MEDICIÓNES DE DISPERSIÓN DE GAS EN CELDAS DE FLOTACIÓN INDUSTRIAL M. Jefferson, C. Fuentes, A. Johnston Abstract The flotation process is currently the most applicable process for low-grade sulfides, large tonnages and complex deposits, moreover it is the most complete and complex of all concentration methods in the mining industry, becoming the center of the separation process, therefore, it's important to keep under control the independent manageable variables in the flotation cells for proper performance. Nowadays it is acknowledged that though pulp and froth have a great importance in flotation so does gas dispersion in the cell. Therefore, it is of great importance to handle the gas phase properly, otherwise the flotation cel l might not be performing as well as it could be. It is possible to identify how good the gas dispersion is in the flotation cell and identify points to optimize measuring m easuring a number of gas phase parameters that can be directly measured and used to optimize the performance of this phase. Measurements such as the gas hold up (Ɛg), superficial gas velocity (Jg) and bubble size distribution (db) all ows us to measure the gas dispersion characteristics of the pulp in a flotation cell and know how well the air is dispersed in the pulp phase, and thus see how optimal the cell performance is compared to standard values for its performance for a specific model, size and function, and based on this improve the performance of the flotation circuit. This article summarizes the definitions of these parameters, and how they are determined in the field using JKTech methodology, Also includes study cases of industrial application to improve performance through operational adjustments, i.e. increasing company revenues without incurring in h igher costs. Resumen El proceso de flotación es actualmente el de mayor aplicación para sulfuros de bajo grado, grandes tonelajes y depósitos complejos, además de ser el más completo y complejo de todos los métodos de concentración en la industria minera, convirtiéndose en el centro del proceso de separación, de allí que, es importante mantener bajo control las variables independientes manipulables en las celdas de flotación para un adecuado rendimiento. Hoy en día se ha reconocido que, aunque la pulpa y la espuma tienen una gran importancia en la flotación también lo tiene la dispersión de gas en la celda. Por lo tanto, es de gran importancia manejar adecuadamente la fase gaseosa, de lo contrario la celda de flotación puede no estar funcionando tan bien como podría. Es posible identificar que tan bien se encuentra la dispersión de gas en la celda de flotación e identificar los puntos a optimizar midiendo un número de parámetros de fase gaseosa y utilizarlos para optimizar el rendimiento de esta fase. Medidas como el contenido de gas (Ɛg), velocidad superficial del gas (Jg) y distribución de tamaño de burbujas (db) permiten medir las características de dispersión de gas dentro de la pulpa en una celda de flotación y conocer qué tan bien se dispersa el aire en la fase pulpa y por lo tanto, ver que tan optimo es el funcionamiento de la celda comparado con los valores estándares de su funcionamiento para un modelo, tamaño y función específica, en base a ello mejorar el rendimiento del circuito de flotación. Este artículo resume las definiciones de estos parámetros, su determinación en campo usando la metodología de JKTech, así como también casos prácticos de su aplicación industrial i ndustrial para mejorar el rendimiento mediante ajustes operacionales, es decir aumentando los ingresos de la compañía sin incurrir en costos mayores.
