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CARACTERIZACION DE CELDAS DE FLOTACION DE GRAN TAMAÑO
JUAN YIANATOS B.
Centro de Automatización y Supervisión para la Industria Minera, CASIM Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Técnica Federico Santa Maria.
Instituto de Ingenieros de Minas de Perú, Lima, 8 Mayo 2014
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CONTENIDO
INTRODUCCION
AVANCES EN TECNOLOGIA Y CONOCIMIENTO
MEDICIONES EN PLANTA
• DTR y Dispersión de Gas
• Carga de Burbuja y Capacidad de Transporte
• Arrastre
ESCALAMIENTO
CONCLUSIONES
Page 3
INTRODUCCION
IMPACTO
Flotación (Tratamiento Mundial) > 2500-3000 Mton/año
DESAFIOS
Aumento demanda (aumento tamaño equipos)
Disminución en calidad del mineral (ej.: leyes de 0.3-0.4% Cu)
Escalamiento de celdas de gran tamaño
COMPROMISO Recuperación y Ley de concentrado final
Page 5
CELDAS MECANICAS
Últimos 20-25 años
250 m3
300 m3 100 m3
160 m3
300 m3
600 m3 • CELDAS MECANICAS CIRCULARES • COLUMNAS CIRCULARES O RECTANGULARES
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DISEÑO DE CELDAS
Celdas de flotación mecánicas
• CIRCULACION DE PULPA A TRAVÉS DEL ROTOR
• AUTO ASPIRANTES
• ROTOR CERCANO AL TOPE
AIRE
• CIRCULACION ABIERTA
• AIRE FORZADO
• ROTOR EN EL FONDO
AIRE
ALIM
RELAVE
ALIM
RELAVE
Page 7
COLUMNAS DE FLOTACION
Canadiense (Contacto: contra-corriente)
COLA
AGUA
AIRE
ALIM.
CONC.
AGUA LAVADO
Circulares : 5 m diám. x 14 m altura Rectangulares : 6 x 4 x 14 m
Page 8
COLUMNAS DE FLOTACION
ALIM.
CONC.
AGUA LAVADO
AIRE
COLA
Microcel Cavitación
Page 9
CELDAS NEUMATICAS
Celda Jameson G-cell Contacto co-corriente
AIRE AUTO
ASPIRANTE
COLA
ALIM.
AGUA LAVADO
CONC.
CONC.
COLA
AIRE
ALIM.
Page 10
CONTENIDO
INTRODUCCION
AVANCES EN TECNOLOGIA Y CONOCIMIENTO
MEDICIONES EN PLANTA
• DTR y Dispersión de Gas
• Carga de Burbuja y Capacidad de Transporte
• Arrastre
ESCALAMIENTO
CONCLUSIONES
Page 11
AVANCES EN TECNOLOGIA
Nuevos desafíos:
- Dispersión: potencia específica (disminuye) - Espuma : transporte y descarga
- Diseño : aceleradores de espuma
rebalses internos
- Mayor tamaño y bancos (<N)
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BANCOS DE FLOTACION ARREGLOS Y PUNTOS DE CONTROL
CONCENTRADOR VOLUMEN m 3
N Puntos de Control LINEA DIAGRAMA
Esperanza 300 7
4 1 - 2 - 2 - 2
Candelaria 130
10
5 2 - 2 - 2 - 2 - 2
130 9
5 1 - 2 - 2 - 2 - 2
Pelambre 250
5
5 1 - 1 - 1 - 1 - 1
Chuquicamata 160 8
4 2 - 2 - 2 - 2
160 9
7 1 - 1 - 1 - 1 - 2 - 2 - 1
Escondida
100
10
4 2 - 2 - 3 - 3
130 9
5 1 - 2 - 2 - 2 - 2
Collahuasi 160
9
5 1 - 2 - 2 - 2 - 2
Andina 100 8
4 2 - 2 - 2 - 2
Page 13
AVANCES EN CONOCIMIENTO
Celdas industriales Dos zonas independientes: Colección y espuma Banco de flotación: Sistema distribuido
ESPUMA
PULPA COLA
COLECCIÓN ARRASTRE
CONC.
RETORNO
ALIM.
