separacion solido liquido

T R A T A M IE N T O Y C O N C E N T R A C IÓ N Separación sólido-líquido: circuitos en contracorriente Por Juan Por Juan Luis Bouso. Bouso . ERAL, Equipos y Procesos, S.A.

Después de una breve reseña sobre los factores con mayor influencia en el proceso de separación sólido-líquido, y la conveniencia de realizar este en circuitos multietapas y a contracorriente como forma de obtener una mayor eficacia, el autor expone un método rápido de cálculo para estimar el efecto de lavado en función de la concentración de s6lidos, así como la recuperación final de sólidos, evaluando la eficacia del proceso y poder establecer la rentabilidad  de los circuitos. Finalmente, se muestran algunos ejemplos prácticos sobre la aplicación de estos cálculos a circuitos sencillos, en función del agua de lavado adicionada y el número de etapas utilizadas en el proceso.

L

a separación sólido-líquido es una parte fundamental en la mayoría de los procesos de tratamiento e hidrometalúrgicos, y de importancia especial después de procesos de lixiviación, clarificación antes de cambio iónico, extracción por solventes, precipitación, donde hay que recuperar los Iíquidos o soluciones portantes y en aquellos otros procesos donde se precise recuperar los sólidos de la mejor calidad posible, cristalización o precipitación. Podría decirse que se emplean dos principios fundamentales de separación: el primero mediante filtración, filtración , y el segundo mediante sedimentación. sedimentación. El primer procedimiento emplea filtros bien de vacío, presión o vacío-presión y el segundo, hidrociclones, tanques espesadores-clasificadores espesadores-clasificadores y centrífugas. Los factores con mayor influencia en una separación sólidolíquido son: a) Concentración de sólidos: En equipos de filtración a mayor  concentración mejor y más simple el proceso, y en equipos de sedimentación a menores concentraciones, mayor eficacia y simplicidad. b) Distribución granulométrica: Con granulometrías más finas se hace más difícil el proceso de separación, tanto empleando filtración o sedimentación como principios de operación. Este factor es extremadamente importante en procesos de lixiviación en los que generalmente se requieren grandes finuras para conseguir un buen efecto lixiviante. c) Relación sólido/líquido y grado de saturación o concentración de la solución: En general es ventajoso obtener  soluciones altamente concentradas que presentan ventajas de precipitación posterior, por lo que una disminución del volumen total empleado en el proceso de separación puede representar ventajas económicas adicionales. CANTERAS Y EXPLOTACIONES — MARZO 1989

d) Claridad de la solución enriquecida: En la mayoría de los casos se precisa obtener una solución lo más clara posible, aunque esto influye simultáneamente en la calidad del sólido y en la recuperación total de solubles. En general, y salvo contadas excepciones, el proceso de separación sólido-líquido requiere ser efectuado de modo repetitivo, es decir, en varias etapas.

Circuitos en contracorriente Como quiera que a mayor número de etapas se consigue mejor eficacia en el proceso, es decir, una mayor recuperación de sólido y una mayor recuperación de Iíquido, se tiende a circuitos con un gran número de etapas, aunque no mayor  de 10, en procesos convencionales. Esto trae como consecuencia, consecuencia, debido a las dilaciones precisas, previas a cada nueva etapa, que finalmente el volumen de pulpa en circulación es elevado con la repercusión consiguiente en los costes de inversión y operación. Por este motivo se sigue el método comúnmente llamado de contracorriente, contracorriente, donde los Iíquidos se mueven en dirección contraria a los sólidos. El Iíquido se va enriqueciendo en solubles, coloides o ultrafinos de la última ala primera etapa y el Iíquido perdido con los sólidos va perdiendo concentración en sentido contrario. La Figura 1 muestra un circuito en contracorriente con 3 etapas, mediante espesadores. Cuando el proceso es realizado con equipos de filtrado, y dado que con filtros puede obtenerse un Iíquido relativamente

