. Otros ... 184
7.2.4. Costos indirectos totales ... 185
7.3. Costo total del tanque agitador ... 185
X
LISTA DE FIGURAS
Esquema de alimentación directa al filtro Larox. ... 3
Esquema de alimentación al filtro desde el tanque agitador. ... 3
Modelo de filtro en la unidad minera Victoria. ... 8
Montaje del tanque agitador en la unidad minera Victoria. ... 9
Modelo de filtro en la unidad minera Mahr Tunel. ... 9
Filtro Larox en la unidad minera Mahr Tunel. ... 11
Etapas que comprenden el proceso de obtención del mineral ... 13
Trabajo de desbroce minera Alpamarca. ... 14
Diseño del tajo abierto Alpamarca. ... 14
Esquema de chancadora primaria ... 15
Planta concentradora Andaychagua, área de molienda ... 16
Equipo de flotación de minerales. ... 17
Espesador de concentrado de zinc - Andaychagua ... 18
Filtro cerámico – minera Andaychagua ... 19
área de concentrado, unidad minera Victoria-Volcan ... 20
Agitador tipo hélice de tres aspas. ... 22
Turbina de aspas planas... 24
Esquema de agitador turbina tipo aspas inclinadas. ... 24
Agitador de turbina Hydrofoil ... 26
Impulsor con aspas curvas. ... 27
Impulsor con disco y aspas planas. ... 28
Agitador de paso cerrado tipo ancla. ... 30
Agitador helicoidal. ... 31
Homogeneización de dos fluidos ... 33
Suspensión de sólidos en un fluido. ... 33
Dispersión y homogeneización de tres fluidos insolubles... 34
Generación de burbujas en una celda de flotación. ... 35
Comportamiento del fluido en un recipiente sin deflectores. ... 37
Placas deflectoras distribuidas en el tanque uniformemente ... 38
Comportamiento axial del fluido en recipientes con deflectores. ... 39
Comportamiento radial del fluido en recipientes con deflectores... 40
Recipiente de agitación pequeño ... 40
Tanques agitadores 40’x40’-Orcopampa segunda etapa - Buenaventura 41 Ubicación geográfica de la unidad minera Andaychagua. ... 43
Reconocimiento de la ubicación y área de trabajo de los equipos ... 45
Trazo del equipo de filtrado en área de trabajo ... 46
Trazo de la ubicación del tanque agitador ... 47
Edificio de filtrado ... 48
Llegada de filtro Larox a instalaciones Lima. ... 49
Filtro Larox PF de alta capacidad. ... 49
Partes principales del filtro ... 50
Esquema de filtrado de concentrado ... 52
Alimentación de concentrado a filtro ... 53
Presión de concentrado en filtro. ... 53
XI
Prensado de pulpa ... 55
Secado de pulpa ... 55
Descarga de torta ... 56
Alternativa N°1 recipiente sin deflectores más agitador tipo marina ... 60
Alternativa N°2 recipiente con deflectores más agitador tipo paleta ... 62
Alternativa N°3 recipiente con deflectores más agitador tipo Hydrofoil .. 64
Grafico configuración recipiente más impulsor. ... 66
Alternativa N°1 sistema de transmisión directa ... 68
Alternativa N°1 sistema de transmisión con motor reductor ... 69
Alternativa N°3 trasmisión motor, poleas, fajas y reductor ... 70
Gráfico de la configuración del sistema de transmisión. ... 72
Alternativa N°1 plataforma de operación apoyado sobre el tanque. ... 74
Alternativa N°2 ... 75
Gráfico de la configuración de la plataforma del tanque ... 77
Proporciones geométricas del tanque agitador ... 79
Trazo de dimensiones del tanque en área de trabajo ... 81
Número de potencia vs número de Reynolds. ... 92
Selección del modelo de motor eléctrico BALDOR ... 103
Factores de servicio del reductor de velocidad ... 105
Estilo de carcaza y posición de montaje del reductor ... 107
Gráfico para la selección del tipo de correa de transmisión. ... 110
Polea motriz y polea conducida. ... 116
Dimensiones de base de tanque. ... 121
Distribución de placas en base de tanque. ... 122
Ubicación de placa anular. ... 123
Tipos de boquillas en pared del tanque ... 125
Descripción y geometría de aberturas en cuerpo del tanque ... 125
Diseño típico de Manhole. ... 127
Dimensiones de manhole de 30 pulgadas. ... 129
Configuración de plataforma principal de operación con tanque ... 131
Configuración de perfiles de plataforma de operación. ... 132
Distribución de carga muerta (D) en bastidor de tanque agitador ... 141
Distribución de carga Viva (D) en bastidor de tanque agitador ... 141
Fuerza cortante de sismo en dirección X-X ... 142
Fuerza cortante de sismo en dirección Y-Y ... 142
Presión en tanque agitador producida por el viendo eje X-X ... 143
Presión en tanque agitador producida por el viendo eje Y-Y ... 143
Desplazamiento máximo para COMB3. ... 144
Tensión máxima y mínima COMB3. ... 145
Deflexión máxima y mínima COMB3. ... 145
Ratios de trabajo de los elementos estructurales. ... 146
Ratios de trabajo de los perfiles seleccionados. ... 147
Vista isométricas de elementos a construir ... 155
Armado del casco de tanques-Chungar/Volcan ... 156
Armado de fondos de tanques 40’x40’-Orcopampa/Buenaventura ... 157
fabricación del Manhole en el casco del tanque agitador ... 158
Fabricación típica de líneas de succión, drenaje y rebose. ... 158
XII
Partes de baranda de seguridad típica. ... 160
Formas de sujeción de grating en plataformas ... 160
Ubicación de los acoples y el eje del tanque agitador ... 161
Hélice de agitadores -Orcopampa/Buenaventura y 3d ... 161
Bafles de agitadores -Orcopampa/Buenaventura ... 162
Ubicación de anillo rigidizador en casco del tanque ... 162
Distribución de sillas de anclaje para el tanque agitador. ... 163
Ubicación de la escalera de gato en tanque agitador. ... 164
XIII
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1. Características de un agitador de hélice ... 22
Tabla 2.2. Características de un agitador de turbina con tres aspas inclinadas ... 25
Tabla 2.3. Características de un agitador de turbina agitador de turbina Hydrofoil. ... 26