INTRODUCCIÓN La flotación de minerales es un proceso selectivo para separar de minerales valiosos de la ganga. La eficiencia de este proceso depende de diferentes factores incluyendo las características inherentes del mineral, el diseño del equipo y las características de la operación. Entre los factores más importantes relacionados a la operación de las celdas de flotación están las condiciones hidrodinámicas dentro de la celda, las cuales son responsables de controlar el contacto entre partículas y minerales, parte esencial del proceso de flotación. En el contexto actual, la disposición de gases hace referencia a las características que una población de burbujas generadas a partir de un flujo continuo de aire (Gomez and Finch, 2002), en otras palabras, la dispersión de gases es una forma de medir que tan bien el aire introducido a la celda de flotación esta dispersado a través del volumen de la celda. Los parámetros de dispersión de gases incluyen la velocidad superficial del gas, gas hold up, tamaño de burbujas y el flujo de área superficial de burbuja (Finch et al., 2000; Grau and Heikanen, 2003; Schwarz and Alexander, 2006)
conducidas a un compartimiento de visualización, donde las burbujas son expuestas a una cámara digital. Una muestra de burbujas de la fase de pulpa es introducida al compartimiento de visualización hecho de pvc transparente, donde se pueden obtener fotos con una cámara digital, las imágenes son luego analizadas para determinar la distribución de tamaños de burbuja, este método de medición fue desarrollada por la universidad McGill dentro del proyecto AMIRA P9 ( Chen et al., 2001). El esquema del equipo se encuentra en la figura 1. La técnica de medición del tamaño de burbuja requiere una serie de pasos de labor intensa. En adición a la transferencia y procesamiento de imágenes, la colección de imágenes requiriere, para cada medición: Limpiar la cámara de visualización (en particular, la ventana inclinada), llenar la cámara con agua conteniendo espumante (para prevenir coalescencia de burbujas), cerrar herméticamente, enfocar el lente de la cámara en un objeto definido de tamaño estándar dentro de la ventana, abrir la válvula de bola en el tubo de muestreo, y tomar el tiempo en que el aire desplaza el líquido por una longitud definida. (Gomez, C O; Finch, 2002)
Trabajos recientes muestras que perfiles de condiciones hidrodinámicas (Jg) en bancos de flotación han llevado a mejoras en la selectividad (ley y recuperación) (Hernandez et al., 2007; Gorain, 2005). Por ejemplo, una de dichas investigaciones muestra mejoras significativas en la calidad del concentrado de zinc en la etapa de flotación cleaner al incrementarse linealmente el perfil del Jg (Cooper et al., 2004). DISTRIBUCIÓN BURBUJAS (Db)
DE
TAMAÑO
DE
El tamaño de burbuja dentro de una celda de flotación es determinado usando una técnica visual. Un equipo relativamente sencillo es usado para recolectar las burbujas de la pulpa. Las partículas son
Fig. 1 Esquema del visualizador de burbujas McGill. A: cámara digital, B: tapón de llenado, C: compartimiento de visualización, D: ventana frontal, E: ventana trasera, F: lámpara, G: entrada del visualizador de burbuja, H: tubo muestreado, I: barras de aluminio
para soporte, y : angulo de inclinacion de la ventana (15⁰) (Hernandez-Aguilar et al, 2004).
Las mediciones del tamaño de burbuja mejoran la confianza en las simulaciones ya que permite una determinación del flujo de área superficial de burbuja (Sb) más adecuada. Resultados del tamaño de burbuja también demuestran si las celdas y los regímenes de reactivos están generando tamaños de burbuja típicos necesarios para la flotación (C Robertson, 2005). VELOCIDAD SUPERFICIAL DEL GAS (Jg) La velocidad de flujo del aire es generalmente reportado como velocidad superficial del gas, Jg,
Donde Q es el flujo volumétrico de aire dentro la celda y A es el área transversal de la celda Jg es una medida de la capacidad de aeración de una celda, es decir, es una buena medida de la eficiencia de la dispersión de gas en la celda (Gorain, Franzidis and Manlapig, 1996), y tiene influencia directa en la cinética de flotación (Ahmed and Jameson, 1989). El uso de la velocidad del gas en lugar del flujo volumétrico presenta una mayor facilidad en la comparación entre celdas de diferentes tamaños. Por ejemplo, el rango típico es 0.5 < Jg < 2.5 cm/s de escala de laboratorio a escala industrial (Finch and Dobby, 1990). Valores más elevados de Jg implican un incremento en la probabilidad de colisión burbuja-partícula y por lo tanto incrementa la recuperación. Sin embargo, valores muy elevados de Jg resultaran en un incremento en el arrastre a la zona de espumas y una reducción de la estabilidad de la interface pulpa - espuma (Cooper et al., 2004).