Page 14
Recuperación: Cinética de colección y DTR
( ) ( ) ( )0 0
1 ktCR e F k E t dkdtR
∞ ∞−
∞
= −∫ ∫
AVANCES EN LA MODELACION
Efecto del mineral: Tamaño (Liberación) Efecto del tipo de celda y arreglo
0 1 2 3 40
0.5
1
1.5
2
k, min-1
F(k)
, min
δ(k-kB)
RectangularWeibullGamma
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5Dimensionless time, θ
Dim
ensi
onle
ss R
TD
, E( θ
)
130 m3
250 m3LTST Model
Page 15
AVANCES EN CONOCIMIENTO
Recuperación en la zona de espuma
B G CB J Aλ= ⋅ ⋅
FC cRB b⋅
=⋅
Transporte masa (interfase pulpa/espuma)
Recuperación de Espuma
c, b : Leyes
Page 16
CONTENIDO
INTRODUCCION
AVANCES EN TECNOLOGIA Y CONOCIMIENTO
MEDICIONES EN PLANTA
• DTR y Dispersión de Gas
• Carga de Burbuja y Capacidad de Transporte
• Arrastre
ESCALAMIENTO
CONCLUSIONES
Page 17
PLANTAS DE FLOTACION
Datos Celdas Mecánicas: Auto-aspirantes Aire forzado
Tamaños:10-20-45-100-130-160-200-250-300 m3
Datos Columnas: Tamaños: 2x6, 2x8, 2x10, 4x4; D:1-4m
Page 18
MEDICIONES EN PLANTA
DISTRIBUCION DE TIEMPO DE RESIDENCIA Y MEZCLADO
DISPERSION DE GAS Flujo superficial de gas Distribución de tamaño de burbujas
CARGA DE BURBUJAS
CAPACIDAD DE TRANSPORTE
ARRASTRE
Page 19
DISTRIBUCION DE TIEMPO DE RESIDENCIA
E (t)
t
E (t)
t
Trazador (Impulso)
Respuesta Impulso (RTD)
Líquido: Br-82 Sólido : no-flotable clases de tamaño flotable Gas : Kriptón-85 Freón 13B1
TECNICA DE TRAZADO RADIOACTIVO (CCHEN)
Page 20
MEDICION DTR EN BANCOS DE FLOTACION
1 1 2 4 5 7 3 6
E(t)
t τ
FEED
RTD
CELL1 RTD
CELLS 1 to 3 RTD
CELLS 1 to 5 RTD
CELLS 1 to 7
TAIL
CONCENTRATE
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
0.0030
0.0035
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Time, s
RTD
, E(t)
Cells number N1 1.33 3.15 4.97 6.8
)()/()/exp()
1
NNtNtE(t N
N
Γ−
=−
ττN=1
N=3
N=5
N=7
Page 21
DISTRIBUCION DEL FLUJO DE PULPA
Volumen efectivo Flujo by-pass Problemas de embanque Distribución de pulpa
0.0000
0.0004
0.0008
0.0012
0.0016
0.0020
0.0024
0.0028
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
time, s
RTD
Data cell 3
By-pass flow model
Page 22
SEGREGACION DE SOLIDO
Segregación de sólido en la pulpa por clase de tamaño
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
0 50 100 150 200 250
(Tie
mpo
Sól
ido)
/(Tie
mpo
Líq
uido
)
Tamaño Medio, micrones
Data
Overall
Page 23
MEDICION DTR GAS
0
100
200
300
400
500
600
0 50 100 150 200 250 300
Time, s
Rad
ioac
tivity
, cps
.
LSTS Model
Sensor S5
Sensor S4
0
100
200
300
400
500
0 5 10 15
Gas Holdup, %
Cel
l dep
th, c
m
.
Exp 1 Exp 2 Exp 3 Direct Measurement
Interface S1
S2
S3
S4
CONCENTRACION GAS
DTR GAS
Page 24
TIEMPO DE RESIDENCIA DE LA ESPUMA
Tiempo medio de residencia en una celda Rougher de 130m3: Sólidos por clase de tamaño y líquido.