Tabla 2.4. Características de un agitador de turbina con aspas curvas ... 27
Tabla 2.5. Características de un agitador con disco y aspas planas. ... 29
Tabla 2.6. Características de un agitador tipo ancla ... 31
Tabla 2.7. Características de un agitador tipo helicoidal ... 32
Tabla 2.8. Dimensiones de placas deflectoras en mm. ... 39
Tabla 4.1. Especificaciones técnicas del tanque agitador ... 59
Tabla 4.3. Análisis del sistema de transmisión de velocidad. ... 72
Tabla 4.4. Alternativas de plataformas de operación ... 77
Tabla 4.5. Datos de entrada para el diseño del tanque agitador. ... 79
Tabla 4.6. Datos de consumo del filtro por ciclo de trabajo ... 82
Tabla 4.7. Precios de venta de minerales producidos por la minera. ... 84
Tabla 4.8. Valorización de la producción del filtro Larox. ... 87
Tabla 4.9. Número de bombeo del agitador según el tipo de impulsor. ... 91
Tabla 4.10. Número de potencia por tipo de impulsor. ... 94
Tabla 4.11. Datos de entrada para el tiempo de homogeneización. ... 96
Tabla 4.12. Datos de entrada y condiciones de diseño. ... 98
Tabla 4.13. Datos de entrada para la selección del reductor de velocidad. ... 104
Tabla 4.14. Tamaño de carcaza seleccionado. ... 106
Tabla 4.15. Factores de servicio típico para correas... 109
Tabla 4.16. Diámetro mínimo de polea motriz según potencia y velocidad del motor 111 Tabla 4.17. Dimensiones de las poleas estándares calculadas. ... 113
Tabla 4.18. Valores para la dimensión del buje QD seleccionado. ... 114
Tabla 4.19. Capacidad de trasmisión por canal para correas 5V. ... 115
Tabla 4.20. Datos de entrada para el diseño del tanque. ... 118
Tabla 4.21. Dimensiones mínimas de separación de las aberturas ... 126
Tabla 4.22. Cargas muertas de equipos y mecanismos de agitación ... 133
Tabla 4.23. Cargas muertas de equipos y mecanismos de agitación ... 138
Tabla 4.24. Perfiles seleccionados ... 148
Tabla 6.1. Listado de equipos mecánicos involucrados en el proceso. ... 172
Tabla 7.1. Costos de materiales directos. ... 180
Tabla 7.2. Costos de elementos normalizados. ... 181
Tabla 7.3. Costos de elementos maquinados. ... 182
Tabla 7.4. Costos de montaje. ... 182
Tabla 7.5. Costos directos totales. ... 183
Tabla 7.6. Costos de materiales indirectos. ... 183
Tabla 7.7. Costos de revestimiento del tanque agitador. ... 184
Tabla 7.8. Costos indirectos totales. ... 185
XIV
SIMBOLOGIA Y ABREVIATURAS
API = American Petroleum Institute.
ASME = American Society of Mechanical Engineers.
ASTM = American Society of Testing Materials.
bn = Número de bafles.
BFV: (Bulk fluid velocity).
C = Factor de forma adimensional.
CA = Corrosión permisible en condición de diseño.
Cs = Factor de amplificación sísmica.
CM = Carga muerta total.
CV = carga viva total.
CW = Carga de viento.
CT = Coeficiente para estimar el período fundamental.
Chemscale = Intensidad de agitación.
d = Diámetro del eje del agitador.
d1 = Diámetro interno del tanque.
d2 = Diámetro del impulsor.
DIN = Instituto Alemán de Normalización.
DP = Diámetro de la polea conducida.
dn = Diámetro nominal del tanque.
DM = Diámetro de la polea motriz.
ds = Diámetro mínimo del eje según esfuerzo cortante permisible.
dt = Diámetro mínimo según esfuerzo a la tracción permisible.
Dp = Diámetro del agujero en cuerpo del tanque.
Dc = Diámetro de la tapa del manhole.
Db = Diámetro del eje de los agujeros para los espárragos.
Do = L = Diámetro exterior de la placa de refuerzo.
XV DL = Cargas muertas.
Ex = Sismo en dirección “x”
Ey = Sismo en dirección “y”
E = Cargas de sismo.
EBF = Pórticos Excéntricamente Arriostrados.
Em = Módulo de elasticidad del acero estructural A-36.
fy = Esfuerzo de fluencia acero.
fpm = Pies por minuto.
fH = Factor de servicio hidráulico relacionado al tipo de impulsor y condiciones de
operación.
FC = Factor de correlación para el cálculo del tiempo de mezcla.
Fs = Factor de amplificación del suelo.
G = Densidad relativa del concentrado.
H1 = Máxima altura del cuerpo sin rigidizadores.
h1 = Nivel del fluido en el tanque.
h2 = Altura desde el fondo del tanque hasta el impulsor.
h3 = Ancho de las paletas.
h = horas.
hn = Altura total de la edificación en metros.
hT= Altura total del tanque.
IMF = Pórticos Intermedios Resistentes a Momentos.
kg-f = kilogramo fuerza.
L = Longitud del eje (desde el rodamiento inferior del reductor hasta el impulsor.)
LFRD = Load and Resistance factor design.
LL = Cargas vivas.
LTR = Abertura Reforzada Baja a nivel del piso.
msnm = Metros sobre el nivel del mar.
XVI m/s = Metros por segundo.
m2 = Metro cuadrado.
Nc = Frecuencia natural del impulsor.
NM = velocidad del motor.
NP = Velocidad de entrada del motor-reductor.
NTE = Reglamento Nacional de Edificaciones.
OD = Diámetro exterior del boquilla o del cuello.
OMF = Pórticos Ordinarios Resistentes a Momentos.
OCBF =Pórticos Ordinarios concéntricamente Arriostrada.
PTEM = Peso total de elementos normalizados.
Pa = Pascal.
Pa s = Pascal por segundo.
P = potencia de agitación del impulsor.
Pn = Potencia nominal.
Q = Caudal del agitador.
rpm = Revoluciones por minuto.
XVII RTR = Abertura Reforzada.
R = Coeficiente de reducción de las fuerzas sísmicas.
s = segundo.
Sx = Número de desviaciones estándar para lograr la confianza en los cálculos.
Sd = Esfuerzo de diseño.
St = Esfuerzo de prueba hidrostática.
S-N = Abertura No Reforzada.
SMF = Pórticos Especiales Resistentes a Momentos.
SCBF = Pórticos Especiales concéntricamente Arriostrada.
SCH = cédula del material.
tpd =Toneladas por día.
TVaciado = Tiempo de vaciado de tanque.
: Diámetro equivalente
Tr = Tiempo de reacción química.
TQ(max) = Torque máximo.
Td = Espesor de placa por condición de diseño en operación.
