Separacion Magnetica y Electrostatica

SEPARACION MAGNÉTICA Y ELECTROSTÁTICA Mauricio Aristizabal Alejandra Naranjo Andrés Betancur Jefferson Restrepo Manejo de sólidos Facultad de Ingeniería – Universidad de Antioquia Departamento de Ingeniería Química Junio12 de 2012.

RESUMEN En este trabajo se realizó la descripción e ilustración del fenómeno de separación magnética y electrostática ilustrando además el aprovechamiento a nivel industrial de dichos fenómenos, los equipos empleados a gran escala y los campos de aplicación a demás de los factores energéticos implicados en el proceso de separación magnética y electrostática.

OBJETIVOS   

La separación magnética busca principalmente aprovechar las propiedades magnéticas de un material determinado, ferroso en la mayoría de los casos, para separarlo de una mezcla de sólidos. La separación electrostática busca cargar superficialmente uno de los materiales de una mezcla, para que este sea repelido y por ende separado de la misma. La separación electromagnética consiste principalmente en la inducción de un campo sea eléctrico o magnético, sobre una mezcla, aprovechando las propiedades de sus componentes con el fin de separarlos.

CAMPOS DE APLICACIÓN Entre los campos de aplicación de este método de separación podemos encontrar: agregados, cerámica, carbón, alimentos, vidrio, metalmecánica, minería, empaques, farmacéuticos, plásticos, reciclaje.

1. SEPARACIÓN MAGNÉTICA Los principios de separación magnética han sido aplicados comercialmente por más de cien años. Las aplicaciones de dichos principios varían desde la separación de partículas de hierro hasta separaciones más sofisticadas tales como la eliminación de materiales magnéticamente débiles como óxidos de hierro. Los avances en los diseños de los separadores han permitido la aplicación de los principios de este tipo de operación, y actualmente es usada tan ampliamente, que se observa tanto a escala de laboratorio, como a escala industrial en el procesamiento de toneladas de materiales por hora. La selección del mejor equipo de separación para determinada aplicación requiere la comprensión de los principios básicos del magnetismo, además de la capacidad del separador en base a las variables de diseño y de aplicación, tales como el tipo de material, el tipo de proceso: húmedo o seco, tamaño de las partículas, características magnéticas de la alimentación, velocidad de procesamiento deseada y otras. 1.1 PRINCIPIOS DE LA OPERACIÓN. Cualquier partícula sometida a un campo magnético es magnetizada en algún grado y actúa como un dipolo magnético Dependiendo de las características magnéticas los materiales pueden ser clasificados en: •

Ferromagnéticos: Materiales que pueden ser magnetizados de forma permanente y que tienen momentos magnéticos por unidad de volumen de gran magnitud.

•

Paramagnéticos: Son materiales que además pueden ser clasificados en magnéticamente fuertes o magnéticamente débiles de acuerdo a la fuerza del momento magnético producido por unidad de volumen en un campo magnético externo.

•

Diamagnéticos: Materiales que son repelidos por un campo magnético.

Un campo magnético puede ser producido en diferentes formas y geometrías. Para un imán el campo se representa como un conjunto de líneas conocidas como líneas de fuerza magnética. Figura 1. Líneas de fuerza magnética que rodean un imán tipo barra

Figura 1. Líneas de fuerza magnética que rodean un imán tipo barra La intensidad de campo magnético (H) se mide en amperios/metro, y es una variable que depende de la corriente eléctrica que genera el campo magnético, de la geometría y otras variables como el número de espiras del dispositivo que lo genera. La densidad de flux magnético (B) se calcula como la suma de la intensidad de campo magnético con la magnetización inducida (M), que se mide en amperios/metro, multiplicada por la constante de permeabilidad de espacio vacío (μO) , dicha densidad se mide en Teslas. B = μO ( H + M ) La susceptibilidad magnética (χ) se define como la relación entre la magnitud de la magnetización inducida y la intensidad del campo magnético: χ = M/H La susceptibilidad magnética específica (ψ) se define respecto a la densidad del material: ψ = χ/ρ De acuerdo con esta propiedad se observan los siguientes comportamientos: • •

Sustancias paramagnéticas: Tienen susceptibilidades positivas, y con magnetización inducida se aumenta la densidad de flux magnético dentro del material Sustancias diamagnéticas: Tienen susceptibilidades negativas, y con magnetización inducida se cancela parte de la intensidad del campo magnético

En la tabla 1 se listan las susceptibilidades magnéticas de algunos materiales. La magnetización de varios materiales depende de forma directa de dos factores: 1. El grado de susceptibilidad magnética 2. La intensidad del campo magnético aplicado

Tabla 1. Susceptibilidad magnética de algunos elementos y minerales En la figura 2 se observa como los materiales ferromagnéticos se saturan magnéticamente de forma rápida de tal modo que en cierto punto un incremento en la intensidad de campo magnético no tendrá efecto. Para materiales paramagnéticos como la hematita, que son más difíciles de magnetizar la densidad de flux magnético es directamente proporcional a la intensidad de campo magnético, y muchas de estas sustancias prácticamente no pueden ser saturadas.