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Fig. 2. Circuito en 2 etapas mediante filtros de banda. Fig. 1. Circuito en contracorriente con 3 etapas, mediante espesadores.

claro y de calidad, a menudo los Iíquidos son retirados en cada etapa. La Figura 2 refleja un circuito en 2 etapas mediante filtros de banda, que igualmente podría aplicarse a filtros de vacío o de presión. Los filtros de banda permiten grandes superficies de filtrado (hasta 110 m2 por filtro), y pueden ser empleados para realizar, con un solo equipo, un circuito en varias etapas (generalmente no más de 5). La Figura 3a muestra una solución de este tipo. Los filtros prensa, tipo Larox, también son muy apropiados para este tipo de trabajo presentando algunas ventajas frente a filtros de vacío, fundamentalmente, al ser el líquido forzado a pasar a través de la torta (presión del diafragma), Figura 3b. Estos circuitos en contracorriente tienen, por lo general, una finalidad común, obtener un sólido exento de solubles, es decir, un sólido lavado, al mismo tiempo que se obtiene una solución con la mayoría de los elementos solubles y con el menor contenido de sólidos, es decir clarificada. Se denominan con las siglas CCD, del inglés Counter Courrent Decantation, o bien CCW, del inglés Counter Courrent Washing, cuando el objetivo principal es obtener un sólido lavado. Los circuitos CCD o CCW alcanzan su máxima eficiencia cuando el Iíquido de la primera etapa es clarificado totalmente en un espesador y el sólido de la última es filtrado, siendo este tipo de soluciones muy empleadas últimamente dado su conveniente relación eficacia-coste. La Figura 4 muestra un circuito de lavado en contracorriente en 3 etapas mediante hidrociclones, incluyendo etapas adicionales de clarificado y filtrado para el Iíquido y sólido finales respectivamente.

La aplicación de hidrociclones en circuitos de separación sólido-líquido en contracorriente va en aumento, y muy especialmente, en aquellos circuitos que requieren de un tiempo de residencia corto para evitar por ejemplo la disolución, no deseada, de algunos solubles. La Figura 5 muestra el aspecto parcial de una instalación de lavado en contracorriente, del yeso que se obtiene como estéril en una planta de producción de ácido fosfórico. El lavado de este yeso químico ha permitido su aplicación posterior en el mercado de la construcción, al mismo tiempo que se ha mejorado la recuperación de ácido, y lo que es más importante, dando solución al problema de contaminación ambiental. En procesos de lixiviación-Iavado en contracorriente donde para lixiviar no se requiere una agitación muy fuerte o tiempos de residencia prolongados, el empleo de hidrociclones presenta grandes ventajas frente a los tanques espesadores o clarificadores, pues debido a las aceleraciones centrífugas alcanzadas en el interior de los mismos (hasta 5.000 veces la gravedad), el circuito de lavado se convierte así en un circuito mixto de lixiviación y lavado en contracorriente simultáneo. Esto es aplicable ala lixiviación de sales, y algunos minerales de uranio. La Figura 6 muestra una planta de lavado-lixiviación

Fig. 3b. En los filtros  prensa, tipo Larox en la figura, la filtración se realiza al pasar el Iíquido a través de la torta (presión del diafragma).

Fig. 3a. Circuito a corriente en tres etapas mediante un solo filtro de banda.

T R A T A M IE N T O Y C O N C E N T R A C IÓ N proporcional a la relación de líquido de lavado empleado frente al sólido. Lamentablemente, esto tiene una enorme repercusión en los costes de inversión y explotación, pues obliga a mover  mayores volúmenes, lo que supone emplear mayor número de hidrociclones, espesadores de gran superficie, bombas con grandes potencias, filtros de grandes dimensiones, etc.

Fig. 4. Circuito de lavado en contracorriente en tres etapas mediante hidrociclones, con etapas finales de clarificado (líquido) y filtrado (sólido).

