Dimesionamiento Planta de Hidrometalurgia

Curso: Evaluación de Procesos Mineralúrgicos Departamento de Ingeniería en Minas Facultad de Ingeniería

“Dimensionamiento Planta de Hidrometalurgia de Minerales de Cobre”

Hernán Vives Navarro Octubre 2014 Universidad de Santiago

Alcance – Factores y parámetros de diseño para dimensionar equipos de procesos. – Metodología para el dimensionamiento (algunos ejemplos). – Factores técnicos o indicadores claves para el desempeño del negocio minero (KPI).

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Contenidos  Diagrama de Proceso  Balance de Masa Sistema de Chancado  Tambor Aglomerador ⁻ ⁻

Dimensionamiento Balance de aglomeración

 Pila de Lixiviación  Extracción por Solventes  Electroobtención

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Diagrama de Proceso

(1- 60” x 110”)

(56.000 Th)

(2 -3)

(4 - 6)

(2–3 x 1.700T)

(2 - 3)

(2 - 3)

(504 celdas – 276,5 A/m2)

(2 trenes 1.750 m3/h c/u)

Fuente: Minera Gaby, Codelco-Chile Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Diagrama de Proceso

Fuente: Minera Gaby, Codelco-Chile Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Contenidos  Diagrama de Proceso  Balance de Masa Sistema de Chancado  Tambor Aglomerador ⁻ ⁻

Dimensionamiento Balance de aglomeración

 Pila de Lixiviación  Extracción por Solventes  Electroobtención

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Balance Sistema de Chancado

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Balance Sistema de Chancado Número de Flujo

1

2

3

4

Descripción

Unidad

Alimentación Chancado Primario

Producto Chancado Primario

Alimentación Harnero Secundario

Colección Producto Secundario

t/h

3208

3208

1604

1604

740

Sólidos Secos Nominal

Instantáneo

Diseño

Flujo

m3/h

Agua Total

m3/h

6

864

7 Producto Chancador Secundario

864

8

9

10

Alimentación Alimentación Bajo Tamaño Chancador Harnero Harnero Terciario Terciario Terciario

11 Producto Chancador Terciario

802

478

324

478

Sólidos Peso, Humedo

t/h

3290

3290

1645

1645

759

887

887

823

491

332

491

Sólidos Secos

t/h

4278

4278

2139

2139

986

1153

1153

1069

638

432

638

Flujo

m3/h

Agua Total

m3/h

Sólidos Peso, Humedo

t/h

4387

4387

2193

2193

1011

1182

1182

1097

654

443

654

Sólidos Secos

t/h

4919

4919

2460

2460

1134

1326

1326

1230

734

496

734

Flujo

m3/h

Agua Total

m3/h

Sólidos Peso, Humedo

t/h

5045

5045

2522

2522

1163

1359

1359

1261

752

509

752

t/m3

1.7

1.7

1.7

1.7

1.7

1.7

1.7

1.7

1.7

1.7

1.7

Humeda, Base Seca

%

2.55%

2.55%

2.55%

2.55%

2.55%

2.55%

2.55%

2.55%

2.55%

2.55%

2.55%

Factor de Diseño Disponibilidad

% %

15% 75%

15% 75%

15% 75%

15% 75%

15% 75%

15% 75%

15% 75%

15% 75%

15% 75%

15% 75%

15% 75%

Densidad Otros

5

Bajo Tamaño Alimentación Harnero Chancador Secundario Secundario

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Contenidos  Diagrama de Proceso  Balance de Masa Sistema de Chancado  Tambor Aglomerador ⁻ ⁻

Dimensionamiento Balance de aglomeración

 Pila de Lixiviación  Extracción por Solventes  Electroobtención

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Tambor Aglomerador

N Ѳ

Donde: L: Largo (m) D: Diámetro (m) Ѳ: Ángulo de inclinación (°) Ø: Ángulo de reposo material (°) N: Velocidad de rotación (RPM) Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Ø

Tambor Aglomerador Datos de entrada: − − − − − −

Tonelaje por hora Número de tambores Porcentaje de llenado tambor (p.e: 14%) Densidad aglomerado salida (p.e: ρ=1.62 t/m³) Razón largo/diámetro (p.e: 3) Velocidad crítica ( 30%, como porcentaje de la velocidad de rotación del tambor) − Tiempo de residencia tambor (p.e: 45 segundos)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Tambor Aglomerador Para determinar las dimensiones del tambor se calcula: − − − − −

Tonelaje instantáneo contenido por tambor (tresidencia*tph) Volumen aglomerado dentro del tambor (Ti/ρ) Volumen interno del tambor (Va/14%) Usando la fórmula siguiente se despeja el diámetro Con la razón largo/diámetro se obtiene la longitud del tambor.

