Universidad Técnica Federico Santa María
Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
Beneficio de minerales
Flotación Flash Integrantes:
Profesora: Fecha:
Fernando Martínez Iván Rojas Eric Llantén Claudia Montenegro Oscar Valenzuela Laura Guzmán Romke Kuyvenhoven 19 de noviembre de 2012
Introduccio n En la industria minera, la energía representa alrededor del 20% del total de los costos, por lo que con el continuo aumento de los precios de la energía en los últimos años, se ha comenzado a dar cada vez mayor importancia a la gestión energética. Ésta además de ser una forma de reducir los costos en los procesos productivos, ayuda a disminuir la contaminación que conlleva. Todo esto implica hacer cambios para obtener mayor producción con menos recursos y simultáneamente generar menos desechos. A fin de optimizar cada vez más la etapa de flotación, tecnología que está presente desde los años 60, se han desarrollado constantemente nuevas tecnologías como celdas neumáticas, flotación flash, flotación centrífuga y más recientemente la celda Jameson. En el presente estudio se describe el funcionamiento de la Flotación Flash (Flash Flotation), el cual corresponde a un método que se basa en la flotación instantánea de las partículas valiosas desde un circuito de molienda-clasificación, evitando así la posterior sobremolienda, lo que implica un ahorro de energía. En el procesamiento de minerales, posterior a la molienda, se utiliza un hidrociclón que selecciona las partículas según su gravedad específica. De esta forma, las partículas menos densas son recuperadas por el overflow y enviadas a flotación, mientras que las más densas salen por el underflow y son retornadas para remolienda. La flotación se utiliza para concentrar la especie mineralógica de interés y se basa en dos principios: la hidrofobicidad del mineral que, ayudada por un reactivo colector, permite la adherencia de las partículas sólidas a las burbujas de aire, y en la formación de una espuma estable por la acción de un espumante, que permite la limpieza del mineral colectado, gracias al drenaje del material fino arrastrado (generalmente ganga). Esta tecnología tiene especial aplicación para las siguientes condiciones: -
Cuando el mineral valioso es más blando que la ganga, Cuando el mineral tiene mayor gravedad específica que el mineral de ganga En la minería polimetálica (cuando existen grandes diferencias entre la gravedad específica de los minerales de la mena)
Dado que la ganga suele ser más liviana que la mena, muchas partículas gruesas de mena que han sido liberadas son enviadas de vuelta al molino a remolienda, lo cual implica un gasto de energía innecesario. Aunque esta tecnología aún no es ampliamente utilizada en Chile, está siendo actualmente utilizada en el país por minera Esperanza, constantemente se realizan estudios para sus posibilidades de instalación dentro a las operaciones. 1
Marco teo rico El proceso de flotación se basa en la interacción entre las burbujas de aire y las partículas de sólido presentes en la pulpa. La eficiencia que tienen las burbujas para atrapar en forma selectiva las partículas de mineral y luego ascender cargadas hasta el rebalse, depende de múltiples fenómenos que ocurren en la pulpa, principalmente diferencias en las propiedades físico-químicas superficiales de las partículas. Mediante el uso de reactivos, estas diferencias se acentúan y permiten la captura preferencial de algunas partículas que son colectadas y transportadas por las burbujas de aire. Uno de los principales factores influyentes en la recuperación de mineral valioso, es el grado de liberación que alcanzan las partículas. A mayor liberación, mayor será su cinética de colección y por ende, será más fácil su recuperación. Por otro lado, la alimentación de partículas muy finas al proceso de flotación suele generar problemas en la recuperación reduciendo considerablemente la masa reportada al concentrado de las celdas convencionales. Partículas muy pequeñas tenderán a ser repelidas por la capa deslizante que rodea a las burbujas de aire que ascienden a gran velocidad y son conducidas finalmente por el líquido hacia las colas (razón por la cual se debiese utilizar burbujas de menor tamaño con menor velocidad de ascenso, con sus consecuentes problemas operativos). La flotación flash es la flotación de partículas liberadas de mineral valioso presentes en la carga circulante del circuito de molienda - clasificación, que normalmente serían enviadas de vuelta al molino. La remoción de mineral libre con granulometría lo más gruesa posible, siempre será lo más deseable de forma que se evite la sobremolienda del material ya listo para flotar. Esta afirmación se ve justificada a través de una serie de ventajas tales como la disminución en los costos de molienda, incrementos en la recuperación por la reducción de las pérdidas de finos por las colas, mayor eficiencia en espesadores, entre otras. Los minerales valiosos son generalmente blandos en comparación a la ganga, además de una densidad considerablemente mayor, por lo cual tienden a concentrarse en el underflow de los hidrociclones, recirculando al circuito. Como ya ha sido mencionado, esto producirá una sobremolienda del mineral hasta que finalmente logre ser expulsado en el overflow del hidrociclón, lo cual a su vez conducirá a menores recuperaciones en el circuito de flotación convencional, debido a la pérdida de este mineral valioso ultrafino en el relave.