Resulta importantísimo y necesario evaluar la eficacia del proceso y compararla con los costes, siguiendo varias alternativas variando el líquido de lavado y el número de etapas. A este respecto, es reconocido que la adición del líquido fresco únicamente en la última etapa, representa la utilización más eficaz. El cálculo del efecto de lavado es bastante complejo, aunque hoy en día, con el uso de ordenadores puede realizarse con relativa facilidad lo que permite comparar rápidamente diferentes alternativas y poder, así, elegir la de mejor relación eficacia/coste.

Evaluación del proceso  A continuación se expone un método rápido de cálculo, aunque no por ello, menos preciso. La fiabilidad de los resultados obtenidos vendrá, finalmente, condicionada por  los supuestos de concentraciones de sólidos considerados en los diferentes puntos del circuito al momento de realizar  su balance, y muy especialmente los valores de las descargas. Fig. 5. Instalación de lavado en contracorriente del yeso obtenido como estéril  en una planta de producción de ácido fosfórico.

Obviamente, los resultados serán altamente fiables si dichas concentraciones de sólidos están basadas, como debería ser, en pruebas de laboratorio, o mejor, a nivel de planta piloto y estas son muy fáciles de llevar a cabo mediante hidrociclones.

Efecto de lavado El cálculo que se presenta puede, no obstante, aplicarse a cualquier equipo de separación; hidrociclones, espesadores, filtros, centrífugas, etc. Circuito en dos etapas

Fig. 6. Planta de lavado-lixiviación en contracorriente en 3 etapas, mediante hidrociclones para recuperación de yodo.

en contracorriente en 3 etapas, mediante hidrociclones para recuperación de yodo. La eficiencia de separación o de lavado en circuitos de sedimentación es tanto mayor, cuanto mayor es la dilución en la alimentación de cada etapa y esta es directamente

La Figura 7 representa el diagrama de un circuito CCD con 2 etapas. El volumen de líquido en cada flujo se representa como Lik , siendo i el número de la etapa y K la clase de flujo: K = 0 para la alimentación, K= 1 para el rebose y K= 2 para la descarga. La concentración de solubles (coloides o ultrafinos) en el líquido se representa como Ci y se expresa en decimal. Es necesario mencionar que, como hipótesis, la concentración del líquido en todas las corrientes de cada etapa,se considera constante, es decir, los líquidos de

T R A T A M IE N T O Y C O N C E N T R A C IÓ N en la Figura 7, puede ser como sigue:

Líquido

Solubles Dividiendo esta última expresión por L12:

Fig. 7. Diagrama de un circuito CCD con 2 etapas.

pero:

alimentación, rebose y el perdido en la descarga de los sólidos, tendrán la misma concentración. Este supuesto es cierto en circuitos puros de lavado o decantación (CCW o CCD), en los cuales la lixiviación o solubilización ha sido anterior al circuito, pero no sucederá así en circuitos donde la lixiviación se lleva a cabo simultáneamente durante la separación sólido-líquido, aunque normalmente la lixiviación debería ser más fuerte en la primera etapa, por ejemplo el 80 por 100 y solamente el 20 por 100 restante se realizará en las etapas siguientes. El efecto de lavado en cada etapa es representado por wi, siendo esta la relación entre la concentración del líquido de alimentación y la concentración del líquido de rebose.

sustituyendo: (1)

y

(2)

b) Primera etapa El efecto total de lavado, representado por el número de etapas sería:

, donde n es

El balance de la primera etapa puede expresarse así:

Líquido

en el circuito considerado en 2 etapas

Solubles Dividiendo la última ecuación por L0:

Existe otro parámetro a considerar y en el cual se va a basar todo el cálculo, y este es, el factor de dilución Di, que es la relación entre el líquido fresco o reciclado que entra a cada etapa y el líquido que viene junto con la suspensión de alimentación:

pero:

sustituyendo: a) Segund a etapa El balance de la segunda etapa del circuito representado