Fig. 2. Curvas de magnetización para materiales ferromagnéticos y paramagnéticos

En general, las características magnéticas de un material pueden cambiar en función de los esfuerzos del material, temperatura, presión y tratamiento químico. Por ello, cuando dos materiales paramagnéticos necesitan separarse, un posible pretratamiento químico con el fin de facilitar la separación magnética debería ser tenido en cuenta. Con el fin de retener la fracción magnética de un volumen de material en el separador magnético, es necesario que: Fm ≥ Fd + Fg Donde: Fm: Fuerza de tracción magnética. Se calcula como: Fm = m dB/dzFd: Fuerza de arrastre hidrodinámico. Se calcula como: Fd = 3πηbv Fg: Fuerza gravitacional Donde: m =Magnetización caracterización de la partícula (m = χHV) H =Intensidad de campo magnético dB/dz =Gradiente de campo magnético η =Viscosidad del fluido b =Diámetro de la partícula v =Velocidad del fluido V =Volumen de la partícula χ =Permeabilidad magnética de la partícula Un análisis de las ecuaciones mostradas indica que las separaciones entre partículas con susceptibilidades magnéticas cercanas pueden realizarse con éxito sólo si la distribución de tamaño de partículas está en un rango relativamente estrecho. La influencia de la fuerza gravitacional es dependiente de la dirección relativa del flujo de la suspensión. Cabe señalar que una separación magnética efectiva requiere que partículas de diferentes especies sean liberadas de las otras. También es importante que se usen las matrices más finas posibles (tipo filamentosas) porque éstas producen los más altos gradientes de campo magnético. El uso de matrices que producen grandes gradientes puede reducir sustancialmente la intensidad del campo magnético (fuerza del imán) requerida para obtener los mismos resultados de separación, reduciendo así la inversión de capital y los costos del proceso. Los resultados más económicos se obtienen cuando los diámetros de los filamentos de la matriz se hacen coincidir con el tamaño de las partículas que están siendo procesadas.

2. Separadores Electromagnéticos El diseño de los separadores difiere según los distintos tipos de materiales que se van a separar; en general, los dispositivos de separación magnética se pueden agrupar como sigue: 2.1 Imanes tipo parrilla Este tipo de dispositivos consta de una serie de tubos (a menudo de acero inoxidable) que están rellenos con imanes de cerámica e instalados en una trampa perpendicular al flujo de alimentación. Los imanes en rejilla se utilizan para la eliminación en seco y húmedo de partículas de hierro gruesas y finas. Los diferentes diseños disponibles de este equipo incluyen:     

Rejillas con auto limpieza Parrillas magnéticas tipo ala-cajón Parrillas magnéticas permanentes Parrillas magnéticas vibratorias Parrillas magnéticas giratorias

Cada uno de estos diseños se fabrica en varios tamaños, con hileras sencillas o múltiples (bancos) de tubos magneticos.las aplicaciones incluyen las trampas de material magnético para suspensiones como por ejemplo detergentes (en las plantas químicas), el azúcar y el dulce en las fabricas de alimentos, la recirculación de tinta (en las operaciones de impresión o la pulpa en las fabricas de papel. Las parrillas se pueden instalar en todo tipo de circuitos de material pulverizado y seco, donde pueda ocurrir contaminación o accidentes a causa de partículas de hierro finas o atrapadas. 2.2 Imanes tipo placa y gibas Estos dispositivos se utilizan para eliminar partículas de hierro que contienen lo materiales transportados de forma neumática o con un flujo descendente producido por la fuerza de la gravedad (caída libre). Las partículas de hierro se eliminan al ser atrapadas por una placa magnetizada que debe limpiarse en forma periódica. Se recomienda un ángulo para la rampa de 45°. La placa imán debe estar cerca del punto de alimentación para eliminar el efecto de la velocidad. Diversos fabricantes ofrecen líneas completas de imanes placa y gibas magnéticas. Los imanes de placa que se utilizan en rampas pueden ser imanes permanentes o electroimanes. Para el tipo de imán permanente el ancho del mismo se extiende hasta 1,23 m, con un ancho máximo de 2,85 m para los electroimanes.las capacidades son de aproximadamente 250 m 3/h por cada metro de ancho, para un ángulo de 45° y el imán colocado en el fondo de la rampa aproximadamente a 0.6 m de la parte superior con el material introducido a una velocidad baja. La capacidad varía de acuerdo con el diámetro de las partículas de hierro que es necesario eliminar con el ángulo de la rampa. (véase Tabla 2.)