La liberación es, en promedio, la variable que genera mayor incidencia en la eficiencia de colección. Aquellas partículas liberadas podrán ser flotadas siguiendo una cinética acorde a su liberación, por lo que dentro de un mismo rango de tamaño, para un mismo porcentaje de liberación, se tendrá una cinética de flotación similar. Dado lo anterior, las condiciones para la flotación flash son suficientemente favorables en la corriente del underflow del ciclón debido al contenido de partículas liberadas, una superficie menos oxidada y una granulometría tal que no existe material ultrafino que pudiese ser arrastrado por la corriente de líquido hacia las colas. 2
Sólo el material muy grueso cortocircuitará la zona de colección, dirigiéndose directamente hacia las colas de la celda, que son las que finalmente se alimentarán al molino. La alimentación a la celda de flotación flash proviene de un estanque donde se distribuye el flujo hacia la celda o directamente al molino, donde típicamente la mitad a dos tercios del flujo se desvía hacia flotación flash. Debido al alto porcentaje de sólidos presentes en la alimentación a la flotación flash, se requiere la adición de agua de dilución para reducir la densidad de la pulpa aproximadamente en un 65%. Aunque el rendimiento de flotación óptima es a una densidad más baja aún, esto requeriría más agua de dilución, y dado que la mayoría de la alimentación es reportada en las colas, implicará finalmente un volumen adicional de agua de retorno al molino. Lo anterior implica una reducción en el rendimiento y capacidad aprovechable de éste, el cual es ocupado por el agua adicional en vez del material a procesar, por lo que se debe lograr un equilibrio entre el funcionamiento del molino y el desempeño de la celda.
Figura 1: Celda de flotación flash
Típicamente la flotación flash entregará recuperaciones de entre 40%-60%. El concentrado producido generalmente no requerirá de limpiezas posteriores, por lo que puede tratarse como concentrado final y mezclarse con aquel del circuito de flotación convencional. Actualmente es ampliamente utilizada en la minería de metales pesados en general, particularmente en la minería del oro y del plomo.
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Ganancias En la tabla N°1 pueden observarse un listado de las principales ganancias cuantitativas observadas en planta al utilizar tecnología de flotación flash sobre la convencional: Tabla 1: Resultados de circuitos de flotación flash en operación
Aplicación
País
Resultados Aumento en la ley de níquel
Níquel
Australia
Aumento de un 3,3% en la recuperación global Optimización del proceso de molienda Optimización de espesado Reducción de un 20% en el consumo de colector para el circuito de cobre 2,6% menos de zinc reportado en el concentrado de cobre
Cobre/Zinc/Oro
Canadá
1-2% de reducción en la humedad del concentrado de cobre Operación mas estable del circuito de flotación Incremento de 5% en la recuperación de oro Recuperación de la inversión dentro de 3 meses
Cobre/Oro
Australia
Oro
Nueva Zelanda
Incremento de 2,5% en la recuperación de cobre y oro Humedad del concentrado reducida en un 2% Aumento en la recuperación de oro de un 2,5% Recuperación de hasta un 80% de oro en la celda SkimAir de Outotec
Esta tecnología está siendo utilizada actualmente en Minera Esperanza, cuyo circuito puede observarse en la Figura N°2. Para poder estimar el desempeño que brindaría la incorporación del circuito de flotación flash, realizaron pruebas en planta piloto y simulaciones para la comparación con los rendimientos obtenidos con los circuitos de concentración convencional, y así encontrar la disposición óptima de equipos para así obtener las más altas recuperaciones de cobre y oro, cumpliendo con los requerimientos de la ley de concentrado de cobre. Los resultados de la simulación son mostrados en la Tabla 2.