Medir el Jg en una celda permite que se compare la operación de una celda con otras, ya sea en la misma planta o en otra (eg Power et al, 2000). Algunas veces muchas celdas se alimentan de una misma fuente de aire y el Jg puede identificar desvíos en la cantidad de aire alimentado a cada celda. En otros casos, las medidas de Jg revelan rápidamente si el flujo de aire alimentado a cierta celda está siendo obstruido. Adicionalmente, para celdas auto aireadas (Ej. Wemco), el Jg es esencial para medir y/o comparar las velocidades de flujo de aire. La velocidad superficial del gas se mide usando una probeta Jg (Gorain et al., 1996; Power et al., 2000). Comprende a un tubo Perpex con una válvula de pinch neumática a un lado y una entrada para agua y una salida para aire al otro lado. La probeta es colocada en la celda y la válvula pinch es cerrada neumáticamente. Las válvulas de ingreso de agua y salida de aire son abiertas para llenar el tubo con agua, antes que ambas válvulas sean cerradas. La válvula pinch es abierta para permitir al aire en la celda moverse de manera ascendente dentro del tubo desplazando el agua. El tiempo que toma el nivel de agua en descender una determinada distancia L (entre dos marcas) es medido y el Jg se calcula como sigue (S. Schwarz *, D. Alexander, 2005):
GAS HOLD UP (Ɛg) El gas hold up es la fracción de volumen del aire dentro de una celda de flotación. El aparato de medición del gas hold up fue diseñado basado en el siguiente principio: un volumen sellado de pulpa aireada es capturada de la celda y luego es liberada dentro de una probeta graduada, la diferencia entre el volumen medido y el volumen del aparato de medición corresponde a la fracción del aire.
El aparato o sonda de medición de gas hold up es un cilindro vertical con válvulas neumáticas al extremo superior e inferior del cilindro. La sonda es introducida hasta la fase de pulpa de la celda y las válvulas son abiertas para permitir el ingreso de la pulpa y burbujas. Luego de 30 segundos las válvulas son cerradas y el volumen de pulpa recogido es medido (S. Schwarz *, D. Alexander, 2005) Esta medición es una función del tamaño de burbuja, flujo de aire y potencia de entrada. También es de utilidad para estimar el tiempo de residencia del líquido en la celda de flotación al permitir removerse el volumen del aire en la celda de los cálculos. (A. Power, 2000) Típicamente, el gas hold up y el Jg han mostrado una proporcionalidad aproximada: celdas con bajo flujo de aire también han mostrado tener bajo gas hold up. Por otro lado, mediciones de elevado gas hold up (>30%) puede ser un indicador de alta viscosidad de la pulpa. Sin embargo, esto aún no sido comprobado a la fecha (C Robertson, 2005). Ahmed and Jameson (1989) han sugerido que un aumento en el gas hold up mejora la cinética de la flotación debido al gran número de burbujas por unidad de volumen. Esto fue impugnado por Deglon, Sawyerr and O'Connor (1999) quienes mantienen que un incremento en el tiempo de residencia resulta en desprendimiento de las partículas de las burbujas. FLUJO DE ÁREA SUPERFICIAL DE BURBUJA (Sb) El flujo de área superficial de burbuja es una medida de la velocidad de la superficie de las burbujas elevándose a través de la celda por unidad de área transversal, y puede ser medida directamente a través de la ecuación:
Donde: Jg es la velocidad superficial del gas (m/s) d32= El diámetro de burbuja promedio, según Sauter (m) Una estimación del Sb se puede llevar a acabo usando las mediciones de la velocidad superficial del gas (Jg), Velocidad del Impeler (Ns), diseño del impeler caracterizado por la relación Altura Diámetro (relación de aspecto, As) y el tamaño del mineral alimentado a la celda (P80). La forma del modelo es el siguiente (from Gorain et al., 1999):
Donde a, b, c, d y e son parámetros del modelo. El Sb es considerado un parámetro importante ya que relaciona directamente la dispersión del gas con el desempeño de la celda. (S. Schwarz, D. Alexander, 2005). Este parámetro provee una medida de la cantidad de área superficial de burbuja es generada para promover la colisión burbuja partícula. La velocidad superficial del gas es definida para toda el área transversal de la celda, mientras que el Sb está definido por cada punto en la celda de flotación (P T L Koh and M P Schwarz, 2008) VALORES MEDICIONES TÍPICAS Power et al realizó la caracterización de 90 celdas de flotación. Un resumen de las propiedades de dispersión de gas de las celdas estudiadas se encuentra en la Tabla 1. No se realizaron mediciones de gas hold up o de diámetro de burbuja para todas las celdas por motivos de restricciones estructurales (accesos), en estos casos, el Sb fue calculado a partir de las mediciones
de Jg, usando la formula empírica de predicción de Sb.