Tamaño de partícula

Capacidad relativa % Ángulo de la Ángulo de rampa, 35° rampa, 45°

Más de 30 g (1 onza) 125 Más De 8 Mallas 100 (2.38mm) Hasta 30 G Menos De 8 Mallas 33 (2.38mm)

la Ángulo de la rampa 60°

100

75

45

45

10

10

Tabla 2. Eliminación de hierro en trampa con un imán de placa a 0,6 m de la parte superior* *cortesía de Eriez Magnetics

2.3 Imanes elevadores Estos dispositivos operan en forma continua o cíclica, por lo general, los imanes continuos tienen una banda que se desplaza sobre los polos del imán elevador para transportar las partículas magnetizadas hacia una región donde el campo magnético es bajo, o bien tiene un valor igual a cero donde se descargan. Dependiendo del diseño de los polos, estas unidades pueden ser dispositivos de alta o baja intensidad. En la figura 3 se muestran los métodos de línea o de banda transversal para la instalación de un imán elevador situado sobre un transportador de banda. Los separadores magnéticos tipo banda transversal se basan en el mismo principio de los imanes de elevación, a pesar de que estas unidades tienen capacidades relativamente bajas la misma unidad puede producir separaciones selectivas, con diferentes productos, al utilizar diferentes intervalos en los polos en intensidades de campo distintas (ver figura 4). El diseño de los imanes mostrado en las figuras 3 y 4 se utiliza para la eliminación de hierro. Los imanes suspendidos se colocan entre 5 y 10 cm por encima del punto más elevado del material sobre el transportador y pueden diseñarse de tal modo que sean autolimpiables. Las dimensiones para los dispositivos de este tipo varían desde 2.8 a 1.6 m. A menudo, se prefiere la instalación mostrada en la figura 3.a por que requiere de imanes menos potentes y puede limpiar el material contenido en un transportador de cinta de alta velocidad (superior a 1,75 m/s). Para las unidades equipadas con auto limpieza, la velocidad de la cinta es de hasta 2.5 m/s.

(a)

(b)

(c)

Fig. 3. Tipos de imanes elevadores (a) imán elevador en línea inclinado. (b) imán elevador en línea (c) Imán elevador para cinta transversal

Fig. 4. Separador magnético para 7 cintas transversales con 6 polos 2.4 Imanes de tambor y polea Desde que Tomas Edison inventó y desarrolló la polea magnética para la concentración de mineral de níquel, los tambores y poleas se han convertido en el tipo más común de separadores magnéticos. Estos dispositivos se pueden construir con un gran imán permanente o con un electroimán; el separador de tambor puede operar con alimentaciones secas o húmedas. En la figura 5 aparece el diagrama esquemático para el montaje de una polea magnética. Los tambores magnéticos que operan en seco se pueden diseñar para funcionar como imanes o como poleas elevadoras. Los dispositivos con tambores magnéticos tienen imanes estacionarios mientras que los tambores de las poleas giran. En la figura 6 se presentan otros diagramas de posibles disposiciones. fig. 5. Polea magnética En la categoría de separadores de tambor, vale la pena mencionar varios dispositivos especializados: 2.4.1 Separador de tambor de polaridad alterna Este dispositivo se utiliza para el tratamiento de material grueso (de menos de 40 mm a mas de 0,15 mm) que contiene partículas fuertemente magnéticas, cuando se requiere un concentrado de alto grado la capacidad de este dispositivo varía con el diámetro de la partícula alimentada hasta 100 Tm/ (h*m).

2.4.2 Separador de tambor unigap Este dispositivo se utiliza para materiales más finos que 6 mm y con velocidades de alimentación hasta de 10 Tm/ (h*m). 2.4.3 Separador magnético de tambor de baja intensidad y alta velocidad Este dispositivo está diseñado para manejar materiales muy finos (menos de 0,15 mm y más finos) para producir un concentrado magnético de alto grado. Dependiendo de los resultados requeridos (alta recuperación de productos magnéticos o concentrados de grao elevado, es decir limpios de productos magnéticos), los separadores de tambor en húmedo están diseñados para operar con flujo en paralelo, a contracorriente o a contra rotación. Al utilizar uno o más tambores en cualquier combinación posible. En la figura 7 aparecen los esquemas de estos separadores magnéticos de tambor por vía húmeda. Fig. 6. Disposición de separadores magnéticos tipo tambor. (a) tambor magnético operando como imán elevador. (b) tambor magnético operando como una polea (adaptado a un diseño cortesía de Eriez magnetics)

2.5 Poleas magnéticas Estos dispositivos tienen un tamaño que varía entre 0.203 y 1,219 m de diámetro y entre 2,03 y 1,526 m de ancho. El espesor aceptable de material sobre la banda del transportador depende del diámetro de la polea y de la velocidad lineal de la banda (ver tabla 3). En la tabla 4 se indica la capacidad máxima de estas unidades. Dependiendo de la aplicación de los factores de corrección a emplear aparecen en la tabla 5 para el cálculo de las dimensiones y la eficiencia máxima se multiplica el volumen real de material a manejar por el factor de corrección mostrado y se selecciona una polea magnética que tenga una capacidad igual o mayor que el volumen resultante. Fig 7. Disposiciones para dispositivos separadores de tambor magnético por vía húmeda. (a) tipo separador de tambor magnético en contrarrotación. (b) tipo de separador de doble tambor magnético en

corriente directa. (c) tipo de separador doble tambor magnético a contracorriente. espesor diámetro velocidad del de polea de la cinta material en mm en m/s en mm 203

Velocidad Diámetro Ancho de de la Capacidad de polea la cinta cinta en m3/h en mm en mm m/s

0,584

38

305

0,89

70

380

1,017

89

508

1,271

121

914

133

610

1,448

140

305

38

762

1,678

165

406

50

914

1,855

191

1067

2,033

210

914

255

1219

2,211

235

1219

515

Tabla 3. Espesor máximo del material para poleas

305

47

magnéticas según el diámetro de la polea y la velocidad de la cinta transportadora.