Tt = Espesor de placa por condición de prueba hidrostática.
t1 = Espesor de cuerpo del tanque.
t2 = Espesor de plancha base del tanque.
tf = Espesor de la brida.
tc = espesor de la tapa del manhole.
tn = Espesor del cuello (neck).
t = Espesor del anillo del cuerpo del tanque.
T = espesor de la placa de refuerzo.
TP = Período que define la plataforma del factor Cs.
= Período fundamental de la estructura para el análisis estático o período de un
modo en el análisis dinámico.
XVIII USD = Dólares Americanos.
v = Velocidad.
VTK= Volumen total de del tanque.
VET = volumen efectivo del tanque.
V = Fuerza cortante en la base de la estructura.
Vh: Velocidad de diseño en la altura h en Km/h
2 = Espacio entre bafles y pared del tanque.
ϴ95 = Tiempo de mezcla al 95% de homogeneización.
ϴz= Tiempo de mezcla al z% de homogeneización.
µ = Viscosidad.
µm = micrómetros.
ρ = Densidad.
ρagua = Densidad del agua.
ρm = Densidad del acero estructura A-36.
σs = Esfuerzo cortante permisible del acero estructura A-36.
XIX
XX Volcan Compañía Minera S.A.A. es una compañía minera dedicada a la extracción,
concentración y comercialización de minerales polimetálicos: plata, plomo, zinc y
cobre. Esta compañía realiza sus operaciones en distintas unidades mineras.
La minera Andaychagua, ubicada en la unidad Yauli, perteneciente a Volcan
compañía minera S.A.A. está desarrollando el proyecto: “Ingeniería, Montaje y
Puesta en marcha de filtro Larox PF 38/38”, que tiene la finalidad de instalar un
nuevo equipo de filtrado, para aumentar la capacidad de producción. Los equipos
existentes son antiguos y carecen de algunos controles básicos que son
indispensables para cumplir el buen funcionamiento en el área de filtrado.
El presente trabajo de tesis está enfocado en el diseño del tanque agitador que
alimentará el concentrado de zinc al nuevo filtro Larox modelo PF 38/38, donde el
tanque agitador servirá como un acondicionador y reserva para la alimentación del
filtro, de esta manera se reducirá el tiempo de parada de producción a la hora de
realizar el mantenimiento del espesador existente, que actualmente alimenta de
forma directa a los filtros en el área de filtrado.
Para ello se tomará en cuenta los siguientes aspectos: datos de campo para ver la
disposición del lugar, la ubicación del tanque, los parámetros de funcionamiento del
equipo de filtrado, las estadísticas de producción y datos del concentrado a agitar.
Como resultado del diseño se obtendrán planos de ubicación y distribución de los
equipos involucrados en el proceso, planos de recorrido de tuberías, planos de
montaje del tanque agitador, planos de fabricación del tanque y sus componentes
y el plano de proceso con los equipos involucrados. Así como también el metrado y
1
CAPÍTULO I
2 1.1. Descripción del problema
Volcan Compañía Minera S.A.A. viene desarrollando el proyecto: “Ingeniería,
Montaje y Puesta en marcha del filtro Larox PF 38/38”. Con este proyecto la minera
busca aumentar su capacidad de producción en el área de filtrado para el
concentrado de Zinc.
El proyecto consiste en la instalación del equipo de filtrado Larox modelo PF 38/38
de alta capacidad productiva, el cual se encarga de separar el mineral del fluido en
un 98% de sólido. Este equipo reemplazará al filtro cerámico existente antiguo. Para
lograr que su funcionamiento tenga un alto rendimiento de producción, el equipo de
filtrado exige los siguientes parámetros: tener una carga de alimentación
homogénea y tener una adecuada densidad.
La problemática principal es que en la actualidad los filtros existentes son
alimentados de manera directa desde el espesador y al instalar este nuevo filtro
Larox con esta configuración es imposible controlar la homogeneidad de la carga y
también medir su densidad.
En la figura 1.1 se muestra el esquema de alimentación directa al nuevo filtro Larox,
donde se observa que la pulpa de zinc es bombeada desde el underfow del
espesador existente hacia el nuevo equipo de filtrado. Esta configuración de
alimentación no es conveniente, ya que con este equipo se quiere aumentar la
producción del concentrado de zinc y su funcionamiento debe oscilar en una
3
Esquema de alimentación directa al filtro Larox.
Fuente: Personal, basado en la ingeniería de la empresa INPROMAYO.
Para cumplir lo que equipo de filtrado exige, se colocará un tanque agitador en la
cual se pueda homogenizar la carga y también controlar la densidad, cumpliendo
así los parámetros importantes para su adecuada producción. En la figura 1.2 se
muestra la configuración más favorable.
Esquema de alimentación al filtro desde el tanque agitador.
4 En la actualidad la alimentación directa del espesador hacia los filtros genera un
tiempo de parada de producción a la hora de aplicar el plan de mantenimiento al
espesador, ya sea preventivo, o en el peor de los casos, un mantenimiento
correctivo; tiempo de parada que la compañía quiere evitar, ya que generan
principalmente pérdidas económicas y el trabajo de sus colaboradores en doble
turno. Este nuevo tanque agitador también servirá de reserva para cuando se tenga
que realizar el mantenimiento al espesador, el tanque seguirá alimentado al equipo
de filtrado.
a) ¿Cómo lograr una buena homogeneización del concentrado, que cumpla
la concentración requerida para el equipo de filtrado?
b) ¿Cuáles son los subsistemas necesarios del tanque agitador que
garantizarán una correcta homogenización de la pulpa minera?
c) ¿Con las dimensiones del tanque agitador, se tendrá tiempo suficiente
para realizar el mantenimiento al espesador existente, sin que pare la
producción?
d) ¿El agitador y sus partes principales serán capaz de soportar los esfuerzos
5 1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo general
Diseñar un tanque agitador para optimizar la capacidad de producción de
concentrado de zinc en el filtro Larox PF 38/38 de la mina Andaychagua en el
departamento de Junín.
1.2.2. Objetivos específicos
a) Determinar la forma del tanque y elegir el impulsor adecuado que cumpla
con las exigencias del concentrado para una correcta homogeneización.
b) Seleccionar los subsistemas necesarios que conforman el tanque agitador,
de modo que el diseño resultante sea lo más favorable para la correcta
homogenización de la pulpa y cumpla con las exigencias del equipo
filtrante.
c) Verificar si con el volumen del concentrado en el tanque agitador, se
tendría tiempo suficiente para realizar un mantenimiento preventivo, sin
afectar la producción del filtro Larox.
d) Seleccionar los perfiles estructurales adecuados para que el tanque
agitador y sus partes principales sean capaces de soportar los esfuerzos a
los que serán sometidos, de modo que presente estabilidad y seguridad al
6 Si no se cumplen con estos parámetros pueden surgir problemas como: mal
funcionamiento del equipo, baja producción y fallas a futuro, que generarían horas
perdidas de producción.