Tabla 1: Propiedades de dispersiones de gas de celdas industria les Tipo de Celda Bateman Wemco 84 (Bank) Wemco 120 (Bank) OK 8 Tank Cell Wemco Unit Cell OK 16 (Bank) OK 16
Labor Cleaner Cleaner Cleaner Rougher Cleaner Rougher Rougher Rougher/ Wemco 144L (Bank) Scavenger Wemco 144D Rougher Wemco 144D (90) Rougher SK 500 Flash Cell Flash Wemco 164 Rougher Wemco 164 (F) Scavenger OK 38 Rougher OK 50 Tank Cell (FF) Rougher OK 50 Tank Cell (MM) Rougher Column Cell Cleaner OK100 (1) Rougher OK100 (2) Rougher CleanerWemco 190 Scavenger Wemco 225 Scavenger a
V(m3) 3 4.2 8.5 10 10 16 16
Q/V(min-1) 0.43 0.70 - 0.98 0.75 - 1.05 0.06 - 0.08 0.53 0.58 - 1.06 0.62 - 1.03
ds(mm) 1.8 1.3 - 1.5 1.4 - 2.0 1.2 - 1.4 1.7 1.6 - 2.4 1.6 - 1.7
Eg(%) 16 14 - 26 18 - 32 7 - 12 20 11 - 18 10 - 11
Jg(cm/s) 1.6 1.3 - 1.9 1.4 - 1.8 1.0 - 1.4 1.7 1.8 - 2.7 1.8 - 2.2
Sb(s-1) 52 56 - 78 52 - 60 47 - 62 59 64 - 77 69 - 77
16
0.32 - 0.54
1.3 -1.6
10 -15
1.0 - 1.5
47 - 56
16 16 23 30 30 38 50 50 60 100 100
0.25 - 0.48 0.42 - 0.91 0.18 0.20 - 0.40 0.27 0.18 - 0.28 0.04 - 0.08 0.04 - 0.08 0.07 - 0.09 0.09 0.07 - 0.095
1.3 -1.8 1.3 - 1.5 1.3 1.4 - 1.6 1.4 - 1.8 1.9 - 2.1 1.2 - 1.7 1.2 - 1.6 2.6 - 2.7
8-9 15 - 18 12 7 - 12 14 - 22 15 - 21 3-8 8 -10 18 - 22
1.03 - 1.41
8.6 - 15.6
1.5 - 2.1 1.6 - 2.0 2.1 1.6 - 1.9 1.7 - 2.0 1.4 - 2.2 0.7 - 1.4 0.7 - 0.9 2.6 - 2.7 1.33 0.63 - 0.81
66 - 71 74 - 83 97 68 - 72 67 - 77 43 - 63 32 - 54 33 - 37 58 - 63 24 - 32 34.1 - 42
42
0.44
1.97
37 - 45
91
0.26
1.89
37 - 45
Wemco 225
Scavenger b
91
0.22
1.59
37 - 45
Wemco 225 OK 38 4U OK 38 3U OK 8 CESL OK 150 Maxwell 38
Scavenger c Cleaner Cleaner Recleaner Cleaner Cleaner Cleaner
91 38 38 8 280 150 54
0.2 0.16 - 0.18 0.18 0.52 - 0.71 0.04 0.02 0.023
1.46 0.89 - 0.9 0.9 0.75 - 1.39 1
37 - 45 24 - 32 24 - 32 24 - 32
Por otro lado, este tipo de mediciones han sido llevadas a cabo en un gran número de celdas, de diferentes tipos y tamaños por investigadores del Centro de Investigación de Minerales Kruttschnitt (JKMRC) y por JKTech. A partir de esto se consolidó una base de datos, la cual incluye mediciones hidrodinámicas para más de 800 celdas (Schwarz and Alexander, 2005). La Tabla 2 presenta un resumen de los rangos en las mediciones de dispersión de gas que se observaron en todos los tipos de células, tamaños, labor y minerales. La mayoría de estas mediciones fueron el resultado de campañas de muestreo realizadas utilizando metodología de modelamiento de componentes de
1.32
8.52
0.52
24 - 32 23.7
flotabilidad AMIRA P9 (Alexander and Wigley, 2003; Alexander et al., 2005). Tabla 2. Mediciones Típicas a través de todas las celdas. Parametro Gas hold-up (%) Velocidad Superficial del Gas (cm/s) Tamaño de Burbuja (mm) Flujo del Area Superficial de Burbuja (s-1)
Minimo 1.6 0.1 0.7 5.8
Maximo 63.1 4.1 4 178.2
Promedio 13.7 1.4 1.7 50.9