3 V  *  * 3 4

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Tambor Aglomerador Otros datos de salida: − Velocidad crítica de rotación (n) − Velocidad de rotación del tambor (N) − Ángulo de inclinación del tambor (Ѳ)

Donde: N: Velocidad de rotación T: Tiempo de residencia (s) α: Ángulo de reposo material (°, p.e: 45°) R: Razón L/D

0,19 * 60 * R T ( min )   *N

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Tambor Aglomerador Parámetros Operacionales y de Diseño (P. Schmidt, 2001)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Balance Aglomeración Número de Flujo Descripción Sólidos Secos Nominal

16

17

18

19

20

21

Unidad

Mineral a Acidificación

Mineral a Acidificación

Ácido Sulfúrico a Acidificación

Agua a Acidificador

Mineral Acidificado

Mineral Acidificado a Pilas

Retorno a tambores

Ácido a Tambores

t/h

1604

1604

1604

3208

m3/h

Agua Total

m3/h

Ácido Sulfúrico

m3/h

104.4 10.6

21.0

Sólidos Peso, Humedo

t/h

1645

1645

1708

3417

Sólidos Secos

t/h

2139

2139

2139

4278

Ácido Sulfúrico

m3/h m3/h

139.2

m3/h

14.1

28.1

Sólidos Peso, Humedo

t/h

2193

2193

2278

4556

Sólidos Secos

t/h

2460

2460

2460

4919

Flujo

m3/h

Agua Total

m3/h

Ácido Sulfúrico

m3/h

Sólidos Peso, Humedo Densidad Otros

15

Flujo

Flujo Instantáneo Agua Total

Diseño

14

t/h

17.2 2522

169.8

2522

t/m3

1.55

1.55

Humeda, Base Seca

%

2.55%

2.55%

Factor de Diseño Disponibilidad

% %

15% 75%

15% 75%

2620 1.84 22% 75%

1.00 22% 75%

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

20

54.0

1.84

1.84

15% 75%

92% 75%

5239

1.60

1.60

6.50%

6.50%

15% 75%

15% 75%

Contenidos  Diagrama de Proceso  Balance de Masa Sistema de Chancado  Tambor Aglomerador ⁻ ⁻

Dimensionamiento Balance de aglomeración

 Pila de Lixiviación  Extracción por Solventes  Electroobtención

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación

Imagen: Google Earth (jul-2009)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación

Imagen: Google Earth (Pila permanente Minera Zaldivar, jul-2013)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación

Imagen: Google Earth (Pila permanente Sulfuros - Minera Escondida, jul-2013)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación

Imagen: Google Earth (jul-2005)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación

Imagen: Google Earth (dic-2006)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación

Imagen: Google Earth (Jul-2007)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación

288 m

1420 m

27 m

Imagen: Google Earth (Pila de Lixiviación, Minera El Tesoro)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación

Rotopala 288 m Zona Lixiviada (en descarga) Apilador 1420 m

27 m

Imagen: Google Earth (Pila de Lixiviación, Minera El Tesoro)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación Lixiviación Primaria

1.345m

350m

Rotopala Apilador

Extracción por Solventes

Electroobtención

Imagen: Google Earth (Infraestructura RT)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Lixiviación Secundaria

Pila de Lixiviación

Imagen: Google Earth (Oxide Leach Area Project, Minera Escondida, Jul-2014) )

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación Lixiviación Primaria y Secundaria – PTMP (Chuquicamata)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación Lixiviación Primaria y Secundaria – Radomiro Tomic

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación Lixiviación Primaria y Secundaria – Minera Gaby