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Figura 2: Diagrama de proceso, Minera Esperanza
Tabla 2: Resultados de pruebas piloto en circuito convencional y con etapa flash
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Como se puede observar, el estudio entrega como conclusión que la instalación de una etapa Flash produce un aumento en la recuperación de todos los metales obtenidos. Si se toma como referencia el Cobre, se observa un aumento en la recuperación global de un 94,8% a 95,5%. Considerando el tonelaje tratado por Minera Esperanza, el cual asciende a 50.000 tpd aproximadamente, con una ley de cabeza del 1%,y para un precio del cobre aproximado de 7.615[USD/ton] (para el 15 de Noviembre), los beneficios económicos de la operación con flotación flash en comparación con la flotación convencional son los siguientes: Tabla 3: Ganancias Minera Esperanza
Flotación Convencional Alimentación [tpd]
Flotación Flash 50.000
Ley de cabeza
1%
Recuperación Global
94,8%
95,5%
Cu Recuperado [tpd]
474
478
3.609.510
3.636.163
Ingresos [USD/día] Ganancia [USD/día]
26.653
Por lo tanto el beneficio económico de utilizar flotación flash sobre la flotación convencional ascienden a 26.653 [USD/día] , con una recuperación de cobre adicional diaria de 4 toneladas. De esta manera, considerando una inversión total de la tecnología de flotación flash de USD735.000 1, la recuperación de la inversión se lograría dentro de los primeros 2 meses de operación.
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Flash Flotation at O’Okiep Copper Company
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Ventajas Comparativas Como se ha mencionado en secciones anteriores, la flotación flash tiene un alto potencial en la minería del oro. Por otro lado las concentradoras centrífugas Knelson y Falcón son tecnologías establecidas en el área de concentración de oro grueso en el circuito de molienda. La concentración gravimétrica ha sido utilizada a lo largo de los años para la separación de minerales mediante la aplicación de diferentes métodos, continuando su utilización en los procesos actuales. Con la aparición de procesos de flotación cada vez más modernos, la significancia de la concentración gravimétrica en plantas de procesamiento se ha visto disminuida. Poniendo en contraste la tecnología de flotación flash con la concentración gravimétrica, es posible concluir que la flotación posee una serie de ventajas comparativas, que la transforman en la primera opción de inversión:
● ● ●
Posee un menor costo de inversión Menor mantenimiento Estudios de laboratorio han entregado resultados considerablemente mayores en la recuperación de mineral de oro recirculante. A saber, se han reportado recuperaciones de oro recirculante de 88,4% contra un 27,57% de la gravimetría.
Figura 3: Centrifugas Falcon
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En cuanto a las ventajas respecto a los circuitos de flotación convencional, la flotación flash provee un efecto amortiguador cuando la ley de alimentación es altamente variable. Cuando la ley de alimentación es alta, las celdas de flotación flash pueden recuperar el metal adicional para así producir una alimentación al circuito de flotación convencional mucho más estable. Adicionalmente, las partículas de concentrado de la flotación flash son también más gruesas que las de la flotación convencional, por lo que cuando se agregan al concentrado final del proceso de flotación, éstas mejoran el rendimiento del espesado y disminuye la humedad del concentrado final. Algunas otras ventajas comparativas se listan a continuación: ●
Concentrados de alta ley : Debido a la alta selectividad que se alcanza en la etapa
flash, a causa de las condiciones superficiales de las partículas flotables de la carga circulante y al tamaño existente, se evita el arrastre de finos de ganga y se recuperan en su mayoría material valioso. ●
Aumenta recuperación global: La reducción de pérdidas de material valioso ultrafino
en los relaves, produce un aumento en la recuperación global del proceso. ●
Reducción de la sobremolienda: Al ubicarse este equipo en el circuito cerrado de
molienda clasificación, evita el reprocesamiento de una gran cantidad de mineral valioso que ya está suficientemente liberado como para ser enviado a flotación. Esta característica es especialmente beneficiosa cuando se trata de minerales más blandos que la ganga, de gran densidad y maleabilidad, debido a que en estos casos aumenta la cantidad de mineral valioso en el underflow del ciclón respecto al overflow, concentrándose en la carga circulante. Comparativamente, las condiciones para la flotación son bastante mejores en el underflow, debido a que sus partículas tienden a tener superficies más limpias, menos oxidadas, y a no ser demasiado finas para la flotación. Todo lo anterior, las hace ser de rápida flotación. –