FEED
CONCENTRATE
TAIL
PULP
FROTH
S1 S2
S3
S4INTERFACE
INJECTION POINT
SENSOR
FEED
CONCENTRATE
TAIL
PULP
FROTH
S1 S2
S3
S4INTERFACE
INJECTION POINT
SENSOR
Tiempo medio de residencia, s No flotable: Sólido Fino 11.7
Medio 8.9 Grueso 11.3 Prom. 11.9
Flotable: Sólido Prom. 24.4 Liquido: 21.4
Page 25
MEDICION DEL ARRASTRE
0,0E+00
5,0E+04
1,0E+05
1,5E+05
2,0E+05
0 200 400 600 800 1000
Time (s)
Fine
gan
gue
trace
r flo
w (c
ps/s
) .
0,0E+00
2,5E+03
5,0E+03
7,5E+03
1,0E+04
Tail
Concentrate
• Celdas Rougher de 130 m3
• Muestreo cuantitativo en línea.
Page 26
Recuperación de agua y arrastre de ganga
EVALUACION DEL ARRASTRE
Page 27
MODELO DE ARRASTRE
FACTOR ADIMENSIONAL PARA EL ARRASTRE DE GANGA
,93 p ii
dEF exp 0,6
δ
Φ = −
gii
w
REF =
R
Fact
or d
e A
rrast
re E
F i
Page 28
DISPERSION DE GAS
Sistema de medición: Visor de burbujas (McGill)
Tamaño de burbuja, D32 (mm): Diámetro Sauter Flujo superficial de gas, JG (cm/s) = QG/AC
Page 29
DISTRIBUCION DE TAMAÑO DE BURBUJAS
Desarrollo de software USM-IMA:
dB: 1-2 mm
(b) (c) (d)
clusters overlapped, non-separated
(b) (c) (d)
(a)
Análisis de imágenes
Page 30
( ) ( )0.77 0.0932 0.77 0.11 GJD e ± ⋅= ± ⋅
CORRELACION GENERAL D32 vs JG
Page 31
FLUJO DE SUPERFICIE DE BURBUJA
32
6 GB
JSd
=
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2
Velocidad Superficial de Gas, cm/s
Diá
met
ro S
aute
r, m
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Sb,
1/s
d32 Sauter (mm)SB (1/s)D
iám
etro
Sau
ter D
32, m
m
Velocidad superficial de gas JG, cm/s
SB , 1/s
Banco de celdas de 160m3
Page 32
MEDICION DE CARGA DE BURBUJA
Carga de burbuja, λ (g/L) Flujo superficial de gas, JG (cm/s)
Espuma
Pulpa
B Gas en ascenso
Interfase
A
D
C
Page 33
CUBRIMIENTO DE BURBUJAS
dBS = 1.6 mm
dPS = 46 µm
JG = 1.6 cm/s 7%Sϕ =
dBS =5.4 mm
dPS =31-58 µm
JG =1.6 cm /s 30%Sϕ =
B BSS
p PS
dd
λϕπρ
=
Page 34
CAPACIDAD DE TRANSPORTE
Capacidad de transporte por flotación verdadera, t/h/m2
6B
R S PS p FSC d Rπϕ ρ= ×
Plant D80, µm DPS, µm
A1 186 45.7 A2 184 46.2 A3 195 58.2 A4 226 73.5 A5 205 55.8 B1 150 39.3 B2 132 35.3
Page 35
CONTENIDO
INTRODUCCION
AVANCES EN TECNOLOGIA Y CONOCIMIENTO
MEDICIONES EN PLANTA
• DTR y Dispersión de Gas
• Carga de Burbuja y Capacidad de Transporte
• Arrastre
ESCALAMIENTO
CONCLUSIONES
Page 36
ALIM.