CASOS PRÁCTICOS Minera Kanowna Belle Gold, se realizaron mediciones de gas hold up, Jg y de distribución de tamaño de burbuja, incluyendo cálculo del Sb. Estas mediciones conducidas como parte de un análisis profundo del circuito de flotación para determinar parámetros del circuito de flotación a ser usados dentro del simulador JKSimFloat V6 con fines de optimización
del circuito. Durante las mediciones se observaron resultados de Jg por debajo del rango mostrado en numerosas plantas de flotación reportadas por Power et all (2000), e indicó posibilidad de mejoras en el desempeño de la flotación, lo cual se logró incrementando la adición de aire en la mayoría de las celdas del circuito (Alexander D. and Bilney, 2005). Minera Escondida Limitada, se realizaron las mediciones hidrodinámicas como parte de trabajos realizados con el objetivo de desarrollar modelos de flotación de las dos plantas concentradoras, y por lo tanto ayudar a identificar áreas potenciales para la mejora de desempeño. Según la base de datos de medición de dispersión de gases en celdas industriales de JKTech (Schwarz and Alexander, 2005), la velocidad superficial del gas promedio y el flujo de área superficial de burbuja en ambas plantas fueron bajas comparadas a otras celdas industriales del mismo tipo y tamaño. Un incremento en la velocidad superficial del gas mediante un incremento en el flujo de aire en la celda se ve reflejado en un incremento en el Sb y por lo tanto una mejora en la recuperación a través del circuito rougher. (Coleman and Urtubia, 2006) Minera Perilya Broken Hill, las mediciones hidrodinámicas incluyendo gas hold up, tamaño de burbuja y velocidad del gas fueron realizadas como parte de un estudio de optimización de los circuitos de plomo y zinc. Se identificó que las celdas rougher primarias tenían valores bajos de Sb respecto a otras celdas dentro del circuito. Incrementos en el Sb han mostrado mejoras en la recuperación de las partículas en la zona de colección (Gorain et al, 1997). Se identificó el potencial para mejorar el desempeño de la flotación en estas celdas incrementando el flujo de aire (difícil de controlar en celdas Wemco) o incrementando la velocidad del impeler para disminuir el diámetro de burbuja (S. Schwarz and B Kilgariff, 2005).
Minea Zinifex Century Mine, JKTech realizó una sociedad con minera Century (zinc) por un periodo de siete años de transferencia de tecnología y desarrollar diferentes estudios. Se realizaron mediciones hidrodinámicas para desarrollar un modelo de flotación de la concentradora Olympic Dam. Los valores obtenidos fueron comparados con data obtenida de numerosas plantas concentradoras (Power et al , 2000). Los resultados de Jg indicaron que la mayoría de las celdas de flotación estaban operando al nivel de aire de diseño. Sin embargo, las cuatro celdas cleaner 2 se encontraban operando a niveles de aire bastante bajos y el potencial de optimización de estas celdas fue claramente indicado (S Schwarz, D Crnkovic, 2008). Estudios adicionales de dispersión de gas son realizados constantemente por JKTech en diferentes plantas alrededor del mundo, sin embargo, no son de dominio público.