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación Dimensionamiento Pila

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación 277 m

Tiempo de Ciclo (Ejemplo)

2.072 m 4m

Etapa

Días

Carga

1

Curado y tendido parrillas

4

Humectación

3

Riego

65

Drenaje y desinstalación de parrillas

4

Descarga módulo

1

Módulos en holguras

4

Módulos ocupados por equipos

2

Total

84

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

2.082 m

288 m

Dato derivado de la Razón de Lixiviación

Pila de Lixiviación

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación Número de Módulos 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

ILS

ILS

ILS

ILS

ILS

ILS

ILS

ILS

ILS

Refino Refino Refino Refino Refino Refino Refino Refino Refino

Refino

Refino

Refino

Refino

Refino

Refino

Refino

Refino

Refino

Refino Refino Refino Refino Refino Refino Refino Refino Refino

Dren

Dren

Dren

Refino

ILS

Dren

ILS

ILS

Desc

ILS

ILS

Rotopala

Carga

Cargador

ILS

ILS

Curado

ILS

ILS

Curado

ILS

ILS

Curado

ILS

ILS

ILS

ILS

Hum

Curado

ILS

ILS

Hum

ILS

ILS

ILS

ILS

ILS

Hum

ILS

ILS

ILS

ILS

ILS

ILS

POR EJEMPLO: Para este caso, el ciclo de riego de lixiviación está contemplado en dos etapas (65 días de riego). El primer ciclo considera riego con solución ILS por 37 días, hasta alcanzar una razón de lixiviación 1,0 m3/ton y un segundo ciclo de 28 días con Refino, hasta alcanzar una razón de lixiviación total de 1,92 m3/ton. Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación Datos de salida: Razón de Lixiviación

(h / dia *UE * Cicloriego * RiegoPilains tantaneo ) RL  Sólidobajoriego

Concentración de cobre PLS

(Cu

) kg / h Cu  pls A lim entación  a  Sx m3 / h

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación Dimensionamiento Pila Datos de entrada: -

Toneladas húmedas Utilización efectiva (p.e: 96%) Carga de módulo por día (p.e: 1 módulo por día) Meta de producción de cobre Humedad mineral chancado (p.e: 2,55%) Humedad y densidad mineral acidificado (p.e: 6,5% y 1.62 t/m³) Dosis de ácido al mineral (kg/ton) Razón de lixiviación (m³/t) Altura pila (m) Tasa de riego (lt/h-m²) Ciclo de riego (primer y segundo ciclo, ILS y refino, respectivamente)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación Datos de entrada: -

Ancho de cancha Ángulo de talud (pe: 37°) Ciclo modulo apilado Número de cancha de lixiviación (pe: 2) Número de módulos por cancha Extracción de cobre en primer ciclo (pe: 60%) Extracción de cobre en segundo ciclo Alimentación instantánea a SX Extracción de cobre en SX Evaporación (goteros) (pe: 8 L/d-m²) Evaporación (aspersores) (pe: 18 L/d-m²) Tiempo de riego con aspersores (pe: 40%)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Qt  Q S  Q L

Pila de Lixiviación Q  H*Q L

T

QS (1  H  ) Q L  QT  Q S QT 

Datos de salida:

QTpd*(1-H°) S QL   QS (1 *HDosis  ) de ácido mx Sólido (Q Acido  Q min eral ) * H  QL  (1  H  )

Sólido por módulo Ácido por módulo Agua en modulo acidificado Masa en un modulo acidificado Volumen de un modulo acidificado Acidificado apilado por cancha

Suma de masas Masa/densidad mx Volumen mod*N° de mod.