PULPA
ESCALAMIENTO DE CELDAS DE FLOTACION
COLA PROCESO DE COLECCION
CONC. ESPUMA PROMEDIO (APARENTE)
α= ⋅APP Ck k
MEZCLADOR NO-IDEAL
(N≠1)
SEGREGACION DE SOLIDO
ACk β γ= ⋅ ⋅Ck
NUEVO ENFOQUE
kAC
Page 37
APP ACk k α β γ= ⋅ ⋅ ⋅
Efecto de la espuma
Segregación de sólido
Régimen de mezcla
AC
B
kk
ξ =FACTOR DE ESCALA
APP
B
kk
ξ α β γ= ⋅ ⋅ ⋅NUEVO ENFOQUE
FACTOR DE ESCALAMIENTO CINETICO
Page 38
FACTOR DE ESCALA DE TIEMPO
Elementos clave: • Cinética batch estándar • Cinética de flotación en Planta • Ajuste de balance de masa
( ),P
B
Nϕ ηττ ξ α β γ
=⋅ ⋅ ⋅
Efecto Espuma Segregación
Sólido Régimen Mezcla
Factor de escalamiento para cinética de flotación:
AC
B
kk
ξ =
Page 39
PLANTA / BATCH
APP
B
kk
α β γ= ⋅ ⋅ ⋅ξEJEMPLO PARA UNA CELDA
AC
B
kk
ξ =
ESCALAMIENTO CINETICO
CASO DE ESTUDIO: Celdas de 160 y 300 m3
Page 40
PLANTA (kAPP)
0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8Cell number
Cu
reco
very
, % .
Test 1
Test 2
Línea Rougher: Ocho celdas de 160 m3
Método corto
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15Time, min
Cu
Rec
over
y, %
Data L1
Model
BATCH (kB)
Muestra de alimentación
Triplicado
CARACTERIZACION METALURGICA
Page 41
Celda, m3 300 160
Recuperación Global, RG (%) 64.1 49.6 Recuperación Espuma, RF (%) 62.2 50.1 Recuperación Colección, RC (%) 74.2 66.3 RMAX (%) 91.7 91.5 kAPP (global) min-1 1.5 1.3 kC (colección) min-1 3.2 2.9
Factor α = kAPP/kC 0.48 0.44
EFECTO DE LA ESPUMA:
ESTIMACION DEL FACTOR DE ESPUMA
APP
C
kk
α =
Page 42
0,000
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
0 200 400 600 800 1000 1200
Time, s
E(t),
1/s
Data
Model
N=0.81
0,000
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
0,012
0,014
0 200 400 600 800 1000
Time, s
E(t),
1/s
Data
Model
N=0.79300 m3 160 m3
Factor β (N≠1)
CARACTERIZACION HIDRODINAMICA
Page 43
EFECTO DE MEZCLA (N≠1):
Celda, m3 300 160
η= RC/RMAX 0.83 0.74
ϕ , N=1 (ideal) 2.93 2.35
N (real) 0.81 0.79
ϕ , N (real) 3.86 3.02
Factor β 0.76 0.78
ESTIMACION DEL FACTOR DE MEZCLA
( )
( )
1
1C
N
N
ϕ
ϕβ
η
=
≠
=
Page 44
Celda, m3 300 160
τS 4.9 4.1 3.2 2.6
τL 5.5 4.6 3.6 2.9
0.891 0.891 0.889 0.897
Factor γ 0.89 0.89
S Lτ τ
SEGREGACION DE SOLIDO:
ESTIMACION DEL FACTOR DE SEGREGACION
S
L
γ ττ
=
Page 45
CELDA, m3 Espuma
α
Mezcla
β
Segregación
γ
Factor de
escalamiento kAC / kB
300 0.48 0.76 0.89 0.74
160 0.44 0.78 0.89 0.69
FACTOR DE ESCALAMIENTO CINETICO
Page 46
ESCALAMIENTO Y SIMULACION
0
5
10
15
20
25
30
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Cum
ulat
ive
Cu
grad
e (%
).
Cum
ulat
ive
Cu
Recc
over
y,%
Fr
oth
Dep
th, c
m
Cell Number
Froth depth
Rec. model
Rec. data
Grade model
Grade data
OPERACION DIMENSIONAMIENTO DE CIRCUITO
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30Time, min
Cu
reco
very
, %
TC 300
OK 160
Cell 8OK-160
Cell 4TC-300
Page 47
APLICACIONES
Simulación Modelación de la zona de espuma y colección
Benchmarking Comparación entre diferentes tecnologías Planificación Predicción de comportamientos de la planta
Escalamiento y Diseño Desarrollo de nuevos circuitos de flotación.