T R A T A M IE N T O Y C O N C E N T R A C IÓ N y

(3)

De la expresión (1) se desprende que:

Es interesante resaltar que este procedimiento de cálculo demuestra que el efecto de lavado es totalmente independiente de las concentraciones de los líquidos. Otros parámetros del circuito a consideración serían: Recuperación de líquido

(4)

sustituyendo la expresión (4) en la (3): Recuperación de solubles (5)

En la mayoría de los casos, el líquido fresco de lavado no tendrá solubles, al menos, de la naturaleza de los que se quieren eliminar y que se están considerando en el cálculo, por lo que C3 Cw Oy:

Enriquecimiento de la solución

(6) Factor de l íquido

(7)

El efecto total de lavado sería:

reemplazando (6) y (7)

Siendo T0 el tonelaje de sólidos de alimentación; y W el volumen de líquido fresco introducido para realizar el proceso (líquido de lavado) Eficiencia de lavado

Circuitos en n etapas Siguiendo el mismo procedimiento, pueden calcularse los efectos de lavado para circuitos con mayor número de etapas:

Este parámetro da una idea del aprovechamiento del líquido, o lo que es lo mismo de la eficiencia del proceso.

Balance y recuperación de sólidos Habría, también, que evaluar el reparto de sólidos a lo largo del proceso, para así poder realizar un balance de masas del circuito y calcular la recuperación final de sólidos. Circuito en dos etapas

Resumiendo, podría recogerse la fórmula del efecto de lavado para n número de etapas, con una ecuación abstracta del tipo:

La Figura 7 indica los tonelajes de sólido seco Tik y los caudales de pulpa Mik en cada etapa.

T R A T A M IE N T O Y C O N C E N T R A C IÓ N El reparto de peso en cada etapa, siempre referido a la descarga, sería:

Y en el circuito considerado:

El reparto de peso total representado por 

Para calcular circuitos con mayor número de etapas recurriremos a un nuevo factor definido como la relación entre el tonelaje de descarga y el tonelaje de rebose, es decir:

n

sería: también podría expresarse:

Podría establecerse el siguiente balance: Sustituyendo en la ecuación para 2 etapas:

por otro lado Igualmente, sustituyendo en las ecuaciones para 3 y 4 etapas, llegaríamos a:

Recogiendo estas ecuaciones en una expresión matemática abstracta para n etapas:

Circuitos en n etapas Siguiendo el mismo procedimiento calcularíamos los repartos de peso totales para circuitos de 3 y 4 etapas:

Fig. 8a. Circuito en dos etapas con aporte de 1 m3 de líquido por t de sólido seco. Fig. 8b. Circuito de dos etapas con aporte de líquido de lavado de 200 m3/h.

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Fig. 8a. Circuito en dos etapas con aporte de 1 m 3 de líquido por t de sólido seco.

Fig. 8b. Circuito de dos etapas con aporte de líquido de lavado de 200 m 3 /h.

Ejemplos prácticos Para demostrar la aplicación del cálculo mostrado podríamos poner un ejemplo básico, basándonos en un circuito en dos etapas, con diferente aportación de agua, como el mostrado en las Figuras 8a y 8b. Figura 8a. En la Figura 8a se ha supuesto un aporte de líquido de 1 m3 por tonelada de sólido seco, es decir, Fw = 1. El efecto de lavado de un circuito en dos etapas será:

y:

luego;

Como puede apreciarse el efecto de lavado, duplicando el volumen de líquido es casi 3 veces mayor (21,22 ÷ 7 ,38 = 2,88) y la recuperación de solubles aumenta de 92,32 a 97,36 por 100, si bien la eficacia del proceso disminuye desde 2,72 a 2,30, lo que indica que el líquido es aprovechado menos eficazmente, pues, como anteriormente se mencionaba, la mejor utilización del líquido se consigue introduciéndolo solamente en la última etapa. El paso siguiente sería evaluar económicamente el coste de las dos alternativas propuestas, sopesando las ventajas de proceso frente a los incrementos de costes. Figura 8c. La Figura 8c refleja el mismo circuito de la Figura 8b, pero introduciendo el líquido repartido entre las dos etapas. El cálculo sería como sigue: D1 = 3,51;

D2 = 2,24

(W1 de la ecuación (7)) Figura 8b. La Figura 8b representa el mismo circuito, pero con un aporte de líquido de lavado de 200 m3/h, es decir, Fw = 200/ 100 = 2. Los factores de dilución serán:

Fig. 8c. Circuito en dos etapas con aporte del líquido entre las dos etapas.

T R A T A M IE N T O Y C O N C E N T R A C IÓ N y como la eficiencia de lavado sube a 5,31 desde 2,30, es decir 2,31 veces, lo que induciría claramente a inclinarse por  un circuito en 3 etapas.

(El cálculo de W1 es diferente) Como se ve claramente, la eficacia de lavado cae bruscamente lo mismo que el efecto de lavado y la recuperación de solubles, aún a pesar de haber empleado el mismo volumen de líquido de lavado, es decir, esta última alternativa presenta un bajo aprovechamiento del mismo. Por último, cabría considerar otra alternativa más al ejemplo presentado.

Figura 9 El proceso se realiza en tres etapas, pero sin incrementar  el líquido de lavado, es decir, manteniéndolo en 200 m3/h como en las Figuras 8b y 8c.

Cabría, igualmente, la posibilidad de reducir el volumen de líquido (si este fuese escaso o de coste elevado) con un circuito en 3 etapas, y seguir manteniendo los resultados alcanzados en el circuito de la Figura 8b.

Resumen Por supuesto, los cálculos y ejemplos desarrollados tan sólo cubren un pequeño espectro de aplicaciones y se han centrado a circuitos en los cuales, por un lado, el liquido de lavado no presenta contenido de solubles (al menos solubles de la misma naturaleza que los contenidos en la alimentación); por otro, adicionando el líquido solamente en la última etapa. Como se manifestó anteriormente el cálculo de estos circuitos, especialmente cuando existe el tipo de variantes antes citado, se vuelve muy complejo y su explicación rebasaría los limites de un simple artículo. De cualquier modo, los cálculos expuestos pueden cubrir  una gran mayoría de las aplicaciones más usuales y permitirán al técnico no muy familiarizado con estos procesos en contracorriente realizar las estimaciones, necesarias a veces, para establecer la rentabilidad de estos circuitos.

Bibliografía 1. Prof. Dr. H. Trawinski. Gegenstromwaschung von Eingedickten suspensionen bei anwendung Weiderholter verdünnung und  trennung durch sedimentation. Verfanhrenstechnik, januar 1974. 2. Prof. Dr. H. Trawinsk i. Gegenstromwaschung von laugungsprodukten in eindickern und hydrozyklonen einschliesslich des mathematischen Kalküls. Aufbereitungs-Technik. Jahrgang 18 (1977). Heft 8. 3. Juhani Haarti. Proceso de lavado en una separación sólido-líquido. Rocas y minerales, mayo 1987.

Puede apreciarse que el efecto de lavado se incrementa tremendamente desde 21,22 a 112,91, es decir, 5,32 veces

4. J.L. Bouso. Aplicaciones de hidrociclones. Rocas y minerales, octubre 1986. 5. Norman L. Keiss. SME Mineral Processing Handbook. Sociely of  Mining Engineers. 6. P. Somasundaran. Advances in Mineral Processing. Society of  Mining Engineers. 7. Prof. Dr. H. Trawinski . Comunicaciones personales. Enero 1976,  julio 1977.

Fig. 9. Circuito de tres etapas con aporte de 200 m 3 /h de líquido de lavado.

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CYE, 1989