Volumen trapecio

Base de apilado en cancha longitud calculada de modulo

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Q L  H  * QT

Q Pila de Lixiviación Q 

S

Datos de salida:

(1  H  ) Q L  QT  Q S

Sólido bajo riego

QS Sólido por Módulo * Ciclo de Riego (*)

T

QL 

 QS

Ácido en sólido bajo riego

(1 riego H  )* Dosis de ácido mx Sólido bajo

Agua de acidificación en sólido bajo riego

QL 

(Q Acido  Q min eral ) * H  (1  H  )

(Toneladas regadas en ciclo de riego)

Masa bajo riego

Masa/densidad mx

Acidificación bajo riego (ABR)

(Ciclo de riego * Volumen acidificado por modulo)

Acidificación en cancha completa (ACC)

Acidificado apilado por cancha (Ciclo de Riego/ABR)*ACC

Días de ciclo en cancha completa Módulos en riego en cancha completa Acidificación en cancha parcial

Base apilado en cancha/Longitud módulo Remanente para completar el ciclo de riego

Base de apilado en cancha parcial Días de ciclo en cancha parcial Módulos en riego en cancha parcial Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación Datos de salida: Base cancha*ancho cancha

Área de cancha completa bajo riego

Base cancha parcial*ancho cancha

Área de cancha parcial bajo riego

Suma

Área de total bajo riego Evaporación media instantánea

EvapIns tantánea 

( Evapgot * (1  Tiemporiegoaspersores ) * EvapAspersores * Tiemporiesgoaspersores ) h / dia *UE

Evaporación instantánea

Área total bajo riego/ Evap. Media

Riego instantáneo a pilas

Área total bajo riego*Tasa de riego

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación Datos de salida: Razón de Lixiviación

(h / dia *UE * Cicloriego * RiegoPilains tantaneo ) RL  Sólidobajoriego

Concentración de cobre PLS

(Cu

) kg / h Cu  pls A lim entación  a  Sx m3 / h

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación Parámetros Operacionales y de Diseño en Lixiviación en Pilas (P. Schmidt, 2001)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Pila de Lixiviación Dimensionamiento - Pilas ROM - Piscinas de Lixiviación - Ripios

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Contenidos  Diagrama de Proceso  Balance de Masa Sistema de Chancado  Tambor Aglomerador ⁻ ⁻

Dimensionamiento Balance de aglomeración

 Pila de Lixiviación  Extracción por Solventes  Electroobtención

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Extracción por Solventes DIMENSIONAMIENTO DE PLANTA SX Los parámetros de diseño más importantes que deben determinarse para el dimensionamiento de una planta de SX son: – – – – – – – – – – – – –

Flujo de solución de lixiviación PLS. Flujo de solución para la reextracción (electrolito pobre) Razón O/A Flujo de Orgánico Flujo de Recirculación Número de etapas Tiempo de retención Velocidad lineal Velocidad de Agitación Reactivo y concentración Temperatura Volumen del Mezclador Área/altura del Sedimentador

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Extracción por Solventes

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Extracción por Solventes Etapa Ideal (Situación de Equilibrio) La transferencia de masa M en las fases respectivas ha sido suficiente como para que la concentración del metal en el orgánico y en el acuoso sean las de equilibrio.

Acuoso, xf Orgánico cargado, yc

Refino, xr

Etapa Ideal

Donde, xf: concentración del metal en la fase acuosa. xr: concentración del metal en el refino. yc: concentración del metal en la fase orgánica yd: concentración del metal en el orgánico descargado.

Orgánico descargado, yd

Balance de Masa:

Ax f  Oyd  Axr  Oyd

x f  xr 

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

O  yc  yd  A

Extracción por Solventes Determinación del Número de Etapas La combinación de la isoterma de distribución y la línea de operación constituyen el diagrama de operación o diagrama de Mc. Cabe- Thiele. Este diagrama es utilizado para estimar el número teórico de etapas en un sistema SX. La isoterma de distribución es un gráfico de la concentración de la especie extraída en la fase orgánica versus la concentración de la misma especie en fase acuosa, en una situación de “equilibrio” y a una temperatura dada.

La línea de operación se basa en un balance de masa, ya que las concentraciones de metal disuelto en el orgánico que entra y la que sale del refino, son coordenadas de un punto sobre la línea de operación. Similarmente, la concentración del elemento metálico en la fase acuosa y en la fase orgánica que sale de cualquier etapa, son coordenadas de puntos sobre la línea de operación.