406

59

Tipo de hierro a retirar Protección de Grande y medio, trituradoras y mas de 30 g (1 molinos primarios onza) Grande, mas de Molino secundario, 30g pulverizadores y Medio 30 a 40 g separación en Pequeño de general malla 8 (2,38 Tipo de aplicación

203 203

381

Factor de corrección

610

1 1

610

610

610

0,585

1,017

1,143

Tabla 5. Factores de corrección de las capacidades

914

24,9 62,3

113

130

914

300

1219

623

406

88

610

170

914

1,448

374

1219

755

1524

1133

457

153

610 1,3

2 mm) hasta 30 g Contaminación por partículas Purificación de los finas ferrosas 4 productos menores que malla 8 (2,38 mm)

de la polea magnética

457

406

12,2

914

218 1,855

481

1219

935

1529

1500

Tabla 4 . Capacidad máxima para separadores de polea magnética.

Composición de los Velocidad Diámetro de N° de concentrados Recuperación alimentación separador etapas de fe tm/h*m SiO2,% Fe,% 0,6

6

1,1-1,3

70

92

10-12

0,916

6

0,9-1,1

70

98

28-33

1,2

4

0,9-1,0

70

98

62-85

de

Tabla 6. Influencia del diámetro del tambor magnético en la separación

Alimentación

Disposición separador

Descripción

Porcentaje de alimentación ˂74µ

Grueso

15-25

En paralelo

Medio

50

En paralelo o contracorriente

Fino

75-95

del

Capacidades recomendadas (tm/h*m) Diámetro del tambor, m 0,6

0,9

1,2

15-25

70-90

120160

10,0-15

35-50

60-90

Semicontracorriente 6,0-10,0

30-50

60-90

a

Tabla 7. Influencia del diámetro del tambor y la molienda en la capacidad del separador 2.6 Separadores magnéticos con tambor húmedo Estos dispositivos se utilizan para la concentración de partículas gruesas fuertemente magnéticas. Las dimensiones del separador están afectadas por diversas variables:  

El volumen y porcentaje de sólidos en la suspensión El porcentaje de partículas magnéticas

Concentración requerida de producto magnético. Este tipo de separador es construido por varios fabricantes; las dimensiones de los tambores oscilan entre 0,023 hasta 1,2 m de diámetro con anchuras de hasta 3.0 m. En el dispositivo de flujo en paralelo se pueden procesar suspensiones de 20% de sólidos en peso en separadores con un solo tambor y entre 35 y 45% para las unidades con dos tambores. Fig 8. Graficas de distribución del campo magnético (a) separador de tambor magnético de 1,2 m de diámetro, con corriente directa y contracorriente. (b) separador de tambor magnético de 1,2 m de diámetro por vía húmeda en contra rotación.

El diámetro máximo de partícula que se recomienda es de 6 mm (1/4 de pulgada) pero con tanques especiales estos dispositivos pueden manejar materiales más gruesos. Los separadores de tipo contracorriente pueden manejar partículas más finas de 0,8 mm (malla 20)

y se obtienen resultados óptimos con suspensiones que contienen aproximadamente 30% de sólidos. Este diseño tiene la ventaja de que puede manejar amplias variaciones de carga. El separador de contra rotación se recomienda para las aplicaciones en las que la recuperación es más importante que el grado del producto final. Estas unidades pueden manejar partículas hasta de 3 o 4 mm (1,8 pulgadas) de diámetro, pero con resultados menos satisfactorios para películas más finas de 0,5 mm y suspensiones que contengan del 30 al 40 % de sólidos. La figura 8 es una grafica de Gauss (tesla) para un separador de tambor húmedo de 1,2 m de diámetro. La influencia del diámetro del tambor sobre la separación aparece en la tabla 6 y en la figura 9. Fig 9. Influencia del diámetro del tambor sobre la separación Estos datos son el resultado del procesado de una magnetita parcialmente triturada, molida hasta un 75% de menos 0,044 mm (malla 325). La influencia del diámetro del tambor y el grado de molienda en la capacidad del separador se resume en la tabla 7. En la figura 10 se muestra el efecto del diámetro del tambor en la inversión. El coste de instalación de un separador magnético con un solo tambor puede variar entre 25.000 y 75.000 dólares por metro de anchura del imán, dependiendo del diseño, las dimensiones y el fabricante. Para tambores múltiples, los costos se incrementan aproximadamente en proporción directa al número de tambores requerido. Los costes anuales de mantenimiento varían entre el 3 y el 5 % de la inversión inicial. Fig 10. Influencia del diámetro del tambor sobre el coste de separación ( triangulo) separación para gruesos en 2 etapas (circulo) separación para finos en 3 etapas (cuadrado) suma de las separaciones para gruesos y finos