En el ámbito minero, las horas perdidas en el mantenimiento de los equipos
involucrados en el proceso de la obtención de los minerales, generan pérdidas
considerables, ya que en la mayoría de los casos es necesario la parada de
producción para llevar acabo el mantenimiento.
Por ello es importante el diseño óptimo del tanque agitador, para que pueda cumplir
las exigencias del equipo de filtrado y aliviar la carga al espesador existente;
además este tanque servirá de reserva de alimentación al filtro nuevo dando el
tiempo necesario para el mantenimiento del espesador.
Con el uso de los actuales filtros la producción de los minerales no es tan eficiente
para la compañía minera, por lo que la instalación de este equipo de filtrado y su
correcto funcionamiento garantizará una eficiente producción.
1.4. Limitaciones
Geográficas: La ubicación del tanque agitador y el área brindada por la
compañía minera son una limitación que se considerará en el diseño.
Informativa: La minera cuenta con un Flowsheet de la planta, donde muestra
el proceso que recorre el mineral y los equipos exactos involucrados. Esta
información no es accesible por la misma política de la minera, solo se tiene
información del área donde se pondrá en funcionamiento el tanque agitador.
Para ello se toma un proceso típico de obtención del mineral de zinc. Y así
7 1.5. Antecedentes
Es importante mencionar que estos modelos de filtros de presión vertical Larox,
están siendo adquiridas por la mayoría de mineras a nivel nacional, esto se debe a
su alta capacidad de producción y bajo costo de mantenimiento.
En enero del 2017 se realizaron dos proyectos en simultáneo, que consistía en
realizar la ingeniería, el montaje y la puesta en marcha de dos filtros Larox: una en
la unidad minera Victoria y la otra en la unidad minera Mahr Tunel, ambas unidades
pertenecientes a la compañía minera Volcan.
La empresa Outotec es la que importó estos equipos, procedentes de Finlandia, y
también Outotec recomienda el uso de los tanques agitadores para el
acondicionamiento de la pulpa antes del ingreso al filtro. Recomienda el uso, pero
no te indica la capacidad del tanque, el tipo de impulsor ni mucho menos las
revoluciones que debe tener el tanque agitador para que la homogeneización sea
la correcta. Por ello el diseño del tanque agitador depende mucho del modelo del
filtro y el concentrado a filtrar.
Los proyectos mencionados anteriormente fueron realizados por la empresa de
ingeniería y proyectos mineros Mayo (INPROMAYO). A continuación se describen
ambos proyectos en cada unidad minera.
Unidad minera Victoria:
En esta unidad se instaló el filtro Larox PF 60/84, este modelo de filtro prensa
vertical, es una de las más grandes con una producción masiva de concentrado.
En la siguiente imagen 1.3 se indica la posición donde se ubica el modelo utilizado
8 Modelo de filtro en la unidad minera Victoria.
Fuente: Outotec.
De la imagen 1.3 podemos verificar que el modelo utilizado es uno de las más
grandes en capacidad del filtro Larox. Para el desarrollo del proyecto la minera
contaba con un tanque agitador, indicando a la empresa INPROMAYO que solo
realice la instalación del filtro y sus componentes, recalcando que el diseño del
tanque no era el alcance del proyecto.
La empresa INPROMAYO, al momento de realizar el precomisionamiento y
comisionamiento, en coordinación con el representante del equipo de filtrado,
reportó que en el tanque agitador en cinco ciclos de trabajo continuo del filtro la
pulpa quedaba por debajo del nivel del impulsor. Esta posición de la pulpa no es
recomendable en tanques agitadores ya que el impulsor estaría girando sin carga y
podía dañar todos los equipos que conforma el tanque agitador.
Una de las causas principales es que el tanque no lograba equiparar su volumen
con el consumo del filtro, por ello la medida de solución inmediata que se tomó fue
9 En la figura 1.4 se muestra el montaje del nuevo tanque agitador en la unidad
minera Victoria.
Montaje del tanque agitador en la unidad minera Victoria.
Fuente: Proyecto de la empresa INPROMAYO.
Unidad minera Mahr Tunel:
En esta unidad minera se instaló el filtro Larox PF 25/32, este modelo de filtro está
ubicada en la parte baja de nivel de producción, así como se muestra en la figura
1.5.
Modelo de filtro en la unidad minera Mahr Tunel.
10 La instalación de este modelo de filtro consiste en filtrar dos concentrados cada
cierto tiempo, es decir este filtro realizará la filtración del concentrado de zinc y el
concentrado de plomo. Por lo que la ingeniería consiste en la automatización de
todo el sistema de alimentación del concentrado al filtro mediante válvulas
neumáticas, y cuando se quiera realizar la filtración del otro concentrado estas
válvulas controlarán el concentrado que se quiera producir.
Para que el trabajo del filtro sea lo más favorable para la minera, cada concentrado
cuenta con un tanque agitador quien va a acondicionar y homogenizar la pulpa del
mineral.
Una problemática surgió en abril del 2018, ya que las tuberías instaladas para el
concentrado de plomo sufrieron un desgaste interno por fricción del concentrado.
Estas tuberías fueron suministradas por la minera y no cumplían con las
especificaciones y recomendaciones que se realizó en la ingeniería elaborada por
la empresa INPROMAYO. Estas especificaciones y recomendaciones consistían en
que todas las tuberías a instalar deben ser debidamente revestidos interiormente
con caucho o similar a ello, para así evitar el desgaste por fricción al momento del
bombeo del concentrado.
Pero la empresa minera por ahorrar costos, no realizó el revestimiento en tuberías.
La medida de solución que tomó la minera fue el cambio de tuberías con
revestimiento interior. Este cambio se realizó para todas las líneas de tuberías sin
afectar las horas de producción.
Es muy importante tener una protección contra la fricción del mineral en tuberías y
en tanques agitadores, para así evitar su desgaste por fricción con el concentrado
11 En la imagen 1.6 se muestra el trabajo del filtro Larox para la producción de dos
minerales, plomo y zinc.
Filtro Larox en la unidad minera Mahr Tunel.
Fuente: Proyecto de la empresa INPROMAYO. Concentrado
de plomo
12
CAPÍTULO II
13 2.1. Obtención del mineral
Una vez ubicada los yacimientos del mineral valioso en la etapa de exploración, la
obtención del mineral tiene las siguientes etapas:
En la figura 2.1 se muestra las etapas que comprenden el proceso de obtención del
mineral.
Etapas que comprenden el proceso de obtención del mineral
Fuente: Jack Moran M. - Manual de espesamiento y filtrado
A. Exploración: La compañía minera realiza el estudio geográfico y la ubicación
del yacimiento o la concentración del mineral. Los metales de interés están
generalmente unidos químicamente a otros formando las menas minerales; las
que a su vez aparecen entremezcladas con minerales no metálicos (o materia
rocosa) denominados ganga. La mezcla de las menas minerales y la ganga
constituye la veta, que generalmente se presenta en forma de rocas.
Una vez localizado el yacimiento y con la aprobación de la factibilidad del
proyecto, se decide invertir en la construcción y operación de la minera;
procediendo a la perforación, tronadura, carguío y posteriormente el transporte
14 En la figura 2.2 se muestra el trabajo de desbroce al encontrar los yacimientos
del mineral en la etapa de la exploración minera Alpamarca.
Trabajo de desbroce minera Alpamarca.
Fuente: www.volcan.com.pe-Operaciones mineras volcán
En la figura 2.3 se muestra el diseño del tajo abierto de la minera Alpamarca.
Diseño del tajo abierto Alpamarca.
Fuente: www.volcan.com.pe-Operaciones mineras volcán
B. Chancado: Tiene por objeto liberar las partículas de plomo, zinc y cobre,
generando partículas de tamaño y forma adecuada para los procesos
15 chancadoras giratorias de cono o chancadoras de mandíbula. Las partículas que
se encuentran en las menas tienen tamaños de decenas de micrómetros, lo que
es muy difícil extraerlo de forma directa. Por ello, una primera etapa a la que se
ve expuesta la mena mineral es a la reducción de tamaño, cuyo objetivo es
separar físicamente las partículas útiles y de mayor valor económico. Por lo
general es una operación en seco y la minera cuenta con tres etapas de
chancado, las cuales se transportan mediante fajas transportadoras.
- Chancado primario, producto: 6” - 8”
- Chancado segundario, producto: 1” - 2”
- Chancado terciario busca homogenizar el proceso de chancado segundario a
1”.
La figura 2.4 muestra una chancadora primaria de mandíbula semimovil.
Esquema de chancadora primaria
Fuente: Procesamiento del mineral-Metson minerals
C. Molienda: Es el final de la etapa de chancado y reducción de tamaños. Aquí se
realiza la fragmentación de todas las partículas con la ayuda de las
16 La fragmentación de los minerales se da en el interior de unos equipos cilíndricos
rotatorios llamados molinos. Estos equipos pueden llevar en su interior cuerpos
moledores rígidos de forma esférica o en forma de barra que ayudara a la
fragmentación del mineral, esta operación por lo general se realiza agregando
fluente (agua).
Esta operación la minera lo realiza en dos etapas de molienda las cuales son:
- Molienda primaria, producto: 60mm – 20mm.
- Molienda secundaria, producto: 300um – 150um.
La interface de la molienda primaria a la secundaria se realiza mediante ciclones
estáticos y un sistema de recirculación que permita cumplir el tamaño de
partículas y así seguir con el proceso.
En la figura 2.5 se muestra el área de molienda, planta concentradora
Andaychagua.
Planta concentradora Andaychagua, área de molienda
17 D. Flotación: Una vez fragmentado en mineral en el anterior proceso, se lleva a
cabo la flotación, en donde se concentra el mineral. Consiste en separar las
partículas valiosas del mineral mediante la flotación de ellas y la precipitación del
material no valioso (ganga), esto se realiza con la ayuda de reactivos químicos
que al entrar en contacto con el mineral, ésta hace que se adhiera a las burbujas
y pierda considerablemente su densidad, esta operación se realiza con equipos
llamados celdas de flotación, las cuales generan burbujas lo suficientemente
resistentes para llevar las partículas valiosas desde el fondo del tanque hasta la
superficie, una vez el mineral se encuentre en la superficie del tanque son
conducidas mediante canaletas de rebose hacia el siguiente proceso.
En la figura 2.6 se muestra un equipo de flotación de minerales.
Equipo de flotación de minerales.
Fuente: Personal – basada en equipos de flotación. Ingreso
Mineral valioso de forma de
18 E. Espesadores: El espesamiento es el proceso de asentamiento de las partículas
sólidas contenidas en la pulpa, las cuales caen al fondo debido a los químicos
utilizados. La pulpa de concentrado proveniente de la flotación, entra al
espesador por el recibidor de carga ubicada en el centro del tanque; éste
amortigua la fuerza de caída de la carga; la cual al caer se distribuye en forma
homogénea en toda el área del espesador y comienza a asentarse, de tal
manera que la parte inferior tiene carga espesa y la de arriba más aguada, hasta
llegar al agua clara que se evacua por el rebose.
El movimiento de los rastrillos arrima la carga hacia el centro, justo sobre el cono
para facilitar la descarga, impidiendo, al mismo tiempo, que ella se asiente
demasiado.
En la figura 2.7 se muestra el espesador de concentrado de zinc - Andaychagua
Espesador de concentrado de zinc - Andaychagua
19 F. Filtrado: Proceso de separación de sólidos desde un líquido, por medio de un
medio poroso, el cual retiene el sólido, permitiendo el paso del líquido. La minera
utiliza actualmente para concentrado de zinc filtro cerámico, para concentrado
de cobre y plomo filtros a presión.
En la figura 2.8 se muestra el filtro cerámico de la minera Andaychagua área de
filtrado.
Filtro cerámico – minera Andaychagua
Fuente: Personal-fotografía minera
G. Exportación: El mineral obtenido se almacena y se carga en la área de
concentrado, la minera transporta el concentrado mediante volquetes cerrados
desde las ancha de concentrado hacia el puerto donde serán exportados
mediante buques.
En la figura 2.9 se muestra el área donde se recoge el mineral y se carga a los
20 área de concentrado, unidad minera Victoria-Volcan
Fuente: Personal-fotografía minera
2.2. Tanques agitadores
Los tanques agitadores generan dos operaciones básicas que son la agitación y el
mezclado, estas operaciones son utilizadas en mina por lo general en el área de
flotación, donde ocurre la separación entre los minerales valiosos y los no valiosos
(ganga). Su aplicación se basa en una o varias fases como son: Líquidos, sólidos y
gaseosos, estos también se pueden generar en mezcladores estáticos o en
sistemas con un agitador accionado por un medio eléctrico (motor). También su
aplicación se da en el área de preparación de reactivos, en donde el objetivo
principal de los agitadores es la preparación, homogeneización y la maduración de
los reactivos, que se utilizaran para la obtención del mineral.
Sabiendo su importancia en el proceso productivo, esta aplicación se dio desde el
comienzo de las civilizaciones, cuando fue necesario mezclar los alimentos, arcillas,
tinta, cultivos, etc.
Para que un proceso industrial tenga éxito depende mucho de en la eficacia de la
mezcla y agitación de los fluidos.
21 2.2.1. Sistema de agitación
El sistema de agitación constan de un recipiente y un impulso; el recipiente puede
ser abierto o cerrado, y el sistema de agitación puede ser accionado mediante el
acople directo, con el uso de reductores de velocidad o mediante el uso de poleas
y fajas de transmisión.
Los tamaños y proporciones del tanque varían considerablemente, según sea la
problemática del problema a afrontar.
2.3. Clases de agitadores
Los agitadores se dividen en dos clases muy importantes: los que dan como
resultado un flujo axial y los que dan como resultado un flujo radial. Existen en la
actualidad agitadores que también combinan ambos flujos, y trabajan con flujo axial
y radial a la vez.
Los equipos mecánicos que existen en la actualidad son muy variados,
comenzando desde una licuadora cacera, hasta equipos más complejos como
celdas de flotación en las industrias mineras. A continuación se describe los
agitadores más importantes.
2.3.1. Agitadores de hélice
Un agitador de hélice, es un agitador de flujo axial, que opera con velocidad
elevada y se emplea para líquidos pocos viscosos. Los agitadores de hélice más
pequeños, giran a toda la velocidad del motor, unas 1150 ó 1750 rpm; los
mayores giran de 400 a 800 rpm. La dirección de la rotación se elige
generalmente para impulsar el líquido a descender, y las corrientes de flujo que
salen del impulsor continúan a través del líquido en una dirección determinada
22 En la figura 2.10 se muestra un agitador tipo hélice de tres aspas.
Agitador tipo hélice de tres aspas.
Fuente: Perry R. manual del ingeniero químico en inglés; 1999 p. 1629
En la tabla 2.1 se muestran las características principales de un agitador de
hélice.
Descripción Generalmente utilizan 3 alabes o paletas.
Campo de flujo
generado Axial
Régimen alcanzado Turbulento Velocidad tangencial 3 - 15 m/s Viscosidad del medio < 8 Pa s
Aplicaciones
- Homogenizar - Suspender
- Favorece al intercambio de calor
23 2.3.2. Agitadores de turbina
El tipo de agitador tipo turbina se aplica en una amplia variedad de impulsores
despreciando su diseño, tipo de flujo, o dirección de descarga.
El tipo de agitador turbina se define como un impulsor de aspas constantes en el
plano vertical, estas aspas pueden variar de acuerdo al grado de inclinación con
el plano vertical, este ángulo generalmente es menor que 90° con respecto al
plano vertical.
En la actualidad existen dos tipos de forma de turbina, la de flujo radial y axial
con aspas planas, y la de aspas inclinadas. Todas las demás turbinas se basan
en la configuración de éstas con algunas modificaciones para su mejora, y por lo
general, el rendimiento de las mismas se ve afectado en una mínima parte.
Los agitadores tipo turbina trabajan a velocidades elevadas o medias, y las de
tipo aspas pueden ser rectas, curvas o angulares. Todo esto depende mucho de
la forma del tanque y la densidad del fluido.
2.3.2.1. Agitador de turbina con aspas planas
Este tipo de agitador de turbina produce un flujo radial, su diseño es muy sencillo
y versátil. El flujo que mueve estos tipos de turbina es más predecibles que los
demás tipos de agitadores.
En la figura 2.11 se muestra la forma y distribución de una turbina de aspas
24 Turbina de aspas planas.
Fuente: Moss Dennis Pressure Vessel Desgin Manual, 3 ed. Gulf Professional Publishing, 2004. p. 332
2.3.2.2. Agitador de turbina con aspas inclinadas
La turbina tipo aspas inclinadas combina dos flujos, el flujo radial y el axial, su
aplicación generalmente es la homogeneización y mejora la transferencia de
calor con la ayuda de serpentines colocados en el interior del tanque.
En la figura 2.12 se muestra un agitador de turbina con aspas inclinadas.
Esquema de agitador turbina tipo aspas inclinadas.
25 En la siguiente tabla 2.2 muestra las características principales del agitador tipo
aspas inclinadas.
Descripción 3 - 6 aspas inclinadas curvadas hacia atrás en dirección del flujo. 45°
Campo de flujo
generado Axial / Radial
Régimen alcanzado De transición / Turbulento Velocidad tangencial 3 - 15 m/s
Viscosidad del medio Hasta 100 Pa s
Aplicaciones
- Homogenizar - Suspender
- Favorece al intercambio de calor
Fuente: Operaciones Unitarias M. Sc Luis Felipe Miranda Zanardi-2011
2.3.2.3. Agitador de turbina Hydrofoil
Este tipo de agitador de turbina utiliza paletas aerodinámicas las cuales ayudan
a homogenizar mucho mejor de la turbina de hélice, este impulsor también
transfiere el calor y pone los sólidos en suspensión en pequeño, mediano y gran
volumen con mayor porcentaje de turbulencia y una solución económica para
problemas sencillos.
En comparación con la turbina de aspas inclinadas posee una alta eficiencia,
crea un movimiento mayor de fluido con menor energía y se caracteriza por tener
tres aspas en el impulsor.
26 Agitador de turbina Hydrofoil
Fuente: Chemical Engineering Handbook of Industrial Mixing Science Practice Wiley 2004
En la siguiente tabla 2.3 muestra las características del agitador de turbina
Hydrofoil.
Descripción 3 aspas inclinadas curvadas hacia atrás en dirección del flujo. 45°
Campo de flujo
generado Axial / Radial
Régimen alcanzado Turbulento Velocidad tangencial 3 - 15 m/s Viscosidad del medio Hasta 100 Pa s
Aplicaciones
- Homogenizar - Suspender
- Favorece al intercambio de calor
Fuente: Operaciones Unitarias M. Sc Luis Felipe Miranda
27 2.3.2.4. Agitador de turbina con aspas curvas
Estos tipos de impulsores son ideales para dispersar materiales fibrosos y
también requieren de un torque inicial menor a la ora de.
En la figura 2.14 se muestra un agitador de turbina con aspas curvas.
Impulsor con aspas curvas.
Fuente: Perry R. manual del ingeniero químico en inglés; 1999 p.1629.
En la tabla 2.4 se muestran sus características principales.
Descripción 3 aspas inclinadas y palas curvadas hacia atrás en dirección del flujo
Campo de flujo
generado Axial / Radial
Régimen alcanzado De transición / Turbulento Velocidad tangencial 3 - 8 m/s
Viscosidad del medio Hasta 100 Pa s
Aplicaciones - Homogenizar
- Favorece al intercambio de calor
28 2.3.2.5. Agitador de turbina con disco y aspas planas
Este tipo de turbina genera corrientes radiales y axiales, el disco que lo conforma
ayuda a la estabilidad del impulsor, su fabricación y diseño se realizan de manera
sencilla.
Se encuentra también con aspas curvas y su diámetro cubre entre un 30 y un 50
% del diámetro del estanque, su uso por lo general es para depósitos o tanques
pequeños que van de un diámetro de 1 metro a uno no mayor a 3 metros. Sus
características principales se encuentran indicadas en la siguiente Tabla 2.5.
En la figura 2.15 se puede ver un agitador de turbina con aspas planas y disco.
Impulsor con disco y aspas planas.
29 En la siguiente tabla 2.5 muestra las principales características del agitador de
turbina con disco y aspas planas.
Descripción 6 aspas rectas Campo de flujo generado Radial
Régimen alcanzado Turbulento Velocidad tangencial 3 - 7 m/s Viscosidad del medio Hasta 10 Pa s
Aplicaciones
- Homogenizar
- Favorece al intercambio de calor - Inyección de un gas en un flujo - Emulsionar
Fuente: Operaciones Unitarias M.Sc Luis Felipe Miranda Zanardi-2011
2.3.3. Agitadores de paso cerrado
Esto tipos de agitadores son particularmente muy eficaces para la mezcla de
granos o fluidos muy viscosos. Estos agitadores trabajan muy cercanos a las
paredes del recipiente o tanque que los complementa, por ello las estructuras
del agitador son muy rígidas, al trabajar con estos tipos de fluidos o granos es
necesario tener concentrada la capacidad de mezcla cerca de la pared del
tanque donde el flujo es más efectivo.
Existen dos tipos de agitadores de paso cerrado que vienen a ser:
- Agitadores de paso cerrado tipo ancla.
30 2.3.3.1. Agitador de paso cerrado tipo ancla
Este agitador tipo ancla consiste en una paleta tipo ancla contorneada de tal
forma que se adapta perfectamente a las paredes del recipiente, lo cual le da
un aspecto de la forma de un ancla o herradura. Su característica por lo que
más resalta, es que realiza trabajos a muy poca velocidad, cuando se trata de
obtener un bajo nivel de turbulencia en un fluido viscoso.
Su capacidad de rendimiento es baja, pero son ideales cuando se desea evitar
que las partículas sólidas se adhieran a las paredes del tanque. Este tipo de
agitador puede realizar trabajos de manera vertical para fluidos de alta
densidad, así como también de manera horizontal para partículas o granos que
se quiera mezclar.
En la figura 2.16 se puede observar la geometría típica de un agitador tipo
ancla.
Agitador de paso cerrado tipo ancla.
31 En la tabla 2.6 se muestra las características de un agitador tipo ancla.
Descripción
Dos brazos que llegan cerca a la pared.
Forma adaptada al fondo del tanque.
Campo de flujo generado Tangencial Régimen alcanzado Laminar Velocidad tangencial 2 m/s
Viscosidad del medio Hasta 1000 Pa s
Aplicaciones
- Favorece el intercambio de calor - Disminuir la capa limite en la
pared.
Fuente: Operaciones Unitarias M.Sc Luis Felipe Miranda Zanardi-2011
2.3.3.2. Agitador de paso cerrado tipo helicoidal
Está conformada principalmente por una cinta que tiene la forma helicoidal, y
trabaja muy pegada a las paredes del recipiente. Se aplica con mayor
frecuencia para mezclar sólidos-liquido o para agitar masas, pastas o lodos. En
la figura 2.17 se muestra la geometría típica de una agitador tipo helicoidal.
Agitador helicoidal.
Fuente: Perry R. manual del ingeniero químico en inglés; 1999
32 En la siguiente tabla 2.7 muestra las principales características de un agitador
helicoidal.
Descripción Forma de espiral. Campo de flujo generado Radial / axial
Régimen alcanzado Laminar Velocidad tangencial 2 m/s
Viscosidad del medio Hasta 1000 Pa s
Aplicaciones - Homogenizar
- Favorece el intercambio de calor
Fuente: Operaciones Unitarias M.Sc Luis Felipe Miranda Zanardi-2011
2.4. Aplicación de la agitación en las instalaciones mineras
La agitación en las producciones mineras, abarca una amplia área para varios
objetivos, los más importantes y más utilizados se mencionan a continuación:
2.4.1. Homogeneización del fluido
La homogeneización del fluido se define como la mezcla uniforme de fluidos
involucrados, su finalidad es lograr un equilibrio de gradiente de concentración y
la de temperatura. También se utiliza en el área de preparación de reactivos para
la neutralización de ácidos base, en la disolución de soluciones de alta
concentraciones, en la mezcla de diferentes fluidos a distintas temperaturas y en
la homogeneización y acondicionamiento de las cargas de pulpa o concentrado
33 En la figura 2.18 se muestra la homogeneización de dos fluidos.
Homogeneización de dos fluidos
Fuente: Personal-basada en equipos Outotec
2.4.2. Suspensión y homogeneización de sólido-líquido
El objetivo principal mantener las partículas de solido en suspensión y así lograr
una distribución homogénea en la totalidad del volumen del tanque. Esta
capacidad de suspensión de sólidos en un tanque agitador, varía en función de
la viscosidad y densidad del sólido, así como también la concentración y tamaño
de partículas del sólido.
En la figura 2.19 puede verse el sólido en suspensión.
Suspensión de sólidos en un fluido.
Fuente: Personal-basada en equipos técnicos Outotec Floculant
Agua
Agua
34 2.4.3. Emulsión de dos fluidos insolubles
El objetivo principal es dispersar y aumentar la superficie de unos de los fluidos
en un volumen determinado, por lo general el fluido a aumentar el área ocupación
se da en menores proporciones en el volumen del tanque agitador.
En la figura 2.20 se muestra la dispersión de 3 fluidos insolubles.
Dispersión y homogeneización de tres fluidos insolubles.
Fuente: Personal-basada en equipos Outotec.
2.4.4. Inyección de gas en un fluido
Consiste en la inyección de un gas en un tanque lleno de un fluido, generando
una fermentación aeróbica, esta operación se realiza en tanques con aire o
también conocidos como celdas de flotación en procesos mineros. Para la
generación de burbujas el conjunto tanque agitador también cuenta con un
estator, el cual ayuda a la generación de burbujas con mayor facilidad por la
misma acción rotor-estator.
En la figura 2.21 se muestra una celda de flotación. Fluido grasoso
Agua
35 Generación de burbujas en una celda de flotación.
Fuente: Personal-basada en equipos Outotec
2.5. Recipiente de agitación
El recipiente de agitación o tanque, es el componente comúnmente más utilizado
en los equipos de agitación. Gracias a su excelente flexibilidad en cuanto a las
condiciones de flujo que se puede desarrollar en su interior, las tinas de mezclas y
los tanques de almacenamiento son los segundos tipos de recipientes utilizados
comúnmente en las mineras.
Los recipientes con forma cilíndrica y base plana son los más elegidos que los de
sección cuadrada o rectangular para las operaciones mineras; ya que para una
agitación y/o homogeneización del concentrado, el tanque no es conveniente que
tenga esquinas ni que sea cóncavo al exterior (para tanques de gran tamaño), para
así evitar que la pulpa del mineral se asiente y posteriormente se sedimente
formando bloques que a futuro pueden causar daño al impulsor.
Si la fabricación de los recipientes se hace en taller el diámetro del tanque está
restringido a d1≤ 4.6 m por motivos de transporte, y el traslado es limitado por el
ancho de las carreteras, puentes y túneles hasta llegar a la unidad minera. Concentrado
de zinc
36 Se llega a la conclusión que al aumentar el volumen del tanque, es posible
solamente con un alargamiento de la altura del recipiente. Pero esta acción nos
llevaría a tomar los siguientes criterios en cuanto el desarrollo del diseño del tanque
agitador: a) El eje del impulsor se incrementaría a lo largo y por ellos se tendrá que
ver la posibilidad de usar rodamientos para garantizar el alineamiento correcto del
eje, b) el tiempo de agitación y/o homogeneización se incrementa. Para la mayoría
de operaciones de agitación, la relación más favorable entre la altura y el diámetro
del tanque es igual a uno.
Los accesorios internos en el tanque como: deflectores, sensores, y tuberías de
alimentación y drenaje. Todos estos accesorios pueden influir el proceso de
agitación, de forma favorable o lo contrario.
2.5.1. Clasificación de recipientes de agitación Los recipientes de agitación de clasifican en:
2.5.1.1. Recipientes sin deflectores
Los recipientes sin deflectores son simplemente recipientes sin ningún otro
cuerpo en el interior del tanque excepto el agitador, por ello al agitar el fluido
en este tipo de recipiente mediante un agitador montado verticalmente, este
producirá un flujo tipo remolino, independientemente al tipo de agitador que se
esté empleando. Cuando el fluido se encuentre en rotación, este genera un
vórtice debido a la fuerza centrífuga que afecta sobre el fluido que gira.
Ante la ausencia de los deflectores en el interior del tanque, el fluido se
comporta de manera que genera un flujo laminar, generalmente estos tipos de
recipientes no se utiliza para mezclar ni homogenizar fluidos y partículas. Son
ineficientes en estos tipos de trabajos, su aplicación en el campo minera es
37 En la figura 2.22 se muestra el comportamiento del fluido en un recipiente sin
deflectores.
Comportamiento del fluido en un recipiente sin deflectores.
Fuente: Perry R. manual del ingeniero químico en inglés; 1999 p.1632
2.5.1.2. Recipientes con deflectores (Baffles)
El comportamiento del fluido tipo remolino en recipientes cilíndricos se evita
con el montaje de deflectores (en inglés “Baffles”), las cuales son planchas
metálicas rectangulares, ubicadas radialmente al interior del tanque. Con estos
deflectores se generan gran turbulencia, una mejor mezcla y una adecuada
homogeneización dependiendo del uso y tipo de los impulsores.
La utilización de los deflectores por lo general se utilizan cuatro unidades, a
excepción en recipientes que superas los 9 pies de diámetro. El ancho más
favorable para agitadores tipo hélice no es mayor a 1/8 del diámetro del
recipiente cilíndrico. (Ver Tabla 2.8). Para obtener valores de número de
Reynolds superiores a 2000, se deben usar los recipientes con placas
deflectoras conjuntamente con agitadores tipo axial o el de tipo turbina. En
38 común una importante circulación del fluido empezando desde la parte superior
al fondo, de esta manera no se anula la existencia de vórtices. Para obtener un
régimen de número de Reynolds 10<Re<10000 por lo general las dimensiones
del ancho de los deflectores se reducen en la mitad y cuando se quieres que
un flujo laminar el número de Reynolds es Re<10.
La instalación de las placas deflectoras no son necesarias si la agitación se
realiza en recipientes no cilíndricos como: tanques rectangulares o cuando el
impulsor está montado de forma lateral, inclinado, o desplazado del centro en
un recipiente cilíndrico.
Las placas deflectoras se distribuyen en el tanque según la figura 2.23, esta
distribución puede variar según la semejanza geométrica.
Placas deflectoras distribuidas en el tanque uniformemente
39 En la tabla 2.8 se muestra las dimensiones de placas deflectoras en mm según
el tamaño del diámetro del tanque.
Fuente: Operaciones Unitarias M. Sc Luis Felipe Miranda Zanardi-2011
En la siguiente figura 2.24 se muestra el comportamiento del fluido de forma axial
en un recipiente con placas deflectoras.
Comportamiento axial del fluido en recipientes con deflectores.
40 En la siguiente figura 2.25 se muestra el comportamiento del fluido de forma
radial en un recipiente con placas deflectoras.
Comportamiento radial del fluido en recipientes con deflectores.
Fuente: Perry R. manual del ingeniero químico en inglés; 1999 p.1629.
2.5.1.3. Recipientes pequeños
Se considera los recipientes pequeños cuando su diámetro es inferior a los 1.8m
de diámetro, su uso en operaciones mineras es escasa, por lo general son vistas
en el área de preparaciones de reactivos, o en plantas pilotos de la misma
minera.
En la figura 2.26 se muestra un recipiente de agitación pequeño.
Recipiente de agitación pequeño
41 2.5.1.4. Recipientes de gran tamaño
Los recipientes de gran tamaño se consideran cuando su volumen supera los
4m3, su sistema de agitación por lo general son robustas, así como también el
recipiente necesita sus refuerzos para soportar cargas altas.
En la figura 2.27 se muestra tanques agitadores de 40’x40’ Orcopampa
segunda etapa, compañía de minas Buenaventura-Tambomayo.
Tanques agitadores 40’x40’-Orcopampa segunda etapa - Buenaventura
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