Page 48
CONCLUSIONES
Se ha desarrollado y validado un procedimiento de diagnóstico y caracterización de celdas de flotación.
Se han evaluado parámetros claves como el tiempo de residencia, flujo de área burbuja, recuperación de espuma y arrastre.
Para la caracterización se midieron variables de operación tales como carga de burbuja, tamaño de burbuja, DTR de sólido, líquido y gas, y el arrastre de ganga.
Esta metodología es útil para evaluación de celdas industriales, identificación de condiciones límite, criterios de escalamiento y predicción del rendimiento de planta.
Page 49
CARACTERIZACION DE CELDAS DE FLOTACION DE GRAN TAMAÑO
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Page 50
TRANSPORTE DE ESPUMA
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Altu
ra s
obre
el r
ebal
se, c
m
Distancia desde pared de rebalse, cm
Coalescencia de burbujas
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Altu
ra s
obre
el r
ebal
se, c
m
Distancia desde pared de rebalse, cm
JG = 1.2 cm/s hD = 4 cm
JG = 1.8 cm/s hD = 2 cm
Page 51
MEDICION TOPE DE ESPUMA
Medición Tope de Espuma (TOF)
El TOF permite estimar la ley y la distribucion de tamaño del mineral colectado que llega a la espuma.
Froth
Top of frothSample
Page 52
0
10
20
30
40
50
0 10 20 30 40 50
Top
of F
roth
Gra
de o
f Cu,
%
Bubble Load Grade of Cu, %
Plant A Plant B Plant C Plant D Plant E Plant F ± 20%
TOPE DE ESPUMA VS CARGA DE BURBUJA
0
10
20
30
40
50
0 10 20 30 40 50
Top
of F
roth
Gra
de o
f Cu,
%
Bubble Load Grade of Cu, %
−45μm −75μm +45μm −150μm +75μm +150μm ± 20%
Page 53
PERFIL TOF
Perfil de leyes en un banco de flotación de planta piloto, 7 celdas
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 1 2 3 4 5 6 7
TOF
and
Con
c. g
rade
of C
u, %
Cu
Rec
over
y, %
Cell Number
Cu Recovery TOF grade Conc. Grade
Page 54
TRANSPORTE DE ESPUMA
Imagen de cámara de alta resolución
Espuma en celda prototipo bi-dimensional
Interfase
hD
Page 55
Distribución de velocidad de burbujas en la espuma
JG = 1.2 cm/s hD = 4 cm
JG = 1.8 cm/s hD = 2 cm
TRANSPORTE DE ESPUMA
Page 56
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70
Tiem
po d
e re
side
ncoi
a de
bur
buja
,s
Distancia desde pared de rebalse, cm
Jg: 1.2 cm/s ; hD: 2 cms Jg: 1.2 cm/s ; hD: 4 cms Jg: 1.8 cm/s ; hD: 2 cms
TRANSPORTE DE ESPUMA
Tiempo de residencia de burbujas en la espuma Celda Prototipo Bi-dimensional
Page 57
ESTIMACION DE PARAMETROS
MEDICION DE CARGA DE BURBUJA
• Recuperación de espuma
• Recuperación de colección
APP
C
kk
α =BALANCE DE MASA
EFECTO ESPUMA
Page 58
EFECTO DE MEZCLA
C ACk k β γ= ⋅ ⋅
MEZCLADOR PERFECTO (N=1)
Mezcla actual, N≠1
TECNICA DE TRAZADO RADIACTIVO LIQUIDO, DTR
( )
( )
1
1C
N
N
ϕ
ϕβ
η
=
≠
=
ZONA DE COLECCION
Page 59
TECNICA DE TRAZADO RADIACTIVO
Tiempo medio de residencia del sólido
Tiempo medio de residencia del líquido
S
L
γ ττ
=
C ACk k β= ⋅ ⋅ γZONA DE COLECCION
DTR de sólido y líquido
EFECTO SEGREGACION SOLIDO
Page 60
MOLIENDA : Capacidad vs Tamaño Partícula
FLOTACION : Tamaño Partícula vs Ley-Recuperación
FUNDICION : Ley vs costos
INTRODUCCION