2.7 Separador de rodillos inducidos Estos dispositivos que se han utilizado de forma comercial desde 1890, manejan exclusivamente material seco y granulado. Son similares a los separadores de tambor, con la diferencia de que el cilindro gira en el hueco del electroimán. Los gradientes del campo magnético se obtienen al crear bordes afilados sobre la superficie del cilindro, o mediante la construcción de un rodillo con discos alternos de material magnético y no magnético. En la

figura 11 se muestra el esquema de un separador de rodillos inducidos. La distribución optima del di metro de par cula para la separaci n es ˂2 mm˃0,074 mm] (menor que malla 10, mayor que malla 200). Los dispositivos industriales se construyen con rodillos múltiples que operan en serie o en paralelo y pueden utilizarse como concentradores o purificadores (ver figura 4). Las anchuras estándar de los rodillos son 0,25, 0,5 y 0,75 m; las capacidades varían entre 1,5 y 18 Tm/ (h*m). Los separadores con rodillos inducidos se utilizan exclusivamente para el procesamiento de materiales débilmente magnéticos. Los costes de capital para este tipo de dispositivos son relativamente bajos en comparación con los otros separadores magnéticos de alta intensidad, pero los costes totales del proceso son elevados, debido a los requerimientos de una alimentación libre de humedad. En la U.R.S.S se desarrollo un separador con rodillos inducidos para el procesamiento por vía húmeda al principio de la época de los sesenta y se informo que su capacidad era de 100 Tm/h. En 1964, un fabricante australiano produjo un separador con rodillos inducidos, tipo húmedo, diseñado con rotor rallado y laminado que gira en torno a un eje vertical (polo). Estos dispositivos se construyen hasta con 10 polos y se utilizan principalmente para la concentración de arenas de ilmenita. La capacidad es aproximadamente de 0,8 Tm/h por polo magnético. Se pueden obtener separaciones similares a las obtenidas con estos dispositivos mediante separadores de banda transversal (ver figura 4), estas unidades se construyen hasta con 8 polos cada uno de los cuales puede operar con diferentes intensidades de campo magnético para permitir una producción simultanea de concentrados distintos; sin embargo, su capacidad es baja y los costes de instalación por tonelada de capacidad son elevados en comparación con las unidades de rodillos inducidos.

Fig 11. Diagrama esquemático de un separador de rodillos inducidos

2.8 Separadores de polo inducido: En este tipo de separadores los gradientes de campo magnético se producen con la generación de un campo magnético de apoyo en una matriz ferro magnética que induce en la matriz los polos magnéticos en la matriz alrededor de la orillas. Las direcciones del campo en comparación con las que se inducen en la matriz determinan si el separador es un separador de flujo en paralelo o perpendicular. Teniendo en cuenta lo anterior únicamente existen dos

diferentes tipos de separadores que son prácticos en realidad y son el de estructura en C y el solenoide. 2.8.1 Separadores de estructura en C: Estos imanes utilizan una matriz ferro magnética colocada entre los polos de un electroimán, pero su diseño hace que el campo magnético del electroimán que es el campo de apoyo no sea uniforme lo que ocasiona campos magnéticos marginales que se generan en la región de barrido y pueden provocar que se sature la matriz incluso si hay presentes solo pequeñas cantidades de material magnético a separar. El material ferro magnético utilizado en la matriz ocupa entre un 40 a 80 % de todo el volumen magnetizado.

Fig 12. Esquema de separador de polos inducidos estructura en C

2.8.2 Imanes de solenoide: Estos dispositivos pueden ser usados tanto para alimentación en seco como en húmedo dependiendo de su diseño, igualmente según el diseño que se tenga pueden tener un campo magnético uniforme. Como puede verse en la figura 12 la utilización de una estructura de retorno es importante para generar un campo magnético uniforme. Algunas matrices como lo son las matrices de tipo filamento ocupan solo un 10% del volumen magnetizado y aun asi producen gradientes de campo magnetico muy elevados a pesar de su volumen. Se ha informado las capacidades de este tipo de unidades de hasta 180 ton/h. Los separadores de solenoide son diseñados para funcionar de manera intermitente cíclica o continua dependiendo de las necesidades, además de funcionar con varios tipos de matrices como placas ranuradas, bolas de de acero, metal expandido, o filamentos metálicos. De manera comercial hay separadores de hasta 600 ton/h para mineral de hierro; pero la selección del equipo