CONCLUSIONES Las mediciones hidrodinámicas son de vital utilidad para determinar el desempeño actual de las celdas de flotación, en términos de flujo de aire, tamaño de burbuja y distribución de aire, estos resultados pueden ser comparados con los valores promedios a nivel industrial e identificar casos donde se obtengan resultados atípicos que requieran tomar acción. En especial en el contexto actual donde la necesidad de conocer y mejorar el desempeño de circuitos de flotación ha ido en aumento, existe un enfoque marcado hacia la mejora de la eficiencia en el proceso y la reducción de costos en todas las plantas procesadoras. Realizar mediciones de dispersión de gases en celda de flotación industrial ha llevado a comprender el desempeño del circuito de flotación, de esta manera lograr
mejor identificación de oportunidades de optimización, con menos interrupciones. Cabe resaltar que este tipo de mediciones no representa costos adicionales tales como análisis químico, cambios de configuración del circuito para poder obtener resultados fiables y relevantes. Y a partir de los resultados obtenidos en las mediciones hidrodinámicas se puede extender y profundizar estudios de optimización del circuito, los cuales incluyen balance, modelamiento y simulación. Los resultados de mediciones de dispersión de gas de cada celda pueden ser comparados con otros valores obtenidos en celdas de las mismas características en el mismo circuito, pudiendo identificar desvíos en la cantidad de aire alimentado a cada celda, en el caso de que las celdas se alimenten de una misma fuente de aire, realizar controles mensuales para verificar la adición de aire para cada una de las celdas de flotación y verificar la distribución de aire y el correcto funcionamiento de los sopladores para celdas forzadas y determinar también el flujo de aire en las celdas autoaireadas. También los resultados pueden ser comparados con la base de datos de medición de dispersión de gases en celdas industriales de JKTech (Schwarz and Alexander, 2005), llevando a mejoras en la selectividad (ley y recuperación) del circuito de flotación.
REFERENCIAS R.A. Grau *, K. Heiskanen, 2003, Gas dispersion measurements in a flotation cell , Minerals Engineering 16 (2003) 1081 – 1089 C.O. Gomez , J.A. Finch, 2007, Gas dispersion measurements in flotation cells , Int. J. Miner. Process. 84 (2007) 51 –58 A Power, J.P Franzidis, EV Manlapig, The characterization of 2000,
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Conference, 12 - 14 October, Kalgiirlie, WA C Robertson, R Crosbieand V Ser, 2005, Anglo American Research Laboratories’ (AARL) Experiences with Flotation Plant Modelling , Centenary of Flotation
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Rodrigo Araya Ledezma, 2009,
Gas Distribution in Industrial Flotation Machines: A Proposed Measurement Method , Department of Mining and
Materials Engineering, McGill University, Montreal, Canada P
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Alexander, D. J., Bilney, T. N. and Schwarz, S. E. E. Flotation performance improvement at Placer Dome Kanowna Belle gold mine, 2005, Jennifer Abols
(Chair), 37th Annual Meeting of the Canadian Mineral Processors. Proceedings of the CMP, Westin Hotel, 18-20 January, Ontario, Canada, (171-201). Coleman, R G, Urtubia, H E and Alexander, D J, 2006. A comparison of BHP-Billiton’s minera escondida flotation concentrators, Proceedings 38th Annual
Canadian Mill Operators Conference (Canadian Institute Mining, Metallurgy and Petroleum: Ottawa). S Schwarz, B Kilgariff, 2005, Flotation Optimisation Studies of the Perilya Broken Hill Lead, Centenary of Flotation
Symposium, 6 - 9 June, Brisbane, QLD S Schwarz, D Crnkovic and D Alexander, 2008, Flotation Circuit Analysis at Zinifex
Century Mine, Proceedings of the 40 th
Annual Meeting of Canadian Mineral Processors, Ottawa, Canada, pp 297-310