●
Reducción de consumo energético en remolienda: La reducción en los finos da
como consecuencia otros beneficios, como la reducción de la energía consumida en los molinos al evitar la remolienda de finos, respecto a un circuito sin flotación flash. Recuérdese que la molienda consume un gran porcentaje de energía, por lo que esta inversión puede significar un gran ahorro operacional. ●
Mejora en el desempeño de las celdas de flotación posteriores: Este hecho es
debido al acotamiento y control del rango de tamaño de partícula alimentado. Las partículas de mineral más gruesas son recuperadas en la celda de flotación flash, cuyo diseño es particular para éstas; mientras que las partículas muy finas no son producidas en la molienda debido a la acción clasificadora de la flotación flash en el circuito de molienda. ●
Mejora la capacidad en la molienda: Al ser recuperada tempranamente una parte
importante de mena, disminuye el flujo de carga circulante, posibilitando una mayor alimentación fresca, o bien, requiriendo molinos más pequeños en comparación al 8
circuito en ausencia de flotación flash. Además, esta recuperación previa permite que los volúmenes de las celdas del circuito de flotación sean de menor dimensión, o bien, que se pueda ganar capacidad extra en éste. ●
Obtiene un concentrado final más grueso: Debido a que gran parte del mineral
valioso es recuperado en forma de partículas relativamente gruesas (de hasta unos 250 micrones) este concentrado se une al de las celdas de flotación posteriores, produciendo netamente un concentrado con una mayor cantidad de partículas más gruesas. Este hecho genera las siguientes interesantes ventajas: mejoramiento en el espesamiento, facilita el filtrado y obtención de un concentrado con menor humedad.
Desventajas Alunas de las desventajas que se pueden asociar a la operación de las celdas de flotación flash sol as siguientes:
Es necesario disminuir la densidad a un valor adecuado de pulpa para alimentar a la Flotación flash Se requiere mayor clasificación en la zona superior de la celda. Dado que se reduce la densidad de la alimentación al molino, esto reduce el rendimiento del molino, y finalmente la recuperación global.
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Desafíos Pendientes Distintos tipos de minerales presentes en algunas faenas productivas, presentan diferencia entre su gravedad específica y los posibles tamaños de liberación, lo que puede facilitar el uso de la flotación flash. Tabla 4: Gravedad especifica minerales
En minería de polimetálicos, donde se pueden extraer minerales como Cu, Pb, Au u otros, donde la diferencia de densidad es notable es posible aplicar la flotación Flash. Sin embargo, las ventajas cuantitativas de incluir flotación flash dentro de un sistema ya integrado de conminución-flotación convencional, no son fáciles de determinar experimentalmente. Simples pruebas de flotación batch son incapaces de proporcionar cualquier medida de las mejoras posibles o probables que pueden ocurrir a partir de esta nueva configuración de circuito. Como consecuencia se debe recurrir a elevadas inversiones en programas de operación en plantas pilotos, para proporcionar la información que justifique la inclusión de flotación flash. Sabida es la dificultad en la estabilización de circuitos de flotación, así como la selección de los parámetros adecuados de funcionamiento (cantidad de concentrado a ser removido, caudal de alimentación, caudal de agua de dilución, etc.) La naturaleza interactiva de las variables de este circuito (molienda, clasificación y flotación) es la causa principal de estas dificultades. Sin embargo, si estas dificultades son superadas satisfactoriamente, pequeños aumentos en los rendimientos del proceso de concentración, ya sea en recuperación o ley, impactarán en un aumento considerable de los beneficios económicos obtenidos. En conclusión, el desarrollo de metodologías efectivas y certeras, ya sea a nivel de simulación o de operación en plantas pilotos, deben ser necesariamente desarrolladas para lograr predecir y justificar fehacientemente las ganancias resultantes de la inversión en esta tecnología. 10