Fig 13. Esquema de separador magnético de polos inducidos con bobina de solenoide. y el método de operación igualmente están sujetas a variables muy conocidas y de vital importancia como lo son temperatura, presión, volumen de material, tipo de material, etc. Un tipo común de separador de solenoide que opera en forma cíclica es el separador de Franz un separador muy conocido en laboratorios, un diseño de solenoides con estructura de retorno y flujo encerrado para utilizarse en forma cíclica y continua. Dependiendo del tipo de matriz usada, los separadores magnéticos de polos inducidos se clasifican en separadores magnéticos de alta intensidad, los cuales usan placas ranuradas o bolas de acero para el material de la matriz, o como separadores magnéticos de gradiente elevado en los que se emplean matrices de filamento como, por ejemplo lana de acero metal expandido; se ha comprobado que las matrices de filamento son más convenientes. El campo máximo producido por estos separadores tanto tipo c como solenoide son de aproximadamente 2T. Por otra parte las unidades superconductoras se pueden construir con unidades de hasta 8T; en todos los dispositivos las partículas mas magnéticas se retienen sobre la matriz y la fracción menos magnética es transportada en lechada. 2.8.3 Dispositivos dinámicos o desviadores: El separador isodinámico de Franz es el separador más antiguo usado y como se muestra en la figura 13 es de uso de laboratorio, tiene una configuración dipolar, con polos en forma tal que el valor del campo magnético sea constante en todo el volumen de trabajo de separación. El material a separar se puede alimentar por una rampa vibratoria o dejarse caer entre los polos con lo cual se produce una separación dependiente únicamente de que tan sensible es el material al campo magnético.

Fig 13. Separador magnetico dinámico Franz 3. MAGNETOS SUPERCONDUCTORES Estos separadores generan el campo magnético en el mismo sentido del flujo como en el solenoide eléctrico normal; la diferencia de estos y el solenoide es que la bobina esta hecha de un material superconductor o aleación superconductora, pero tiene una desventaja y es que este material debe de mantenerse a muy baja temperatura para mantener ese estado superconductor. Existen muchos materiales que pueden ser usados como superconductores en estos equipos, pero la opción preferida y mas económica es una aleación de niobio y titanio que son considerados como los más convencionales; pero la elección más importante es la del sistema de enfriamiento que en gran medida es el que manda que tan económico puede llegar a ser el separados, para la elección existen tres modelos diferentes que han sido exitosas industrialmente. 





Sistema de condensación de ciclo cerrado: En este modelo se tiene al superconductor sumergido en un baño de helio liquido y los vapores que genera el helio liquido es recuperado mediante un sistema de condensación y devuelto al baño del superconductor, una de las desventajas más importantes de este sistema es que es de instalación compleja pero tiene una excelente fiabilidad y no se presentan interrupciones en un trabajo continuo. Sistema de bajas perdidas: Al igual que el anterior este sistema trabaja en un baño de helio liquido pero la diferencia radica en que ya no se tiene el condensador sino un sistema de aislamiento muy eficiente el cual permite que el superconductor opere por un largo tiempo, por lo menos 1 año, entre recargas de helio liquido al sistema; este sistema es inmune a los cortos de energía pues no requiere un condensador y es extremadamente fiable en lugares donde la energía eléctrica es difícil de conseguir o en lugares de medio difícil o acceso remoto como el amazonas. Refrigeración indirecta: Este tipo es diferente a los demás debido a que utiliza un sistema de enfriamiento usando el ciclo de Gifford McMahon el cual puede generar temperaturas de 4K o menos lo que hace posible el enfriamiento del conductor, por lo

que no hay necesidad de usar el helio liquido. El problema radica en que necesita un suministro constante de energía pero tiene beneficios como un bajo consumo de esta energía, una resistencia de cero del embobinado y la obtención de mayores campos magneticos. 3.1 Separador magnético de alto gradiente: Este separador magnético superconductor, funciona mediante la captura de partículas en una matriz ferromagnetica, tiene como ventajas principales el generar un campo magnético de inducción muy fuerte que ayuda a la captura de material débilmente magnético. Este sistema montado a gran escala genera un consumo de enrgia considerable y además no puede operar de manera continua y la matriz debe ser desmagnetizada para eliminar el material atrapado. Una modificación importante que tiene este sistema es que puede ser útil para separar un flujo en seco y no en emulsión como los demás. La comparación del consumo de energía y los beneficios de separación darían como resultado que el consumo es bajo y esto es un factor clave para tener en cuenta en este equipo. Un esquema de este equipo puede verse en la figura 14.

Fig 14. Separador magnetico de alto gradiente. 3.2 Separadores magnéticos de gradiente abierto: a diferencia del anterior este superconductor tiene un imán que está dispuesto para proporcionar una región magnetizada en espacio abierto con un campo altamente divergente; cualquier material que pase por esta región susceptible magnéticamente es atrapado por la fuerza del imán. Existen varios tipos de equipos, que ofrecen mayores perfiles de fuerza y mayor alcance y son de imán permanente, estos también pueden operar con alimentación seca y partículas de tamaño mayor a 75mm; uno de los primeros de este tipo fue un separador de tambor con 1 metro de diámetro y un

condensador de helio el cual afecta los costos significativamente, este equipo se usa más que todo para el beneficio de la magnesita. Para hacer un dispositivo más compacto se ha adicionado un cryostream, esta estructura es muy buena para el enfriamiento indirecto para proporcionar simplicidad y economía; el dispositivo simplificado funciona con un campo máximo de 4T y sirve para la separación magnética de minerales con poca susceptibilidad magnética.

