evaluación y caracterización de extractantes alternativos para planta de extracción por solventes...
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A través de CICITEM se recibe el requerimiento de Minera Escondida Ltda. con el fin de mejorar el rendimiento metalúrgico de la planta de extracción por solventes, propone evaluar extractantes orgánicos alternativos disponibles en el mercado, para determinar oportunidades de mejoras en el desempeño actual de la planta de extracción por solventes.El trabajo se realiza en dos etapas. La primera consiste en la caracterización metalúrgica del orgánico de planta, reactivo A, reactivo B y mezclas del orgánico de planta con reactivos A y B. La segunda etapa contempla la evaluación del orgánico de planta y los reactivos alternativos en planta piloto, como reactivos puros y mezclado con orgánico de planta al 20% y 50%.De las caracterizaciones y evaluaciones en planta piloto, se concluye lo siguiente:El orgánico de planta presenta en la mayoría de sus propiedades físico-químicas valores inferiores al reactivo A y reactivo B, debido a su uso en planta y a la degradación inicial que presenta.El reactivo A, además de poseer características de densidad, viscosidad y tiempos medios de separación de fases adecuados para la utilización de planta, presenta una alta eficiencia de extracción (96% en ambas mezclas), en comparación a las mezclas del reactivo B.Las mezclas del orgánico B, presentan una re-extracción promedio de 14,4 puntos porcentuales más altos que las mezclas del reactivo A.TRANSCRIPT
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Evaluacin de extractantes alternativos para planta de extraccin por solventes de MEL
Ricardo Carvajal Bruna, 2013
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UNIVERSIDAD CATLICA DEL NORTE
FACULTAD DE INGENIERA Y CIENCIAS GEOLGICAS
Departamento de Ingeniera Metalrgica y Minas
EVALUACIN Y CARACTERIZACIN DE EXTRACTANTES
ALTERNATIVOS PARA PLANTA DE EXTRACCIN POR SOLVENTES DE
MEL.
Memoria para optar al grado de Licenciado en Ciencias de la Ingeniera y al
ttulo de Ingeniero Civil Metalrgico
RICARDO ALBERTO CARVAJAL BRUNA
Profesor gua: Dr. Oscar Benavente Poblete
Antofagasta, Chile
2.013
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Profesor Gua
Oscar Benavente Poblete
Doctor en Qumica
MBA
Ingeniero Civil Metalrgico
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Dedicada a la memoria de Miriam
Con infinito amor.
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RESUMEN
A travs de CICITEM se recibe el requerimiento de Minera Escondida
Ltda. con el fin de mejorar el rendimiento metalrgico de la planta de extraccin
por solventes, propone evaluar extractantes orgnicos alternativos disponibles
en el mercado, para determinar oportunidades de mejoras en el desempeo
actual de la planta de extraccin por solventes.
El trabajo se realiza en dos etapas. La primera consiste en la
caracterizacin metalrgica del orgnico de planta, reactivo A, reactivo B y
mezclas del orgnico de planta con reactivos A y B. La segunda etapa
contempla la evaluacin del orgnico de planta y los reactivos alternativos en
planta piloto, como reactivos puros y mezclado con orgnico de planta al 20% y
50%.
De las caracterizaciones y evaluaciones en planta piloto, se concluye lo
siguiente:
El orgnico de planta presenta en la mayora de sus propiedades fsico-
qumicas valores inferiores al reactivo A y reactivo B, debido a su uso en planta
y a la degradacin inicial que presenta.
El reactivo A, adems de poseer caractersticas de densidad,
viscosidad y tiempos medios de separacin de fases adecuados para la
utilizacin de planta, presenta una alta eficiencia de extraccin (96% en ambas
mezclas), en comparacin a las mezclas del reactivo B.
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Las mezclas del orgnico B, presentan una re-extraccin promedio de
14,4 puntos porcentuales ms altos que las mezclas del reactivo A.
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AGRADECIMIENTOS
Le agradezco a mis padres Rene y Nury, por alentarme continuamente
a ser mejor, por ser mi pilar mi pilar principal de educacin, gracias porque
siempre han estado all, para amarme y comprenderme en mis buenos y malos
momentos. A mis hermanos Marcela, Rene y Miriam (Q.E.P.D.), de quienes
espero se sientan muy orgullosos de m, as como yo de ellos, ya que este logro
no es tan slo mo, sino de cada uno de ustedes.
Agradezco a mi novia Lilian por sus consejos y darme la oportunidad de
amarla y darme fuerzas para poder lograr lo que en este da he hecho.
Agradezco a mi tutor, el Sr. Oscar Benavente, quien me ha dado
instruccin, apoyo y consejo en la realizacin de este proyecto. Al CICITEM y la
Universidad Catlica del Norte por darme la oportunidad de realizar mi trabajo
de tesis.
A Nanette, Evelyn, Larry, Camilo, Felipe y Luis Araya por sus
correcciones, enseanzas, amistad y apoyo incondicional. A mis amigos que
me han acompaado en este camino: Carla Segovia, Carlos Araya, Claudio
Bordones, Felipe Henrquez, Francisco Cortes, Francisco Ros y Luis Daz.
Tambin Le agradezco profundamente a la familia Larrondo-Vilches por todos
los servicios prestados en esta ltima etapa y a mi to Gonzalo por su constante
preocupacin e insistencia.
Finalmente le agradezco a Dios por permitirme llegar hasta este punto,
lo enaltezco por todo lo que me ha brindado en esta vida y a l le entrego todo
lo que soy y lo que ser.
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TABLA DE CONTENIDOS
CAPTULO I. INTRODUCCIN. ............................................................................................................ 1
1.1. JUSTIFICACIN DEL ESTUDIO. ............................................................................................... 1
1.2. OBJETIVOS. ...................................................................................................................... 2
1.2.1. Objetivo general. ....................................................................................................... 2
1.2.2. Objetivos especficos. ................................................................................................ 2
1.3. ANTECEDENTES GENERALES DE LA EMPRESA. .......................................................................... 3
1.3.1 Descripcin de la empresa. ........................................................................................ 3
CAPTULO II. MARCO TERICO ......................................................................................................... 5
2.1. FUNDAMENTOS DE PLANTA PILOTO. ............................................................................................... 5
2.1.1 Modelo de escalamiento. ........................................................................................... 6
2.1.2 Principio de similaridad. ............................................................................................. 7
2.1.3 Anlisis dimensional. .................................................................................................. 9
2.1.4 Criterios generales de diseo. .................................................................................. 11
2.2. FUNDAMENTOS DE LA HIDROMETALURGIA. .................................................................................... 11
2.3. EXTRACCIN POR SOLVENTE........................................................................................................ 13
2.3.1. Objetivos del proceso de extraccin por solventes. ................................................ 14
2.4. DESCRIPCIN DEL PROCESO DE EXTRACCIN POR SOLVENTES. ............................................................ 14
2.4.1. Fase acuosa. ............................................................................................................ 17
2.4.2. Fase orgnica. ......................................................................................................... 18
2.5. EXTRACTANTE ORGNICO. .......................................................................................................... 18
2.5.1. Caractersticas de los extractantes. ........................................................................ 19
2.5.2. Tipos de extractante. .............................................................................................. 20
2.5.3. Diluyente de la fase orgnica. ................................................................................. 23
2.5.4. Modificadores. ........................................................................................................ 25
2.6. MECANISMOS DE EXTRACCIN. ................................................................................................... 25
2.6.1. Tipo quelante. ......................................................................................................... 26
2.6.2. Tipo cido orgnico. ................................................................................................ 26
2.6.3. Tipo sustitucin del ligante. .................................................................................... 27
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2.6.4. Tipo extraccin neutra o solvatante. ...................................................................... 27
2.6.5. Tipo con formacin de par inico. ........................................................................... 28
2.7. CONCEPTOS IMPORTANTES EN EXTRACCIN POR SOLVENTES.............................................................. 28
2.7.1. Transferencia de cobre............................................................................................ 28
2.7.2. Selectividad del extractante. ................................................................................... 29
2.7.3. Factor de carga. ...................................................................................................... 29
2.7.4. Carga mxima. ........................................................................................................ 29
2.7.5. Razn de transferencia. .......................................................................................... 30
2.7.6. Razn de rechazo de cobre a hierro. ....................................................................... 30
2.7.7. Razn de flujos orgnico/acuoso (O/A). ................................................................. 30
2.7.8. