FACULTAD DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y DE MATERIALES
TESIS
PRESENTADA POR LOS BACHILLERES:
TRAVEZAÑO CASTRO, Steven Silver
ANTONIO PARIONA, Cristian Saul
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO METALURGISTA Y DE MATERIALES
HUANCAYO - AGOSTO 2019
“EFECTO DEL USO DE FLOCULANTES MODIFICADORES REOLÓGICOS EN EL ESPESAMIENTO DE RELAVES REALIZADOS EN LA EMPRESA DE CONSULTORÍA E
INGENIERÍA KEST E.I.R.L - 2018”
ASESOR
MSc.: LUIS ANTONIO PACHECO ACERO
DEDICATORIA
DEDICATORIA La presente Tesis, está dedicado a mi madre
y hermanos por su constante apoyo y comprensión en el desarrollo de mi carrera profesional.
Steven Travezaño
Dedico está tesis a mis queridos padres, hermanos y mi familia quienes fueron siempre fuente de motivación para poder continuar desarrollándome en mi etapa personal y profesionalmente.
Cristian Antonio
AGRADECIMIENTO
Durante todo este desarrollo y etapa de nuestra formación profesional agradecemos a cada uno de nuestros docentes de la facultad de Ingeniería Metalúrgica y de Materiales, con quienes se compartió muchas experiencias y sabidurías. Por otro lado, agradecemos a todo el personal de la empresa KEST E.I.R.L. por el constante aporte académico y práctico que brindo para la realización de la presente tesis, a todos ellos y demás familiares muchísimas gracias.
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN ... 8
CAPÍTULO I ... 9
GENERALIDADES ... 9
1.1 DATOS DE LA EMPRESA KEST ... 9
1.2 VISIÓN Y MISIÓN DE KEST ... 10
1.2.1 MISIÓN ... 10
1.2.2 VISIÓN ... 10
2. CAPÍTULO II ... 11
ASPECTOS DE LA INVESTIGACIÓN ... 11
2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 11
2.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ... 12
2.2.1 PROBLEMA GENERAL ... 12
2.2.2 PROBLEMAS ESPECÍFICOS ... 12
2.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN ... 12
2.3.1 OBJETIVO GENERAL ... 12
2.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICO ... 13
2.4 JUSTIFICACIÓN ... 13
2.5 FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS ... 14
2.5.1 HIPÓTESIS GENERAL ... 14
2.5.2 HIPÓTESIS ESPECÍFICO ... 15
3. CAPÍTULO III ... 16
MARCO TEÓRICO ... 16
3.1 RELAVE ... 16
3.2 PROCESO DE SEDIMENTACIÓN ... 17
3.2.1 LEYES DE LA SEDIMENTACIÓN ... 18
3.2.1.1LEY DE STOKES ... ¡ERROR!MARCADOR NO DEFINIDO. 3.2.2 TIPOS DE SEDIMENTACIÓN ... 19
3.2.2.1SEDIMENTACIÓN LIBRE ... 19
3.2.2.2SEDIMENTACIÓN CON FLOCULANTE ... 19
3.2.2.3SEDIMENTACIÓN OBSTACULIZADA ... 20
3.2.2.4SEDIMENTACIÓN POR COMPRESIÓN ... 20
3.2.3 RANGOS DE ESPESAMIENTO... 22
3.2.4 ESPESADORES INDUSTRIALES ... 23
3.2.5 TECNOLOGÍAS DE ESPESAMIENTO ... 27
3.2.5.1ESPESADORES CONVENCIONALES ... 27
3.2.5.2ESPESADORES DE ALTA CAPACIDAD ... 28
3.2.5.3ESPESADORES DE ALTA DENSIDAD ... 29
3.2.5.4ESPESADORES DE PASTA ... 30
3.3 FLOCULACIÓN ... 31
3.4 FLOCULANTES ... 32
3.4.1 CLASIFICACIÓN DE FLOCULANTES ... 33
3.4.1.1FLOCULANTES ANIÓNICOS ... 33
3.4.1.2FLOCULANTES CATIÓNICOS ... 33
3.4.1.3FLOCULANTES NO IÓNICOS ... 33
3.5 REOLOGÍA ... 33
3.5.1 VISCOSIDAD ... 36
3.5.1.1TIPOS DE VISCOSIDAD ... 38
3.5.2 CLASIFICACIÓN DE FLUIDOS ... 39
3.5.2.1FLUIDOS NEWTONIANOS ... 42
3.5.2.2FLUIDOS NO NEWTONIANOS ... 42
3.5.2.3FLUIDOS VISCOELÁSTICOS ... 47
3.6 RESISTENCIA A LA FLUENCIA (YIELD STRESS) ... 48
4. CAPÍTULO IV ... 49
METODO EXPERIMENTAL DE LA INVESTIGACIÓN ... 49
4.1 EQUIPOS Y MATERIALES ... 50
4.2 PLAN DE TRABAJO ... 51
4.3 DESARROLLO DEL TRABAJO ... 52
4.3.1 ENSAYO DE DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA ... 53
4.3.2 ENSAYO DE GRAVEDAD ESPECÍFICA ... 54
4.3.3 ENSAYO DE LÍMITES DE ATTERBERG ... 54
4.3.4 ENSAYOS DE SEDIMENTACIÓN ESTÁTICA ... 55
4.3.4.1SELECCIÓN DE FLOCULANTE ... 55
4.3.4.2PREPARACIÓN DE LOS FLOCULANTES ... 57
4.3.4.3PREPARACIÓN DE LA PULPA –RELAVE ... 57
4.3.4.4PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PARA LA SELECCIÓN DE FLOCULANTE ... 58
4.3.4.5OPTIMA DILUCIÓN Y DOSIFICACIÓN ... 61
4.3.5 ENSAYOS DE REOLOGÍA ... 64
CONCLUSIONES ... 68
RECOMENDACIONES ... 69
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 70
ANEXOS ... 71
RESUMEN
La presente investigación metalúrgica, nace a partir de un constante problemática en el tratamiento de los relaves mineros, el cuál viene hacer mas del 90% del total de lo que una mina llega a tratar, siendo la etapa de espesamiento de relaves el punto principal de procesamiento del relave, en el cual se busca aumentar el porcentaje de sólidos y recuperar la mayor cantidad de agua óptima.
Es por ello que tenemos como principal objetivo incrementar la capacidad de procesamiento para el relave espesado en una planta concentradora, usando como reactivo a los polímeros de nombre “modificadores reológicos”;
el cual tiene la capacidad de modificar las propiedades reológicas de un fluido bifásicos.
Por lo tanto, se realizaron diversos ensayos desde conocer bien la caracterización del relave ensayo hasta hacer ensayos de sedimentación seleccionando al modificador reológico mas óptimo y obteniendo asi en los resultados en comparación con un modificador convencional una mejoría en el relave tratado, el cual es de gran consideración y se concluye así que la presente investigación fue con un resultado favorable y el cual debería seguirse haciendo más ensayos con diferentes relaves.
Palabras claves: capacidad, relaves, espesamiento, ensayos, modificadores reológicos.
INTRODUCCIÓN
Actualmente se emplean diferentes polímeros para la etapa de espesamiento de relaves para lo cual el uso y selección de este polímero es esencial en esta etapa de procesamiento del relave.
Estos polímeros conocidos comercialmente como floculantes son usados en el espesador con la finalidad de
generar una mayor velocidad de sedimentación, una mejor claridad del agua en el rebose y un mayor contenido de sólidos en la descarga; según las necesidades de la operación minera.
Existen en el mercado dos tipos de floculantes diferenciados por su capacidad de cambiar las propiedades reológicas de un fluido bifásico; estos floculantes han sido denominados floculantes convencionales y floculantes modificadores reológicos.
Sin embargo, surge el interés de conocer el tipo y nivel de efecto que causarían estos modificadores en la etapa de espesamiento, motivo por el cual nace el presente trabajo de investigación.
Este trabajo de investigación fue desarrollado en la empresa de consultoría e ingeniería KEST en donde se trabajó con un tipo de relave producto de un proceso metalúrgico de recuperación de concentrado de cobre, para el desarrollo de la evaluación del efecto del modificador reológico en la etapa de espesamiento.
CAPÍTULO I GENERALIDADES
1.1 Datos de la Empresa KEST
Los datos principales de la empresa donde se realizó el presente trabajo de investigación son:
Razón social: KEST E.I.R.L.
RUC: 20601515301
Rubro: Consultoría en Ingeniería / Laboratorio Teléfono: (+51) 01 -744 36 38
Dirección: Av. El Cortijo Nro. 595 – Dpto. 703, Urb. Huertos de Santa Rosa, Surco – Lima
KEST como empresa, cuenta a la fecha de elaboración de este documento con más de dos años de operación brindando servicios para
el sector minero, siendo uno de ellos, el servicio de consultoría e ingeniería para el procesamiento de minerales y manejo de relaves.
El servicio en el sector de manejo de relaves abarca varias etapas que van desde el procesamiento del relave con diferentes tecnologías, el transporte, disposición superficial o subterránea como relave en pasta, relleno cementado y otros; así como también el depósito de relaves.
Desde su constitución como empresa KEST ha venido desarrollando varios proyectos en cuanto a relaves y logrando trabajar directamente con algunas unidades mineras, como son, Mahr Tunel, Andaychagua, Chungar, Carahuacra, San Cristobal, Ticlio, Casapalca, Constancia, Cerro Corona y Punta Lobitos.
Asimismo, desarrollan planes de investigación y pruebas metalúrgicas sobre relaves, las cuales abarcan desde la caracterización físico – química hasta ensayos reológicos para el procesamiento y manejo de relaves para disposición superficial o subterránea.
1.2 Visión y Misión de KEST
1.2.1 Misión
Proporcionar a sus clientes soluciones adecuadas y especializadas para el procesamiento, manejo y transporte de relaves mineros, según las características específicas de cada proyecto, tomando en consideración aspectos económicos, estratégicos, geográficos, y operacionales.
1.2.2 Visión
Consolidarse en el mercado local como una empresa nacional de excelencia, en la prestación de servicios de consultoría y diseño de ingeniería especializada en relaves y ser reconocidos por la seguridad, calidad, puntualidad y eficiencia de nuestros trabajos.
2. CAPÍTULO II
ASPECTOS DE LA INVESTIGACIÓN
2.1 Planteamiento del Problema
En las plantas de procesamiento de minerales, una cantidad superior a los 95% del mineral procesado pasa a ser clasificado como relave, que es la parte del mineral que se descarta por no tener valor económico. Esté se descarga en forma de pulpa, que es suspensión de sólido y agua.
Es aquí donde la tecnología de relaves espesados como solución ante la gran cantidad de relave generado, adquiere un rol importante, haciendo que todo este relave sea transportado hacia un espesador de relaves, el cual tiene como objetivo asentar las partículas sólidas en un medio fluido, aumentando así el contenido de sólidos en la descarga y recuperando así un volumen de agua considerable para ser reusado en los diversos procesos. Tener mayor contenido de sólidos en la descarga de los
espesadores es de interés de estas operaciones debido a los beneficios que estos generan.
Sin embargo, aumentar el contenido de solidos tiene sus limitaciones en el espesador y en el sistema de transporte. Por lo que nace la inquietud de hacer pruebas con floculantes que ayuden a incrementar el contenido de sólidos en el espesador, verificando que este incremento no afecte al proceso actual de sus operaciones.
2.2 Formulación del Problema
2.2.1 Problema general
¿Qué efectos se obtendrá en la etapa de espesamiento de relaves con el uso de floculantes “modificadores reológicos” en una planta concentradora?
2.2.2 Problemas específicos
¿Cómo incrementará la capacidad de procesamiento para el relave espesado usando floculantes denominados “modificadores reológicos”?
¿Qué tipo de polímeros podrían reemplazar a los floculantes convencionales?
¿Cuáles serán los parámetros por evaluar para considerar el uso de un modificador reológico en la etapa de espesamiento de relaves?
2.3 Objetivos de la Investigación
2.3.1 Objetivo General
Incrementar la capacidad de procesamiento para el relave
2.3.2 Objetivos Específico
Determinar si la capacidad de procesamiento aumenta con el uso de floculantes modificadores.
Determinar que polímeros podrían remplazar a los floculantes convencionales.
Determinar que parámetros se considerarán para el uso de un modificador reológico en la etapa de espesamiento de relaves.
2.4 Justificación
El trabajo de investigación se justifica frente al poco uso de este polímero de nombre “modificador reológico” el cual puede generar diversas alternativas eficientes, frente a problemas muy comunes que se generan en la industria minera, debido a que diariamente tienen en promedio un 95% del mineral procesado como relave, por tanto, para evitar filtraciones hacia el suelo y napas subterráneas la única opción es su almacenamiento.
El cual lleva a construir presas de relave; asumiendo el manejo de estos en la operación clave para la recuperación de agua, el cual tiene que ser llevado a unos depósitos de relaves, siendo estos a veces limitados con diferentes problemas que se suscitan en el transcurso del tiempo que pueden ser:
Limitación con el tiempo de vida útil del depósito
Limitación por el espacio disponible para ampliar su infraestructura
Limitación en Inversiones de capital, que en las empresas lo denominan como “CAPEX” (Capital Expenditure) autoriza la compra de bienes de capital o agrega valor a los bienes existentes cuya vida útil se extienda más allá del año tributario.
Entre otras justificaciones técnicas que representa el uso del
“modificador reológico” tenemos lo siguiente:
a) Extender el tiempo de vida útil de la presa de relaves.
b) Generar alternativas para aumentar los parámetros en
sedimentación que se dan en el espesador de relaves (velocidad de sedimentación, claridad del overflow, % descarga, resistencia a la fluencia “Yield stress”), para que no se vean en la estricta necesidad de adquirir otra tecnología de espesamiento.
c) Disminución de agua sobre la presa de relaves, minimizando así, situaciones de colapso en las presas por licuefacción.
d) Reducir las irregularidades subterráneas y la separación de partículas.
Beneficiario
El presente trabajo es de importancia, debido a que los resultados de investigación permitirán dar el debido interés a este polímero que actualmente no es muy usado, de manera que las diversas Plantas Concentradoras, empiecen hacer pruebas con esté modificador
reológico, atenuando así los diversos problemas ya mencionados que se suscitan al tener que lidiar con grandes toneladas de relave.
2.5 Formulación de Hipótesis
2.5.1 Hipótesis General
Mediante el adecuado uso de los polímeros “modificadores reológicos” se logra incrementar la capacidad de procesamiento para el relave espesado en una planta concentradora.
2.5.2 Hipótesis Específico
Mediante los resultados de los ensayos de laboratorio usando los floculantes denominados “modificadores reológicos”, vemos el aumento de la capacidad de procesamiento reflejado en los parámetros de sedimentación (una mayor velocidad de sedimentación, mejora en la claridad del rebose, aumento en la densidad de descarga y un incremento en el esfuerzo de cedencia, conocido con su nombre en inglés como “yield stress”).
Haciendo ensayos de laboratorio con las diferentes gamas de polímeros que existen en el mercado, llevando todas estas a una misma prueba con una misma muestra (relave) y a las mismas condiciones, vemos que los modificadores reológicos podrían remplazar a los modificadores convencionales otorgando mejores resultados de operación.
Se evaluará los siguientes parámetros o Velocidad de sedimentación (m/h) o Claridad del rebose (NTU)
o Densidad de descarga (%) o Yield Stress (Pa)
3. CAPÍTULO III MARCO TEÓRICO
3.1 Relave
El relave es un conjunto de desechos tóxicos que resulta producto de los procesos mineros de la concentración de minerales, usualmente constituido por una mezcla de mineral molido con agua y otros compuestos que no tienen un valor comercial), aunque también se encuentran bajas concentraciones de metales pesados, tales como cobre, plomo, mercurio y metaloides como el arsénico.
Los relaves contienen altas concentraciones de productos químicos y elementos que alteran el medio ambiente, por lo que deben ser transportados y almacenados en «tranques o depósitos de relaves», los cuales, con la ayuda de diversos métodos, hacen que los sólidos se vayan
Imagen 1. Forma y textura de las partículas. Elaboración propia, adaptado de Krumein & Sloss (2010)
mayoría para poder ser reusado en los diversos procesos que abarca la planta concentradora y otra parte de forma natural se evapore.
Se podría dar un estimado que, para obtener una tonelada de concentrado, se generan casi 30 toneladas de relave, es por ello la importancia de generar un buen tratamiento a estos relaves.
Dado que el costo de manejar este material es alto, las compañías mineras intentan localizar los "tranques o depósitos de relaves" lo más cerca posible a la planta de procesamiento de minerales, minimizando costos de transporte y reutilizando el agua contenida.
3.2 Proceso de Sedimentación
Sumatoria de acciones de la gravedad en una mezcla bifásica, que produce colocar las partículas en suspensión en un medio líquido, creando una pulpa densa en la parte inferior y un líquido transparente flotante en la parte superior.
Esta pulpa espesada concentrará sólidos en comparación con la pulpa de ingreso original del alimento en proceso, siempre y cuando exista diferencias entre la densidad del sólido y del líquido que lo contiene.
Sim embargo las partículas no son esféricas y en la mayoría de los casos sedimentan alrededor de otras partículas. En la Imagen 1 se puede apreciar las diferentes formas y texturas que presentan las partículas.
Imagen 2. Representación de la Ley de Stokes.
Elaboración Propia, adaptado de metallurgist.com/blog/category/metalurgia
3.2.1 Ley de Stokes
Esta ley se refiere a la fuerza de fricción causada por cuerpos esféricos que se mueven en líquidos viscosos en regímenes de capas con un número de Reynolds bajo. Fue creado en 1851 por George Gabriel Stokes. En general, la ley de Stokes es válida para el movimiento de pequeñas partículas esféricas que se mueven a bajas velocidades.
La velocidad de sedimentación se puede calcular en su expresión matemática más simple por la Ley de Stokes, la cual considera la fuerza de fricción generada por el medio (agua) en régimen laminar, sobre una partícula esférica moviéndose a bajas velocidades; ver Imagen 2.
Representada mediante la siguiente formula:
Donde:
r = radio de la esfera, π μ = viscosidad del fluido, μ v = velocidad de la esfera, v
De esta ley se deriva la ecuación que permite calcular la velocidad terminal de una partícula en un medio viscoso (agua) en flujo laminar. La
….. (1)
velocidad terminal es la velocidad máxima que alcanza una partícula durante su sedimentación. Ver (Ec. 2)
3.2.2 Tipos de sedimentación
3.2.2.1 Sedimentación libre
En la sensación de sedimentación discreta, las partículas se asientan en el agua individualmente sin interactuar con otras partículas vecinas. Este tipo de sedimentación ocurre con la presencia de una concentración relativamente bajo de partículas sólidas presentes en el agua.
3.2.2.2 Sedimentación con floculante
Este tipo de sedimentación se produce cuando las partículas sólidas en el enlace del agua se juntan, crean masas como grupos llamados flóculos, lo cual se forma como un resultado de reacciones biológicas o químicas que causan las partículas sólidas dentro del agua para unir más fácilmente.
Dado que la unión de partículas, aumentando así su tamaño, tienden a asentarse más rápidamente.
Donde:
vg = velocidad terminal o límite
dp = diámetro de partícula Δρ = diferencia de densidad
del sólido y el liquido g = gravedad
….. (2)
La sedimentación floculante tiene lugar cuando el agua tiene una concentración relativamente alta de partículas sólidas, pero no una concentración lo suficientemente alta como para restringir el movimiento del agua.
3.2.2.3 Sedimentación obstaculizada
Cuando la concentración de partículas floculantes se encuentra en el rango intermedio, están lo suficientemente cerca como para que las fuerzas entre partículas sean suficientes para impedir el asentamiento de las partículas vecinas, lo que resulta en un asentamiento impedido.
Las partículas mantienen sus posiciones relativas entre sí y toda la masa de partículas se asienta como una unidad o zona.
Este tipo de asentamiento es aplicable a suspensiones concentradas, como las que se encuentran en tanques de sedimentación secundarios que se utilizan junto con unidades de tratamiento biológico, como filtros de goteo y unidades de lodo activado. En la zona de asentamiento obstaculizada, la concentración de partículas aumenta de arriba hacia abajo, lo que lleva a un engrosamiento del lodo.
Dichos clarificadores secundarios donde se produce el asentamiento de partículas, se diseñan sobre la base de la carga de sólidos o el flujo de sólidos y se verifican para determinar la tasa de asentamiento de la superficie, los cuales pueden determinarse mediante el análisis de la columna de asentamiento.
3.2.2.4 Sedimentación por compresión
Esto se refiere al asentamiento en el que la concentración de partículas es tan alta que las partículas están en contacto físico entre sí, lo que resulta en la formación de una estructura con capas inferiores que soportan el peso de las capas superiores. En consecuencia, se produce
Imagen 3. Tipos de sedimentación. Elaboración propia, adaptado de Gautam (2006)
un asentamiento adicional debido a la compresión de toda la estructura de las partículas y se acompaña de la extracción del agua de los poros entre las partículas sólidas. La compresión tiene lugar a partir del peso de las partículas que se agregan constantemente a la estructura mediante la sedimentación del líquido sobrenadante.
El asentamiento por compresión generalmente ocurre en las capas inferiores de una masa de lodo profundo, como en el fondo de los tanques de sedimentación secundarios después del tratamiento biológico con filtros de goteo y el proceso de lodo activado, y en los espesadores utilizados para el espesamiento del relave o concentrado.
En la Imagen 3 y la Imagen 4, se muestran las regiones de los cuatro tipos de sedimentación que ocurren cuando la concentración de las partículas están suspendidas, inicialmente a una concentración uniforme, se coloca en una probeta graduada. Durante una operación de sedimentación, es común que ocurra más de un tipo de asentamiento en un momento dado, y es posible que los cuatro ocurran simultáneamente.
La sedimentación primaria y la sedimentación con ayuda química involucran los asentamientos libres y con floculante, hacen que el análisis de cada uno de estos dos tipos de asentamientos se analice por separado.
Imagen 4. Los 4 tipos de sedimentación visto de forma individual. Elaboración propia.
3.2.3 Rangos de espesamiento
El proceso de espesamiento de la pulpa, se encuentra en función a la cantidad de agua que puede ser extraída en el espesamiento, la cual es afectado por la distribución de tamaño de partículas, mineralogía, tipo de floculante empleado, dilución previa, etc.
Los estudios de los tipos relaves y plantas de procesamiento alrededor de todo el mundo, incluyendo relaves de oro, plata, cobre, zinc, bauxitas, fosfatos, diamantes, etc. muestran la factibilidad para la producción de relaves espesados. “la conversión de espesamiento convencional a espesado puede ser realísticamente alcanzada por cualquier operación existente, sin embargo, el requerimiento mayor, es el contenido de finos (- de 20 micrones) de al menos 15% para asegurar una buena transportabilidad y consistencia.
A continuación, en la Imagen 5 se muestra un diagrama del resumen de los rangos de espesamiento o desaguado.
Imagen 5. Rangos de espesamiento. Tomado de Golder (2005a:2)
En la práctica podemos ver que cada relave tiene un comportamiento distinto a otro, motivo por el cual no existe valores de sólidos que haga mención a todos los materiales varían desde masa normal hasta pasta dura o pasta. Sin embargo, en promedio, el contenido de sólidos en las pastas varía de un 40 a un 90% más de sólidos en peso, debido a los minerales, la distribución del tamaño de las partículas, el contenido de arcilla, la forma de las partículas, la fuerza de las fuerzas estáticas y la dosis de coagulación.
Este concepto es de vital importancia al momento de comparar procesos de espesamiento de otros materiales.
3.2.4 Espesadores Industriales
Los espesadores industriales son equipos usados para separación sólido-líquido en el que las partículas sólidas contenidas en una pulpa se dejan decantar, produciendo un rebose de agua clarificada (overflow) y un lodo concentrado en la descarga (underflow).
Las dimensiones de un espesador están en función al área unitaria del material a tratar y parámetros de diseño.
En un espesador se pueden distinguir al menos tres sectores bien diferenciados:
Sector de Clarificación
Sector de Sedimentación
Sector de Comprensión
El alimento pulposo, generalmente es dirigido por un canal, con una pendiente adaptada a sus características, garantizando así cero desembolsos de partículas, hacia el “foso de alimentación” (feedwell) cuya ubicación es el centro del tanque y por debajo de la superficie del líquido sobrenadante, en el sector de sedimentación para así evitar perturbaciones, es desde aquí donde se distribuye la carga, uniformemente en todo el tanque.
En donde la concentración de lodos en la parte final de los equipos, llegan a ser arrastrados al cilindro de descarga (compresión), mediante un sistema de barrido de fondo, compuesto por una rastra suspendida regulable, desde donde los lodos serán trasladados por presión hidrostática, como también bombeo, mientras tanto el agua se llegará a clarificar de los sólidos por lo que rebosará por un vertedero periférico.
El sistema de rastras de espesores modernos o recientes pueden llegar a ser trasladados automáticamente al llegar ser registrado un exceso en el torque permitido (Wills 2006: 382, Gupta 2006: 401-403).
A continuación, se llega a describir los elementos de un espesador:
Canal de alimentación: Es el conductor de la pulpa y encargado de trasladarlo al foso de alimentación. Este canal llega a tener un pendiente de 1 ,5%, y se dimensiona en 1m, el cual está por debajo de la superficie, al nivel del espesador para reduce la turbulencia.
Cilindro de alimentación (feedwell): Disipa la energía cinética que lleva el flujo de alimentación, como también, ayuda a dirigir la pulpa a una adecuada profundidad en el interior del espesador.
Tanque (sidewell): Es el encargado de proporcionar el tiempo necesario de residencia para originar “sedimentación de los sólidos”. Su altura se da en función a la compactación, que se desee lograr y por ende el porcentaje de sólidos (%), en la descarga. En su mayoría son de fondo cónico que facilita el movimiento del lodo hacia el punto central de evacuación, sin embargo, al tener un fondo plano, los lodos sedimentados forman su propia pendiente cuyo ángulo depende del ángulo en reposo, del material que se produce una pendiente natural.
Pueden estar hechos de acero, hormigón o una combinación de los dos, como ocurre con los tanques de hormigón para grandes condensados.
La mayoría de los gabinetes se montan en los pies o en el piso con túneles de drenaje de entrada.
Canal de rebose: El canal terminal captura el excedente indicado y lo dirige a un punto específico de almacenamiento.
Brazos de la rastra: Su función es el desplazamiento de los sólidos que se encuentren sedimentados dirigidos al punto de evacuación, e incrementar el contenido de sólidos en la descarga, el cual permitirá la liberación de agua por medio de canalización en la cama compactada.
Usualmente posee cuatro brazos, largos (2) y cortos (2), los cuales pueden llegar a ser soldados o empernados al eje central. En el caso de los brazos largos el uso de cables adicionales de apoyo es comunes.
Grupo motriz: Tiene una transmisión central que consta de un motorreductor y proporciona el par necesario para girar los brazos y peines. El motor de peine se puede ubicar en el centro del tanque o en el perímetro del espesador.
Dispositivo de elevación: Es un proceso de acción mecánica que facilita la subida de los brazos de la zona que genera el compacto de sólidos al detectarse, altos torques, tomando, por ejemplo, a mayores de 5 o 30 veces de torque nominal, y el fin es minimizar el esfuerzo del mecanismo de accionamiento, así como proteger el grupo motriz del
equipo. Este es empleado en su mayoría para “espesadores” que tienen grandes dimensiones de diámetro.
Puente: La presencia de un puente en el transcurso del largo del tanque de espesor, llega a ser común desde la periferia al centro o recorriendo el diámetro total de éste. La finalidad del puente es servir labores de mantenimiento, como también el soporte del canal de ingreso de la pulpa.
Estructura base de un espesador industrial. Ver Imagen 6.
La acción de descarga del espesador proviene de una lechada que tiene baja resistencia a la fluencia y se puede inyectar fácilmente en presas convencionales de desmonte, así como presas con desmonte muy grueso que tiene una alta resistencia al tratamiento de presa sin necesidad de encofrado regular o relleno de mina.
Imagen 6. Espesador industrial. Elaboración propia, adaptado de Maquina Perú (2010)
Según la clasificación de consistencia que se desee lograr a alcanzar en la descarga se clasifican los espesadores tal como se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Principales consistencias de los espesadores industriales.
Elaboración propia
3.2.5 Tecnologías de espesamiento
La tecnología de espesamiento ha madurado mucho en las últimas décadas, de la mano con la tecnología de los floculantes y diversos polímeros más, que juntamente con los métodos de mezclado y adición, que significan una operación más eficiente, haciendo posible incrementar ratios de procesamiento convencionales. Es así como en el mercado podemos encontrar los siguientes tipos de espesadores:
Espesadores convencionales
Espesadores de alta capacidad
Espesadores de alta densidad
Espesadores de pasta
3.2.5.1 Espesadores convencionales
Tecnologías de Espesamiento
Yield Stress unshared Convencional < 30 Pascales
(Pa) Alta Capacidad < 50 Pa Alta Densidad 50 Pa < X < 120
Pa Pasta 100 Pa – 350 Pa
Imagen 7. Espesador convencional. Elaboración propia, adaptado de Di Canvak.
Los espesadores convencionales son caracterizados gracias a su bandeja de alimentación (feedwell) la cual está ubicada la parte superior del equipo. En la parte inicial del espesante, la corriente de alimentación se combina con el agua recuperada y se diluye a un valor conocido como concentración conjugada, haciendo que esta suspensión diluida precipite a una velocidad sincrónica, creando una capa de altura variable que se convierte en un residuo, en la parte inferior del equipo. Ver Imagen 7.
3.2.5.2 Espesadores de alta capacidad
Tiene como parte distintiva una bandeja de alimentación profunda que llega a descargar el flujo de alimento bajo el nivel de sedimento. Al llegarse a mezclar la alimentación y el sedimento, llega a forma una suspensión mayor a la de la alimentación y mayor o igual que la concentración critica.
Por este motivo, los espesadores de alta capacidad no existen una razón de sedimentación, que origina la restricción de la capacidad del espesador. El reciclaje se da muchas veces en la descarga del espesador con alta capacidad y cuyo objetivo es la concentración de la alimentación antes de producir la mezcla con el sedimento. El resultado es que, generalmente, estos espesadores tienen mayor capacidad que los convencionales.
Sin embargo, los condensadores de alta potencia han demostrado que los tiempos de mantenimiento son de minutos a horas para los condensadores convencionales, que son inherentemente inestables y, por lo tanto, complejos de usar y controlar. Ver Imagen 8
3.2.5.3 Espesadores de alta densidad
Es un espesador convencional o de alta capacidad, pero lo que lo diferencia del espesador de alta capacidad es que tiene mucho mayor altura. Esta altura adicional que en promedio son 2 metros más que la de alta capacidad, el cual permite aplicar una gran presión a las partículas precipitadas que se van a descargar del dispositivo, obteniendo así una concentración de vacío muy grande. En muchos casos, estos condensadores tienen un pequeño cono para ayudar a liberar aire. Ver Imagen 9
Imagen 8. Espesador de Alta Capacidad. Elaboración propia, adaptado de Di Canvak (2010)
Imagen 9. Espesador de alta densidad.
Elaboración propia, adaptado de Di Canvak
También se puede agrupar por estructura en: eje, puente, eje, tracción circunferencial y sin mecanismo.
3.2.5.4 Espesadores de pasta
Son espesadores de alta capacidad, con mayor altura de cama de sólidos. Estos espesadores son los más grandes que existen en la industria, pueden llegar a una altura mayor a los 8 metros.
Los espesadores de pasta cuentan con un tanque de mayor profundidad que los espesadores de alta capacidad proporcionando de esta manera altos tiempos de residencia y maximizando la compresión por efectos gravitatorios. Además, la descarga del equipo cuenta con ángulos de cono pronunciados (alrededor de 60°) lo que provee una zona de alta compresión. Poseen un mecanismo de rastra aún más robusto capaz de manejar los altos torques requeridos.
Por lo general, requieren de un alto grado de automatización y bombas de descarga y/o recirculación de frecuencia variable. En resumen, los espesadores de cama profunda o de pasta como también se les denomina, incrementa la eficiencia del floculante mediante el sistema de patentados de dilución, empelando un tanque de gran altura para producir alta compresión, cuyos ángulos son de 40 a 60° y sistemas robustos para sus rastras, que lleguen a manejar materiales muy densos.
En la práctica industrial, de sistemas de cizallamiento y los grados altos de automatización ocasiona un control preciso de las condiciones que se desean en la descarga, sin exponer la integridad de los equipos aguas abajo.
Los espesadores de pasta si bien es cierto puede ser la tecnología de mayor costo de inversión, pero puede llegar a otorgar valores de yield stress de 100 Pascales a 350 Pa. Ver Imagen 10.
3.3 Floculación
El estudio de los procesos de floculación comenzó en la segunda mitad del siglo XX; las técnicas de medida para la clarificación del agua se basaban, en la separación de las partículas por tamaño, mediante la sedimentación por gravedad o mediante la centrifugación a diferentes intensidades.
A pesar de que se conocía la importancia de las propiedades eléctricas de las partículas desde esta fecha, no se desarrollaron técnicas comerciales de medida basadas en estas propiedades hasta los años de 1970. Al mismo tiempo que evolucionaba el mundo de la electrónica, surgieron técnicas ópticas para la medida fundamental de la floculación mecánica de partículas, y posteriormente, se desarrollaron técnicas capaces de medir la distribución de tamaños de partículas o flóculos, obteniendo así una caracterización completa del proceso de floculación.
La floculación es el proceso que sigue a la coagulación, que consiste en la agitación de la masa coagulada que sirve para permitir el crecimiento y aglomeración de los flóculos recién formados con la finalidad de aumentar el tamaño y peso necesarios para sedimentar con facilidad.
Estos flóculos inicialmente pequeños, crean al juntarse aglomerados mayores que son capaces de sedimentar. Ver Imagen 11.
Imagen 10. Espesador de Pasta. Elaboración propia, adaptado de Collins (2013)
3.4 Floculantes
Según su naturaleza química, los floculantes pueden ser inorgánicos y orgánicos. Los floculantes inorgánicos (electrolitos) son sales solubles en agua, normalmente formadas por cationes polivalentes, siendo las más utilizadas las sales de hierro, aluminio y sílice. Los floculantes orgánicos pueden ser: naturales (polisacáridos) y sintéticos (polímeros) que tienen grupos activos distribuidos a lo largo de su cadena.
Los floculantes orgánicos sintéticos, son muy utilizados en la industria química moderna; son eficaces a bajas concentraciones y pueden encontrarse como un producto no iónico o como floculantes catiónicos y aniónicos de diversos pesos moleculares (generalmente elevados), distinta densidad de carga y de una eficacia independiente del pH (González Y., 2008).
La dosis de polímero y su naturaleza, entre otras variables, son factores cruciales en el proceso de floculación, ya que determinan el mecanismo por el que éste tiene lugar.
Imagen 11. Interacción de las partículas con el polímero. Fuente:
www.revistaquimica.org.pe
3.4.1 Clasificación de Floculantes
3.4.1.1 Floculantes Aniónicos
Son los más usados en la sedimentación de pulpas de relaves y concentrados de minerales de Cu, C, Pb, Zn, etc. Estos son eficientes en la mayoría de las suspensiones que contienen minerales u otros solidos inorgánicos, particularmente bajo condiciones neutras o alcalinas. Los consumos o dosificaciones típicos varían entre 2 a 50 g/t (gramos de floculante por tonelada de solidos secos).
3.4.1.2 Floculantes Catiónicos
Son principalmente usados en la sedimentación de desperdicios de carbón, lamas de mineral de hierro, pulpas de relaves, concentrados de minerales, etc. Estos son eficientes en los sistemas que contienen solidos orgánicos o con Ph bajos. Estos polímeros se emplean también en las etapas de clarificación de las aguas de mina, en dosificaciones de 5 a 50g/t.
3.4.1.3 Floculantes No Iónicos
Son también usados en la sedimentación de pulpas de minerales de Fe, y flotación de Oro etc., son muy efectivos en pulpas acidas. También pueden usarse como ayuda filtrante.
3.5 Reología
La reología es la parte de la física que estudia la relación entre el estrés y la presión en materiales fluidos. La reología es una parte de la
mecánica de medios continuos. Una de las metas más importantes en reología es encontrar ecuaciones constitutivas para modelar el comportamiento de los materiales, dichas ecuaciones son, en general, de carácter tensorial.
Las propiedades mecánicas estudiadas por la reología se pueden medir mediante reómetros, aparatos que permiten someter al material a diferentes tipos de deformaciones controladas y medir los esfuerzos o viceversa. Algunas de las propiedades reológicas más importantes son:
Viscosidad aparente (relación que existe entre esfuerzo de corte y velocidad de corte)
Coeficientes de esfuerzos normales
Viscosidad compleja (respuesta que se presente ante esfuerzos de corte oscilatorio)
Módulo de almacenamiento y módulo de pérdidas (dado del comportamiento viscoelástico lineal)
Funciones complejas de viscoelasticidad no lineal.
El experimento de Newton consistió en colocar una fina capa del líquido en estudio entre dos placas paralelas muy cercanas, las cuales deben tener una superficie lo suficientemente grande como para ignorar las condiciones en sus bordes. La placa inferior está fija y la placa superior se mueve con una velocidad v en una dirección paralela a la placa inferior, mida la fuerza F requerida para realizar el movimiento de arriba.
Ver Imagen 12.
Luego de determinar la presión o tensión con la que el fluido resiste el movimiento (volumen F / A), obtenemos una fórmula matemática general que relaciona el esfuerzo cortante mencionado anteriormente con el gradiente de velocidad, a través del grado de desplazamiento (n). Básicamente es una medida de resistencia al flujo, también conocida como una medida de la transición de una capa de fluido a otra. La fórmula matemática es la siguiente y se conoce como ley de
viscosidad de Newton.
(Ec. 3)
Para los fluidos newtonianos, la viscosidad es constante en el tiempo, por lo que el esfuerzo cortante y la velocidad de corte tienen una relación lineal. El ejemplo clásico de fluido newtoniano es el agua.
Las pastas, y especialmente los relaves, no están sujetos a esta regla y aparece una relación un poco más compleja entre el esfuerzo cortante y la velocidad. Además, deben moverse a la velocidad más baja (tasa de sedimentación crítica), de lo contrario se producirá la segregación, lo que hará que los sólidos precipiten y se separen de la fase dispersa (en este caso, agua).
Imagen 12. Experimento de placa paralelas. Elaboración propia, adaptado de www.reology.com.ca
Típicamente, el símbolo de la viscosidad en fluidos newtonianos corresponde a la letra griega mu (𝝁), mientras que para fluidos no- newtonianos es común que se denote con la letra eta (η). Para evitar confusiones, en este documento la viscosidad, independiente de la naturaleza del fluido, siempre se denotará con la letra 𝜼, salvo que se especifique lo contrario.
3.5.1 Viscosidad
El fluido opuesto a la tensión ocasional. Un líquido que no se vuelve viscoso se llama líquido ideal. Los fluidos conocidos muestran viscosidad y la clase de viscosidad cero es una buena aproximación para algunas aplicaciones. La viscosidad se expresa en fluidos en movimiento. La viscosidad no se puede medir directamente, pero muestra su esencia en un simple experimento: Se consideran, superficies infinitas y paralelas entre sí, ambas separadas por una distancia dada "y'', las cuales aíslan un fluido dado.
Se llega a mantener una superficie inferior estática, y a su vez llega a desplazar la superficie, superior en la dirección x con una velocidad determinada. Ver Imagen 13.
La definición de corte T como relación entre la fuerza FA aplicada para producir el movimiento (Ec. 4) y el área de la superficie A, y la razón de corte y como el diferencial de velocidad (dv) que experimenta el fluido a
Imagen 13. Esquema de las fuerzas asociadas al fenómeno de viscosidad. Elaboración propia, tomado de Haake VT 550
lo largo de la distancia (dy) (Ec. 5), entonces la experiencia describe la existencia de una relación directa, que puede ser constante o no, entre ambos se define la viscosidad del fluido contenido entre las superficies.
(Ec. 4)
(Ec. 5)
Donde: Unidades
Ƭ = Esfuerzo de corte (N/m2)
FA = Fuerza aplicada (m/s)
A = Área superficial (m)
Η = Deformación (h)
X = Desplazamiento en la dirección “y”
Y = Desplazamiento en la dirección “x”
La representación en gráficos de ambas variables (esfuerzo de corte vs la razón de corte) se denomina "curva de fluidez" y es característica de cada fluido en estudio.
La curva de caudal describe el comportamiento por el cual un fluido conduce a diferentes caudales de corte, por lo que proporciona información muy útil, para dimensionar bombas, tubos, etc. Esto corresponde a la velocidad finita de cada componente del sistema presente en el fluido. La generación de la curva de flujo se logra aplicando diferentes velocidades de corte o fuerzas de corte de modo que la variable opuesta sea la misma que la respuesta del material.
3.5.1.1 Tipos de Viscosidad
Existen 3 tipos de viscosidades que son:
Viscosidad dinámica
Viscosidad aparente
Viscosidad cinemática Viscosidad dinámica
Es la relación entre el “esfuerzo de corte” y la “razón de corte”.
Gráficamente es la pendiente en cada punto de la "curva de fluidez".
Según el tipo de fluido, puede ser o no una constante. Si la relación es constante, tal como en la (Ec. 6), se denomina “viscosidad dinámica”
(μ). Si la ecuación no es constante, tal como en la (Ec. 7) se denomina función viscosidad (η).
(Ec. 6)
(Ec. 7)
Para viscosidades de pulpas disueltas, cuyo valor de sólidos llega a menos del 30 % también llamado agua limpia, considerando así 1 m Pa.
s para este rango de medición.
Viscosidad aparente
Es medida considerándola constante (Ec.8) Por lo tanto es incorrecto expresar la velocidad para fluidos. De modo gráfico, llega a ser la corriente del esfuerzo de corte y la razón de corte.
(Ec. 8)
Viscosidad cinemática
Se familiariza con viscosidad dinámica y la densidad del fluido que se desea emplear (Ec. 9)
(Ec. 9)
La viscosidad, cualquiera sea el tipo, depende de la cantidad de parámetros como: temperatura, “composición química”, presión, razón de corte, tiempo, etc. Por este motivo, la viscosidad de fluidos en este tipo, requieren de indicar los parámetros bajo los cuales fueron medidos, siguiendo lo establecido en las normas.
3.5.2 Clasificación de fluidos
Los fluidos están clasificados en fluidos newtonianos y fluidos no newtonianos. Si la interacción llega a ser lineal y el líquido tenso cero a cero gradientes de viscosidad entonces es “newtoniano”, por el contrario, si no llega a tener todo lo considerado es “no newtoniano”, pero si no cumple con todo esto es considerado “no newtoniano”.
Habiendo diferentes subdivisiones en base a la tensión de corte y su gradiente de velocidad. Ver Imagen 14.
Gradiente de velocidad para fluidos no newtonianos depende de la viscosidad. En la Imagen 15 veremos la clasificación de estas gradientes de velocidad.
La función matemática de la viscosidad permite clasificar tres grupos principales: newtoniano, no newtoniano y viscoelástico, de los cuales el grupo no newtoniano es más interesante, para piscinas mineras, en particular pastas minerales bifásicas.
Imagen 14. Medidores de flujo. Fuente www.ula.pe
Imagen 15. Gradientes de velocidad para fluidos no newtonianos. Fuente:
www.adareng.com
En general, aquellos fluidos con propiedades, reológicas de modo independientes del tiempo, representan mediante el “modelo genérico”
de Herschel Bulkley tal como se muestra en la Imagen 16.
De acuerdo con el modelo genérico de Herschel Bulkley, la resistencia a la fluencia (T0) y el “índice de comportamiento” de flujo (n) son suficientes para la clasificación, de los fluidos según sus propiedades reológicas, tal como se muestra en la Tabla 2.
Imagen 16. Modelo genérico de Herschel Bulkley. Fuente:
Schlumberger (2018;3)
Tabla 2. Modelo genérico de Herschel Bulkley, para fluidos con propiedades independientes del tiempo. Tomado de HAAKE VT 550
Es de suma importancia resaltar que, aunque existen diversos modelos de fluidos no newtonianos, los de mayor implicancia en la industria minera son los llamados fluido tipo plásticos Bingham. Ver Imagen 17.
3.5.2.1 Fluidos Newtonianos
Si la razón de corte mantiene una relación constante con el esfuerzo de corte entonces se dice que el fluido es Newtoniano. De la ley de Newton de viscosidad, se llega a tener la resistencia a cada fluencia entre capas de fluido adyacentes la cual llega a ser proporcional al valor negativo de la razón de corte.
Los fluidos Newtonianos presentan una curva de fluidez y viscosidad.
3.5.2.2 Fluidos no Newtonianos
Un fluido no newtoniano es aquel cuya viscosidad varia con el gradiente del esfuerzo aplicado, es decir se deforma en la dirección de la fuerza aplicada. Como resultado este tipo de fluidos no tiene un valor de viscosidad definido y constante. A continuación, se muestra en la Tabla 3 los tipos de fluidos no newtonianos.
Imagen 17. Tabla de viscosidades. Fuente:
www.newbreath.ga
Imagen 18. Curva de fluidez y viscosidad. Tomado de Itescam (2010:16)
Tabla 3. Fluidos dependientes e independientes del tiempo. Elaboración propia
Fluidos independientes del tiempo
Se puede clasificar según tenga límite elástico, es decir, si necesita un valor mínimo de esfuerzo cortante para que el fluido se mueva.
a) Fluidos pseudoplásticos: Se caracterizan por, una disminución de su viscosidad, y de su esfuerzo cortante con la velocidad de deformación. Ver Imagen 18.
b) Fluidos dilatantes: Estas son las suspensiones en las que hay un aumento de viscosidad con la relación de cizallamiento, como se muestra en la Imagen 19.
Fluidos no Newtonianos
Dependientes del tiempo Independientes del tiempo
Tixotrópicos Reopécticos Pseudoplásticos Dilatantes Plásticos
Imagen 19. Curva de fluidez y viscosidad para un fluido dilatante. Tomado de Itescam (2010:22)
Imagen 20. Curva de fluidez y viscosidad para fluidos plásticos. Tomado de Itescam (2010:24)
La expansión, también conocida como "espesamiento por cizallamiento", se produce debido a la fase dispersa del fluido. En el líquido anterior, se produce la deposición de partículas, dejando una fase continua casi sin huecos. Si luego se aplica presión, el asentamiento se altera y la distancia entre las partículas dispersas aumenta.
Además, a medida que aumenta la velocidad de deformación, se producen más turbulencias y el movimiento continuo de la fase a través de los espacios se vuelve más difícil, lo que da como resultado un mayor esfuerzo cortante (aumento de la viscosidad).
c) Fluidos plásticos: Estos tipos de fluidos, se comportan como un sólido hasta que sobrepasan un “esfuerzo cortante mínimo”
(resistencia a la fluencia) y a partir de dicho valor, se comporta como un líquido, así como se representa en la Imagen 20.
La razón por la que los fluidos plásticos se comportan de esta manera es debido a las grandes interacciones entre las moléculas suspendidas en el interior, formando una capa llamada masa fundida. Constan de dos fases, con una fase dispersa formada, por sólidos y burbujas dispersas en una fase continua. En estos fluidos, las fuerzas de Vander Waals y los enlaces de hidrógeno crean una atracción mutua entre las partículas.
La repulsión también ocurre porque los potenciales tienen la misma polaridad. En este tipo de líquido se forman coloides cuya repulsión tiende a formar una estructura similar a un gel. Si las partículas son muy pequeñas, tienen una gran superficie específica, que está rodeada por una capa absorbente formada, por partículas en fase continua. Gracias a esta capa, las partículas fijan continuamente una gran cantidad de fase hasta que se les aplica un cierto esfuerzo cortante.
Fluidos dependientes del tiempo
a) Fluidos tixotrópicos: Caracterizados por los cambios que se pueden dar en su estructura interna al aplicar un esfuerzo, produciendo así, la rotura de las largas cadenas, que forman sus moléculas. Fluidos que, aplicados en un determinado momento, un estado de “cizallamiento” (esfuerzo cortante), pueden llegar a recuperar solamente su viscosidad inicial luego de encontrarse en reposo, ver Imagen 21.
La viscosidad disminuye al contacto de una fuerza, y acto seguido incrementa cuando la fuerza cesa debido a la reconstrucción, de sus estructuras y al retraso que se produce para adaptarse al cambio. Aparece un, fenómeno de “Histéresis”.
La explicación de estas conductas es diversa. Si se considera al fluido, como el sistema disperso, se requiere considerar las partículas que existen en él pues poseen diferentes, potenciales
Imagen 21. Curva de fluidez y viscosidad para un fluido tixotrópico. Tomado de Itescam (2010:27)
eléctricos y por lo cual formar estructuras, variadas que van según sea la fase dispersa.
Si la fase dispersa, está formada por una serie de capas se denomina "Castillo de naipes”, si en. cambio se compone, de una serie de varillas se denomina "Armadura" y si la fase dispersa está compuesta, por formas esféricas se denomina "Estructura de perlas encadenadas".
El tipo electrostático son las fuerzas que influencian en estas estructuras y surgen del intercambio de iones en un líquido, provocando atracción y repulsión entre ellos, lo que conduce a cambios estructurales. Hay tres métodos para determinar la
“estabilidad reológica” de los polvos minerales.:
La prueba, del bucle de tixotropía
La prueba de corte, constante
La prueba de, deformación y recuperación
b) Fluidos reopécticos: Se reconocen por mantener un estado de comportamiento diferente a los tixotrópicos, lo que quiere decir, que su viscosidad está en aumento con el tiempo y con la velocidad, de deformación inducida y presentan una tendencia
Imagen 22. Curva de fluidez y viscosidad, de fluidos reopécticos. Tomado de Itescam (2010:30)
inversamente a estos últimos, tal como se presenta en la Imagen 22.
Esto se debe a que si se aplica una fuerza, se forma un enlace intermolecular, lo que conduce a un aumento de la viscosidad, mientras que si se detiene esta fuerza, se produce la ruptura del enlace, lo que conduce a una disminución de la viscosidad.
3.5.2.3 Fluidos viscoelásticos
Los fluidos viscoelásticos se caracterizan por presentar a la vez tanto propiedades viscosas como elásticas. Esta mezcla de propiedades puede ser debida a la existencia en el líquido de moléculas muy largas y flexibles o también a la presencia de partículas líquidas o sólidos dispersos.
La ecuación que describe el comportamiento viscoelástico está basada en el modelo de Maxwell 1 (Ec. 10). Ejemplos de fluidos viscoelásticos son la nata, la gelatina, los helados, etc.
Ƭ + ƛ *Ƭ = μ *D (Ec. 10) Donde:
Ƭ = Esfuerzo cortante aplicado ƛ = Tiempo de relajación
μ = Viscosidad aparente D = Velocidad de deformación
3.6 Resistencia a la fluencia (Yield stress)
La resistencia, a la fluencia (o Yield Stress) es aquella requerida para comenzar el flujo en un líquido, y atribuida por las propiedades en su estructura de un material en que se encuentra en reposo. Eso explica que, para esfuerzos ubicados de modo inferior a la resistencia de la fluencia, se deformará “elásticamente” siendo una recuperación completa de tal deformación al llegar a ceder, el esfuerzo que ocasionó la deformación.
Por otro lado, si se supera la resistencia, el fluido aparecerá en estado líquido. Al igual que la viscosidad, la resistencia a la fluencia depende de las condiciones de la muestra, la temperatura, el pH, el tamaño de las partículas, etc.
En la Imagen 23 se muestran algunas resistencias a la fluencia típicas.
Imagen 23. Yield Stress típico de algunas sustancias comunes.
Tomado de slideshare.
4. CAPÍTULO IV
METODO EXPERIMENTAL DE LA INVESTIGACIÓN
Este proceso de investigación forma parte experimental de los ítems ya mencionados con el planteamiento teórico del problema y los objetivos planteados al inicio del proyecto.
Este proyecto de investigación considerado como preliminar es el inicio de uno o más estudios que busquen ampliar los conocimientos necesarios para poder ejecutar soluciones que ayuden a industria minera y por tanto a la sociedad en general.
Como primer ítem, se presenta la planificación de trabajo experimental, de acuerdo con lo planteado, en el proyecto de investigación.
Este proyecto es desarrollado en el laboratorio de la empresa KEST, por lo cual ejecutamos un análisis de las principales variables que influyeron
en el proceso, para después finalizar con la presentación y discusión de resultados.
Planteamiento del Procedimiento Experimental
El Proyecto de investigación ha sido planteado y conceptualizado teóricamente en el problema de la investigación, para lo cual se ha realizado un análisis teórico del problema para fundamentar la tesis desde el punto de vista conceptual y experimental, lo que permite plantear las estrategias de experimentación directamente en el laboratorio siguiendo los protocolos establecidos por cada tipo de ensayo.
4.1 Equipos y materiales
Como materia prima a la cual se le realizaron los ensayos fue a la muestra de relave en forma de pulpa producto de un proceso metalúrgico de recuperación de concentrado de cobre (no se menciona el lugar de procedencia por un tema de confidencialidad), los siguientes materiales y equipos son:
Materiales
Probetas de 250 y 1000 ml.
Cronómetros digitales
Muestreador
Vasos de precipitación de 250, 500 y 1000 ml.
Jeringas hipodérmicas
Espátulas
Frasco lavador
Varilla de vidrio
Recipientes metálicos
Fiola de 250 ml.
Luna de reloj
Depósitos de 20l de capacidad
Muestras de floculantes convencionales y modificadores reológicos
Equipos
Balanza Analítica de 0,001 de precisión
Balanza de Precisión de 0,01 de precisión
Viscosímetro HAAKE VT 550
Bomba a vacío
Horno
4.2 Plan de trabajo
Para la realización de este proyecto de investigación, se inició con la gestión logística de una muestra de relave, la cual fue materia esencial para el inicio de ensayos. Una vez ya obtenida la muestra, fue llevada hacia las instalaciones del laboratorio de KEST, el cual está ubicado en la ciudad de Huancayo.
Otro factor que influyó mucho en la investigación fue la gestión con diversas empresas que se dedican a la venta de polímeros para la industria minera, con la finalidad de que nos puedan obsequiar muestras de sus floculantes tanto convencionales como modificadores reológicos, el cual es la esencia de este proyecto de investigación de hacer un comparativo entre ambos tipos de polímeros y determinar qué efecto puede causar el reemplazar el floculante convencional por un modificador reológico.
Una vez ya con la muestra de relave y las muestras de polímeros tanto convencionales y modificadores reológicos, se procedió a realizar los ensayos en el laboratorio de KEST; los ensayos realizados fueron:
Ensayo de distribución granulométrica por tamizado e hidrómetro
Ensayo de gravedad específica del sólido
Ensayo de contenido de sólidos
Gráfico 1. Plan de Trabajo para el proyecto de investigación.
Elaboración propia
Ensayo de límites de Atterberg
Ensayo de sedimentación estática; y
Ensayos de reología
Solo los ensayos de sedimentación y de reología se realizaron por duplicado, ya que nuestro propósito del proyecto es ver el efecto del modificador reológico, por tanto, se realizó una comparación entre el uso del floculante (sin y con modificador). En el Gráfico 1 veremos la estructura del plan de trabajo.
4.3 Desarrollo del Trabajo
Para la realización de estos ensayos de laboratorio, se codifico a la muestra de relave inicial como (R-0), siendo esta muestra de relave acondicionada en los ensayos de sedimentación y reología, obteniéndose dos submuestras que serán codificadas como (R-SM) relave sin modificador y (R-CM) relave con modificador, por tanto, serán mencionadas bajo estas codificaciones.
4.3.1 Ensayo de Distribución Granulométrica
La caracterización de la muestra de relave es muy importante para el inicio de estos ensayos, pues esta información debe garantizar que la muestra a evaluar sea representativa.
La Tabla 4 resume los resultados de las características metalúrgicas de la muestra de relave (R-0). Para mayor detalle ver el Anexo A.
Parámetros Valores Unidad
Grava 0 %
Arena fina 41,5 %
Finos 58,5 %
Arcillas 16,3 %
D80 158 µm
D50 51 µm
D20 6 %
Límite líquido 29 %
Límite plástico 23 -
Índice de plasticidad 6 %
Clasificación SUCS Limo arenoso
Los resultados descritos en la tabla anterior, muestran una distribución granulométrica con muchos finos. En la Gráfica 1 se puede apreciar a mayor detalle la distribución granulométrica.
Tabla 4.Caracterización física de relaves. Elaboración propia
4.3.2 Ensayo de Gravedad Específica
Se llevo a cabo la medicion de la gravedad específica de la muestra de relave (R-0), cuyo resultado se muestra en la Tabla 5.
Muestra de Relave
Temperatura Corrección de Temperatura
Gravedad Específica
R -0 18.7 1.00030 2.75
Tabla 5. Gravedad Específica. Elaboración propia
Para mayor detalle ver en el Anexo A.
4.3.3 Ensayo de Límites de Atterberg
Este ensayo sirve para determinar los límites de contenido de humedad que caracterizan los cuatro estados de consistencia de un suelo (sólido, semisólido, plástico, semilíquido o viscoso). El límite entre los estados sólidos y semisólido se denominan límite de retracción, el límite entre los
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.001 0.01
0.1 1
10
Acumulado pasante (%)
Tamaño de abertura (µm) Relave ‐ Sin Modificador
Gráfica 1: Curva de distribución granulométrica ‐ Comparación de valores. Elaboración propia
estados semisólidos y plásticos se denomina limite plástico y el límite entre los estados plástico y semilíquido, se denomina limite líquido.
En la Gráfica 2 se muestran la curva de flujo de los límites de Atterberg para las muestras de relave inicial (R-0).
Para mayor detalle ver en el Anexo A.
4.3.4 Ensayos de sedimentación estática
4.3.4.1 Selección de Floculante
La selección de floculantes es un proceso empírico, que parte de una preselección basada en la experiencia o datos históricos del relave a trabajar, para luego hacer ensayos con una gama de floculantes, realizando una selección optima, que se determina considerando varios parámetros como los que son (velocidad de sedimentación, claridad del rebose y densidad en la descarga).
Aquel floculante que presente los mejores parámetros es considerado optimo, por el cual se procede a emplear este floculante para las pruebas de sedimentación. Para realizar las siguientes pruebas de sedimentación todas las muestras deben estar a las mismas condiciones de pulpa,
Gráfica 2. Límite de Atterberg de la muestra de relave (R‐0). Elaboración Propia
mismo contenido de sólidos y misma dosificación de floculante, preparado al mismo grado de concentración para así poder hacer un buen comparativo del efecto del floculante llevado a las mismas condiciones.
En la siguiente
Tabla 6 se muestran las características de la pulpa de relave, con el cual se seleccionó al floculante no modificador reológico y al floculante modificador reológico. Ver reporte de contenido de sólidos en el Anexo A.
Parámetros Valor
Densidad de Pulpa 57,6 g/l Contenido de sólidos 45%
Gravedad Específica 2.75 Consumo de Floculante 14 g/t Concentración de
Floculante
0.2 g/l
Volumen de pulpa 250 ml
Tabla 6. Características de la muestra de relave. Elaboración Propia
Para la selección de floculante se consideraron los siguientes polímeros:
Ixofloc 1024 (No modificador reológico)
Superfloc A – 100 (No modificador reológico)
Ixofloc 6040 (No modificador reológico)
Ixofloc 2054 (No modificador reológico)
PHP 30 – Plus (No modificador reológico)
PHP 60 – Plus (No modificador reológico)
PHP 80 – Plus (No modificador reológico)
Ixofloc 8030 (Modificador reológico)