4. SEPARACIÓN ELECTROSTÁTICA El principio de la separación electrostática está basado en el hecho de que si uno de los materiales en una mezcla de partículas pueden recibir una carga superficial al entrar a un campo electrostático, las partículas de este material serán repelidas por uno de los electrodos y atraídas hacia el otro, dependiendo del signo de la carga de las partículas. Las técnicas convencionales de separación electrostática emplean las fuerzas desarrolladas entre partículas cargadas y los electrodos de campo para establecer trayectorias, y a partir de éstas tornar efectiva la separación. El arte y la ciencia de la concentración electrostática se encuentran en la habilidad de cargar selectivamente una o más especies minerales que componen una mezcla, tornándolas de comportamiento diferente en el campo eléctrico. La mayor aplicación de la separación electrostática ha sido en el procesamiento de arenas de playa y depósitos aluviales conteniendo minerales de titanio. Hay pocas plantas de tratamiento de arenas de playa en el mundo, que no usan la separación electrostática para separar rutilo e ilmenita de zircón y monacita. La mayoría del rutilo y zircón se produce en Australia, y todas las plantas utilizan separación electrostática. La separación electrostática es usada también en otros minerales, tales como: casiterita, columbita, minerales de ganga obtenidos desde concentración de ilmenita, hematita, etc. 4.1 Componentes de la Concentración Electrostática Los sistemas de separación electrostática contienen a lo menos cuatro componentes: • • • •

Un mecanismo de carga y descarga. Un campo eléctrico externo. Un sistema que regule la trayectoria de las partículas no eléctricas. Un sistema de colección para la alimentación y productos.

Los mecanismos de carga y descarga resultan de una de las siguientes categorías de distribución de carga: • Partículas de dos especies diferentes entran en un campo eléctrico en una zona de separación portando una carga eléctrica de signo opuesto. • Partículas de dos especies diferentes entran en una zona de separación donde un solo tipo de partícula lleva una carga eléctrica significativa.

• Partículas entran en la zona de separación, de modo que partículas de diferentes especies llevan carga del mismo signo, pero la magnitud de la carga eléctrica es significativamente diferente. • Partículas de diferentes especies entran en la zona de separación con momentos bipolares significativamente diferentes. 4.2 Mecanismos para Cargar Partículas A pesar de que hay varias formas de cargar partículas, sólo tres mecanismos de cargado son usados en la separación electrostática comercial: • • •

Cargado mediante electrificación por contacto y fricción. Cargado por bombardeo de iones o electrones. Cargado por inducción conductiva.

4.2.1 Cargado de partículas mediante electrificación por contacto La electrificación por contacto es el mecanismo más frecuentemente usado para cargar partículas selectivamente, y permitir una separación electrostática de dos especies de materiales dieléctricos. Ejemplos típicos son la separación de feldespatos desde cuarzo; cuarzo desde apatita y halita desde silvita. Como regla general, si dos materiales dieléctricos son contactados y separados, el material con la constante dieléctrica mayor se carga positivamente. Sin embargo, en el caso de los minerales esto no es particularmente así, ya que las propiedades eléctricas de un mineral pueden variar ampliamente debido a la presencia de trazas de impurezas. Sin embargo, es importante señalar que la separación electrostática de una mena a escala industrial no es fácil. En general, los productos finales que se obtienen resultan de varias etapas de limpieza y scavenger. 4.2.2 Cargado por corona – El separador de alta tensión Cuando la mena está compuesta de una mezcla de minerales buenos y malos conductores eléctricos, la mezcla puede ser separada generalmente por el uso de procesos de alta tensión. Aplicaciones típicas son la separación de rutilo e ilmenita (conductores) desde zircón y otros minerales no conductores encontrados en arenas de playa, y la separación de cuarzo (aislante) desde especularita (conductor). En los separadores de alta tensión la alimentación se realiza en el rotor (tambor rotatorio) conectado a tierra y entra al campo de un electrodo ionizado cargado. Las partículas alimentadas aceptan una carga por bombardeo de iones. Las partículas conductoras pierden su carga en el rotor conectado a tierra y son lanzadas desde la superficie del rotor por la fuerza centrífuga, lejos de la superficie del rotor. Las partículas no conductoras no son capaces de disipar su carga rápidamente en el rotor, y de ese modo, son atraídas a la superficie del rotor.

Fig 15. Separador electrostático de alta tensión. Un separador de alta tensión tiene una capacidad de alrededor de 1000 a 1200 lb/h por pie de rotor. Los rotores de estos equipos que son utilizados para arenas de playa. 4.2.3 Cargado por inducción Si una partícula se coloca sobre un conductor conectado a tierra en la presencia de un campo eléctrico, la partícula desarrollará rápidamente una carga superficial por inducción. Ambas, las partículas conductoras y no conductoras llegarán a ser polarizadas, pero la partícula conductora tendrá una superficie completamente equipotencial. La partícula no conductora permanecerá polarizada. En el cargado por inducción la mezcla de minerales a ser separada se alimenta a un tambor que rota y pasa a través de un campo eléctrico generado por un electrodo tubular de alto voltaje. Las partículas conductoras obtienen carga por inducción por un periodo corto de tiempo, dependiendo de su superficie conductiva. La carga inducida tiene una polaridad inversa a la del electrodo de alto voltaje. Por lo tanto, una fuerza atractiva se originará hacia el electrodo con respecto a las partículas conductoras, con lo cual las partículas serán dirigidas desde la superficie del rotor en dirección del electrodo. Las partículas no conductoras no se cargarán significativamente durante su residencia en el rotor y su carga será pequeña para afectar un movimiento hacia el electrodo de alto voltaje.

Fig 16. Partículas cargadas por inducción.

Fig 17. Separador electrostático tipo rodillo.

Fig 18. Separador electrostático de palca inclinada (tobogán).

Fig 19. Separador electrostático Reichert de placa tipo harnero.

4.3 Separadores Electrostáticos 4.3.1 Separadores electrostáticos electrodinámicos Los separadores electrostáticos del tipo electrodinámicos son comúnmente llamados separadores de alta tensión. En estos separadores la alimentación se realiza en el rotor (tambor rotatorio) conectado a tierra y entra al campo de un electrodo ionizado cargado. Las partículas alimentadas aceptan una carga por bombardeo de iones. Las partículas conductoras pierden su carga en el rotor conectado a tierra y son lanzadas desde la superficie del rotor por la fuerza centrífuga, ellas entonces están bajo la influencia del campo electrostático del electrodo no ionizado y son lanzadas lejos de la superficie del rotor. Las partículas no conductoras no son capaces de disipar su carga rápidamente en el rotor, y de ese modo, son atraídas a la superficie del rotor. Los separadores de alta tensión operan en un rango amplio de tamaños de partículas. Con arenas de playas es posible trabajar en un rango de tamaño de 50-100 micrones, aunque un rango de tamaño menor es deseable y más común. Con menas de hematita, tamaños menores a 1 mm se aceptan, sin embargo, partículas menores que 75 micrones causan problemas. Para optimizar el rendimiento de un separador de alta tensión deben considerarse las siguientes variables: flujo de alimentación, velocidad del rotor, posición y voltaje del electrodo y la posición del separador del producto obtenido.

Fig 20. Separador electrodinámico o de alta tensión. 4.3.2 Separadores electrostáticos Inicialmente los separadores electrostáticos fueron del tipo placa electro-estática. Los separadores de placa de caída libre, en los cuales las partículas caen entre dos placas verticales (una placa cargada positivamente y la otra placa cargada negativamente, con un alto gradiente de voltaje entre ellas), ha sido usada para separar silvita desde halita, feldespato desde cuarzo, y fosfato desde cuarzo. Sin embargo, este tipo de separador no se usa mayormente. Hay dos tipos de separadores electro-estáticos que se fabrican: el separador tipo rotor y el separador tipo placa.

4.3.2.1 El separador tipo rotor: El separador electro-estático tipo rotor es similar, en apariencia, al separador de alta tensión. Sin embargo, el separador electro-estático no presenta el electrodo ionizado. En ese lugar hay un solo electrodo largo que produce un campo eléctrico. Aunque la partícula sea conductora o no conductora, ella puede considerarse como una partícula que puede llegar a polarizarse.

Fig 21. Separador electro-estático tipo rotor. 4.3.2.2 El separador tipo placa: Se fabrican dos separadores del tipo placa: el separador electro-estático de placa y el separador electro-estático de malla (harnero). Los principios operacionales son similares. Las partículas son cargadas por inducción y las conductoras adquieren una carga opuesta al electrodo. De ese modo, las partículas conductoras son atraídas hacia el electrodo. Las no conductoras continúan hacia abajo en la placa o a través del harnero.

Fig 22. Separador electro-estático de placa.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 

Perry, Manual Del Ingeniero Quimico, vol. 3



Brewis, T. Magnetic Separation. Mining Magazine, oct. 1996, p. 192.



Lawyer, J. E. General Principles and Types of Electrostatic Separators. In: SME Mineral Processing Handbook (Weiss, N. L., ed.), SME, New York, Vol. 1, 1985, p. 6-6.



Salmi, R. W. Specifications for Standar-Intensity Drum-Type Wet Magnetic Separators. In: SME Mineral Processing Handbook (Weiss, N. L., ed.), SME, New York, Vol. 1,1985, p. 6-39.



Wills, B. A. Tecnología de Procesamiento de Minerales. Ed. Limusa S.A., México, 1987, 568 p.



http://www.elmaky.com/ingenieria/operaciones-de-separacion.html