AP 6 Separacion en Medios Densos

2. SEPARACIÓN EN MEDIOS DENSOS

2.1. Introducción

La separación en medio denso consiste en separar sólidos en función de sus densidades usándose como medio un fluido de densidad intermedia, donde el sólido de densidad más baja flota y el de densidad más alta se va al fondo (se hunde). Los medios densos usados son: líquidos orgánicos, solución de sales en agua y más comúnmente suspensiones de sólidos de granulometría fina en agua. La separación en medio denso se divide en dos métodos básicos: estático y dinámico. En el sistema estático se emplean aparatos concentradores con recipientes de varias formas, donde la separación se realiza en un medio relativamente tranquilo bajo la influencia de simples fuerzas gravitacionales, en este sistema la única fuerza actuante es la fuerza de gravedad. La separación en los sistemas estáticos se realiza en estanques, tambores, conos y vasos. En las figuras 2.1 y 2.2 se presentan las características de operación de los separadores de tambor. La separación dinámica se caracteriza por el uso de separadores que emplean fuerzas centrífugas 20 veces mayores que la fuerza de gravedad que actúa en la separación estática. En la figura 2.3 se muestran los separadores en medio denso Dyna Whirlpool y ciclón de medio denso, los cuales aplican un método dinámico de separación. Teóricamente, cualquier tamaño de partícula puede ser tratada por medio denso. Prácticamente, en la separación estática se trabaja en un rango granulométrico de 150 mm (6”) a 5 mm (1/4”), pudiéndose tratar tamaños de hasta 35,6 cm (14”). Por otra parte, en la separación dinámica el tamaño máximo tratable varía de 50 mm (2”) a 18 mm (3/4”) y el mínimo de 0,5 mm (28 mallas) a 0,2 mm (65 mallas). En general, se puede señalar que existiendo una diferencia de densidad entre las partículas útiles y la ganga, no hay límite de tamaño superior, excepto el que determina la capacidad de la planta para manejar el material. En la separación en medio denso es posible trabajar con menas en la que los minerales estén regularmente unidos. Si los minerales valiosos están finamente diseminados, no se puede desarrollar una diferencia apropiada de densidad entre las partículas que han sido trituradas por la aplicación de una etapa de chancado grueso.

Figura 2.1. Características de los separadores de tambor observadas desde dos posiciones diferentes.

Figura 2.2. Separadores de tambor, mostrándose la foto del equipo y el proceso de concentración de metales no ferrosos.

Figura 2.3. Separadores en medio denso que aplican método dinámico de separación: el Dyna Whirloop y el ciclón de medio denso.

2.2. Medios Densos

El líquido ideal para utilizar como medio denso es aquel que tiene las siguientes propiedades: barato, miscible en agua, estable, no tóxico, no corrosivo, de baja viscosidad y que tenga densidad ajustable en un gran intervalo. Como no existe un líquido ideal, se han desarrollado y usado comercialmente varios medios densos para separar minerales útiles de los estériles. Prácticamente, un medio denso se debe caracterizar por lo siguiente: a) barato en el local de uso; b) estable físicamente, para que no se descomponga ni se degrade en el proceso; c) fácilmente recuperable, pera ser reutilizado; d) químicamente inerte, para no atacar ciertos minerales; e) fácilmente removible de los productos de separación; f) tener baja densidad; y g) tener la estabilidad que pueda mantenerse en el intervalo de densidad requerida. Tres tipos de medios densos son usados comercialmente: líquidos orgánicos, sales disueltas en agua y suspensiones de sólidos de granulometría fina en agua. Líquidos orgánicos. Estos líquidos tienen baja viscosidad, son estables y prácticamente inmiscibles en agua. Su aplicación industrial es limitada debido a que se descomponen químicamente, son tóxicos, corrosivos y de costo elevado. Los líquidos más usados son : yoduro de metileno (D = 3,32 g/cm3); tetrabromoetano (D = 2,96 g/cm3); bromoformo (D = 2,89 g/cm3); pentacloroetano (D = 1,67 g/cm3); tetracloruro de carbono (D = 1,50 g/cm3). Algunos líquidos se pueden mezclar con tetracloruro de carbono y dar una variedad de densidades menores. Suspensiones de sólidos. Son los líquidos densos más utilizados en la industria. Se definen como líquidos en los cuales sólidos insolubles se dispersan manteniendo sus características de fluidez. El agua se utiliza como el líquido de las suspensiones. Los factores principales que se consideran en la elección del sólido para las suspensiones, son los siguientes: a) dureza alta; b) peso específico alto; c) estable químicamente, resistente a la corrosión; d) sedimentación lenta y viscosidad adecuada; e) distribución granulométrica, tamaño y forma de las partículas. Los materiales normalmente usados para las suspensiones son: arcillas, cuarzo, barita, magnetita, galena, hierro-silicio molido o atomizado y plomo atomizado. El hierro-silicio es el material más utilizado en las suspensiones, pudiéndose alcanzar densidades de hasta 3,5 g/cm3. Las mezclas Fe-Si tienen entre 15 a 22 % de Si pueden ser usadas molidas y atomizadas y se recuperan por separación magnética de baja densidad. Las mezclas con menos de 15 % de Si se cubren rápidamente de Fe, mientras que a partir de 22 % de Si se tornan muy débil magnéticamente. En la tabla 2.1 se presenta la granulometría de medios densos típicos de mezclas de Fe-Si. Recuperación del medio denso. Los materiales usados en las suspensiones por su apreciable valor y por el alto costo de su preparación deben ser recuperados para su reutilización. En la figura 2.4 se presenta un esquema general de recuperación del medio denso. Algunas aplicaciones de los medios densos son las siguientes:

• •

Producción de un concentrado final: carbón y algunos minerales industriales. Preconcentración: diamante, sulfuros y óxidos metálicos.

Tabla 2.1. Distribución granulométrica de medios densos correspondiente a mezclas típicas de hierro-silicio. Tamaño (micrones)

65 D molido (%)

100 D molido (%)

150 D molido (%)

270 D molido (%)

+ 210 -210/+150 -150/+105 -105/+74 -74/+44 -44

1 2 5 12 35 45

1 4 30 65

1 1 23 75

10 90

Fino Ciclón 60 Ciclón 40 Normal atomizado atomizado atomizado (%) (%) (%) 1 7 10 2 15 5 2 22 20 8 45 73 90

Figura 2.4. Circuito de recuperación del medio denso.

3. SEPARACIÓN EN CORRIENTES VERTICALES

A pesar que en estos métodos también están presentes las fuerzas de separación de corrientes longitudinales, los efectos causados por corrientes verticales les confieren características propias por eso se estudian separadamente. Uno de los equipos que es representativo de la separación por corrientes verticales es el jig. El jig se utiliza normalmente para concentrar material relativamente grueso y si la alimentación es adecuada y se encuentra bien clasificada por tamaños, no es difícil alcanzar una buena separación en los minerales con una gama medianamente limitada de densidad relativa entre el mineral útil y los estériles. Cuando la densidad relativa es grande, es posible alcanzar una buena separación en un rango granulométrico más amplio. Las industrias del carbón, estaño, tungsteno, oro, bario y menas de hierro, operan muchos circuitos con jigs de gran tamaño. Estos equipos con una alimentación clasificada tienen una capacidad relativamente alta y pueden alcanzar buenas recuperaciones hasta tamaños granulométricos de 150 micrones, y recuperaciones aceptables hasta 75 micrones. La presencia de altas cantidades de arenas finas y lamas dificultan el tratamiento, por lo cual el contenido de finos debe ser controlado para conseguir óptimas condiciones de operación. El jig es un aparato que permite alcanzar mejores resultados cuando se tratan menas de un estrecho rango granulométrico. Este equipo se aplica a menas de granulometría entre 5 pulgadas y 1 mm, obteniéndose rendimiento superiores en fracciones granulométricas gruesas. El proceso de separación con jig es probablemente el método de concentración gravitacional más complejo, por causa de sus continuas variaciones hidrodinámicas. En este proceso, la separación de los minerales de densidades diferentes es realizada en un lecho dilatado por una corriente pulsante de agua, produciendo la estratificación de los minerales. En el caso de los jigs las corrientes verticales son generadas por el movimiento de pulsación del agua, al contrario de los elutriadores donde la corriente vertical se genera por una inyección de agua. Los jigs de parrilla fija se pueden dividir en: a) Jigs de pistón, en los cuales el movimiento de pulsación es producido por un pistón ubicado en un estanque de agua. b) Jigs de diafragma, en los cuales las pulsaciones son producidas por movimientos alternados de una pared elástica del propio estanque. c) Jigs pulsadores, en los cuales las pulsaciones son producidas por chorros discontinuos periódicos del agua y del aire. En la figura 3.1 se presentan los tipos de jigs de lecho fijo. Hay diferentes tipos de jigs, los cuales difieren por la geometría, accionamiento, y otros detalles de construcción. A pesar de la gran variedad de jigs se puede decir que ellos se componen de los siguientes elementos básicos:

Figura 3.1. Tipos de jigs de lecho fijo.

a) Una caja fija, en cuyo interior el medio fluido sufre el movimiento de impulsión y succión. b) Un mecanismo de accionamiento, generalmente compuesto de motor, pistón, sistema de lubricación, etc. c) Una criba para mantener el lecho. d) Un sistema de descarga del flotado y del hundido. En cuanto al sistema de accionamiento, existen jigs con accionamiento mecánico, hidráulico-mecánico, hidráulico y neumático. Varios factores ejercen influencia en la estratificación obtenida en un jig, entre estos se pueden señalar el tipo de lecho, distribución de la mena, distribución del agua, frecuencia, amplitud, etc. Según Gaudin, tres son los efectos principales que contribuyen a la estratificación en los jigs: a) Clasificación por caída retardada. b) Aceleración diferencial en el inicio de la caída. c) Consolidación intersticial al final de la caída. Acción de caída retardada. Si se considera una mezcla de partículas en una columna hidráulica, donde existen corrientes ascendentes en su interior, la fuerza de gravedad ejercida en las partículas será en dirección contraria a la fuerza producida por estas corrientes. Así, las partículas se dividen en dos categorías : aquellas en que la fuerza de gravedad es mayor que la impuesta por la corriente ascendente, y que por lo tanto sed acumularán en el fondo y las que, por el contrario, no tienen esta fuerza gravitacional, y serán arrastradas por la corriente. Estas partículas en sedimentación pueden aún chocar entre sí, alternando el régimen de caída libre para caída retardada. Este es el caso del jig. Debe recalcarse que la razón de separación es mayor en condiciones de caída retardada que en caída libre. Aceleración diferencial en el inicio de la caída. Cada partícula tendrá al inicio de la caída un determinado valor de aceleración, que puede ser determinado por la ecuación: m dv/dt = mg – m”g – R(v) donde: m = masa de la partícula m” = masa del líquido desplazado g = aceleración de gravedad R(v) = resistencia del medio al movimiento de la partícula En el inicio del movimiento R(v) = 0, luego: dv/dt = (m – m”/m)g debido a que la partícula y el fluido desplazado tienen igual volumen:

dv/dt = (1 – Df/Ds)g Ds y Df son las densidades del sólido y del fluido, respectivamente. Se puede apreciar que la aceleración inicial depende del valor de la densidad del sólido y del fluido. La distancia recorrida por las partículas en el jig depende mucho más de las aceleraciones iniciales (velocidades iniciales) que de las velocidades terminales. Esto significa que las partículas estarán más afectadas por la aceleración inicial que por su velocidad terminal, es decir, serán más afectadas por su densidad, que por su tamaño. Así, si se quiere separar partículas minerales pequeñas (pero pesadas) de partículas grandes (pero livianas), se necesita un jig de ciclo corto ya que en cada pulso un inicio de un nuevo periodo de caída. Consolidación intersticial al final de la caída. Las diferentes partículas de la misma especie o especies diferentes no recorren las mismas distancias durante cada uno de los periodos de la caída a que son sometidas. Ellas también alcanzan un estado de reposo en diferentes instantes. Existe un espacio de tiempo en que las partículas pequeñas están depositadas sobre el lecho de las partículas gruesas, las cuales están compactadas unas a otras, incapaces de moverse, mientras que las pequeñas están libres. Las partículas pequeñas se depositan en los intersticios entre las partículas gruesas, así, la consolidación intersticial permite que los granos pequeños, pesados, se muevan a través de los intersticios, inclusive después que el lecho inicie su compactación. La recuperación de las partículas finas depende de la duración del ciclo de consolidación. En la figura 3.2 se presentan los tres mecanismos básicos del jig aplicado a partículas esféricas. En la figura 3.3 se muestra el funcionamiento del jig Denver. En resumen, en el jig gran parte de la estratificación supuestamente ocurre durante el periodo en que el lecho está abierto, dilatado, y resulta de la sedimentación retardada, acentuada por la aceleración diferencial. Estos mecanismos colocan los granos finos/livianos arriba y los granos gruesos/pesados en el fondo del lecho. La consolidación intersticial, durante la succión, pone las partículas finas/pesadas en el fondo y las gruesas/livianas en la parte superior del lecho. Los efectos de impulsión y succión, si se ajustan adecuadamente, deben resultar en una estratificación casi perfecta, según la densidad de los minerales. En la figura 3.4 se presenta el efecto que produce el lecho abierto y el lecho cerrado en la separación del jig. La distribución de flujos y sólidos en el jig comprende básicamente tres capas : capa superior, capa rougher (desbastadora) y capa separadora. La capa superior es una capa transportadora, fina y fluida, responsable por el esparcimiento de la alimentación (de manera que todas las partículas alcancen la capa desbastadora) y por la rápida eliminación de lamas y otros materiales no deseados. La capa rougher (desbastadora), es aquella en la cual las partículas livianas son inmediatamente eliminadas para la capa superior y las partículas de densidad indeterminada son rápidamente pasadas a la capa separadora, la cual acepta y deja pasar las partícula pesadas y elimina los medios. En la figura 3.5 se muestran las diferentes capas en el funcionamiento del jig

Figura 3.2. Los tres mecanismos básicos del jig aplicado para cuatro partículas esféricas.

Figura 3.3. Funcionamiento del jig Denver.

Figura 3.4. El efecto que produce el lecho abierto y el lecho cerrado en la separación del jig. Lecho cerrado, solamente consolidación intersticial. Lecho abierto, las partículas grandes y pesadas pasan a través del él.

Figura 3.5. Distribución de flujos y sólidos en el jig, mostrándose la capa superior, la capa rougher (desbastadora) y la capa separadora.

Los lechos utilizados en el jig pueden ser de varios materiales y de formas diferentes. Los lechos pueden ser de bolas de acero, de hierro, de mena o de material con densidad intermedia. En general, se deben tener los siguientes cuidados: • • •

El lecho no debe tener una alimentación de partículas de tamaño inferior a la criba, ni de tamaño próximo a la dimensión de la abertura de ésta. Un lecho formado por partículas grandes puede tener el inconveniente de no desplazarse cunado se produce un impulso ascendente, anulando el efecto de jigagen. La altura del lecho, cuando es muy pequeña, puede producir un efecto de turbulencia que perturbará el movimiento alternado de impulsión y succión. De modo general, cuanto más fina es la alimentación, más espesa es la capa del lecho.

En relación a la criba, la abertura mínima de ésta debe ser igual a dos veces el tamaño máximo de la partícula de la mena que se va a concentrar, para evitar el entupimiento de las aberturas. Se recomienda una abertura igual a tres veces el tamaño de la partícula mayor, entendida ésta como el tamaño de partícula cuyo porcentaje retenido acumulado sea 5 %. Las cribas son de acero, goma o poliuretano. Aplicaciones de los jigs. Actualmente, la mayoría de los jigs actúan en el tratamiento primario de menas de aluvión o placer y en la preparación de carbón. En el primer caso, la ley del mineral valioso es muy baja y muchas veces no es posible el levantamiento de balances de masa que permitan la determinación de la eficiencia del proceso. En el tratamiento de menas de estaño y oro, el tamaño máximo está normalmente entre 10 a 20 mm, a pesar de ser remota la ocurrencia de materiales de estas dimensiones. En el tratamiento de carbón es posible la alimentación de partículas de hasta 200 mm, a pesar de ser común la remoción de partículas de tamaño superior a 50 mm. Otras aplicaciones de la concentración con jigs se presentan en el tratamiento de menas de estaño, manganeso, hierro. En la figura 3.6 se muestra un flow sheet de tratamiento de una mena de manganeso usando jigs.

Figura 3.6. Flow sheet de tratamiento de una mena de manganeso usando jigs.