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Extracción por Solventes Planta SX de Chuquicamata

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Extracción por Solventes Determinación del Número de Etapas (2) La representación gráfica anterior corresponde a una situación ideal, es decir, la isoterma de equilibrio supone un equilibrio químico perfecto. Sin embargo, en la práctica no se alcanza esta idealidad y sólo se tiene una isoterma de pseudoequilibrio o equilibrio práctico. Concentración Fase Orgánica ( gpl)

Curva de Pseudo Equilibrio

Alimentación Acuosa Concentración Fase Acuosa (gpl) Refino Real Refino Teórico Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Extracción por Solventes Ejemplo Balance Concentraciones de Cobre por Etapa [Cu+2]=1,05 g/l

[Cu+2]=0,70 g/l ETAPA 1

[Cu+2]=0,50 g/l

[Cu+2]=2,0 g/l

ETAPA 2 [Cu+2]=0,8

ETAPA 3 [Cu+2]=1,8

g/l

g/l

Flujo orgánico Flujo acuoso Fuente: Esteban Domic

x f  xr 

[Cu+2]=3,96 g/l

O  yc  yd  A

A * ( x f  xr )  y d O y c  1 * (3.76  0.5)  0.7 yc 

y c  3.96

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

[Cu+2]=3,76 g/l

Extracción por Solventes Parámetros Operacionales y de Diseño de una Planta de SX (P. Schmidt, 2001)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Contenidos  Diagrama de Proceso  Balance de Masa Sistema de Chancado  Tambor Aglomerador ⁻ ⁻

Dimensionamiento Balance de aglomeración

 Pila de Lixiviación  Extracción por Solventes  Electroobtención

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Electroobtención Determinación del Número de Celda (Ley de Faraday) La Ley de Faraday define la cantidad teórica de lámina de cobre. Esta ley se combina con otros criterios de diseño para determinar el número de celdas electrolíticas requeridas.

Pcu ·icell ·At ·t·c md  z·F Donde: - Pcu: peso molecular Cobre (g/mol) - Densidad de corriente nominal, i (p.e: 280 A°/m²) - Eficiencia de corriente nominal, η (%) - Área de depositación del cátodo por ambos lados, At (m²) (p.e: 1m x 1m) - Tiempo, t - Número de electrones en la reacción, Z=2e - Constante de Faraday , F = 96.485,3 C·mol⁻¹ (A*s/mol) - Número de cátodos por celda (p.e: 60) - Md: masa de cobre depositada

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Electroobtención Para determinar el número de celdas además es necesario conocer: -

Número de cátodos por celda (p.e: 60) Ciclo nominal (días para la cosecha de los cátodos) Meta de producción de cobre fino (tpd, tpa) y utilización efectiva del proceso.

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Electroobtención Datos de Salida: Forma 1: - Ley de Faraday incluyendo en ecuación depósito por cátodo de 2 láminas en el tiempo de la cosecha. - Determinación de cobre depositado por día en cada cátodo. - Meta de producción por día (incluye UE) - Obtención de número de celdas para la nave. Forma 2: - Por celda-hora, kg/h. Ley de Faraday, considerando 1 hora. - Por celda-día, kg/d (depositación para 24 horas) - Por celda-ciclo, kg (cantidad depositada por día * ciclo nominal) - Producción por año, kg/a (cantidad por día * 364 * UE). - Obtención de número de celdas para la nave (Meta de producción año/producción año depositado).

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Electroobtención PM Cu i t Eficiencia de Corriente Acat Ncat F Z

63,5 300 5 0,92 1,9 60 96500 2

kg/kmol A/m2 días de cosecha

Ley de Faraday: m = i*t*A*(PM Cu)/F/z Flujo de cobre depositado por cátodo Flujo de Cobre depositado (md = Q*Delta Cu )

78,5 15,7 410400

kg por cátodo de 2 láminas cada 5 días kg/d/Cátodo kg/d

Número de Cátados Número de Celdas

26133 436

m2 A*seg/eq número de electrones en la reacción

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Electroobtención

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Electroobtención

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Electroobtención

Composición Cátodo Grado A (Fuente: LME - BS EN 1978:1998 Copper Cathodes)

Evaluación de Procesos Mineralúrgicos

Curso: Evaluación de Procesos Mineralúrgicos Departamento de Ingeniería en Minas Facultad de Ingeniería

“Dimensionamiento Planta de Hidrometalurgia de Minerales de Cobre”

Hernán Vives Navarro Octubre 2014 Universidad de Santiago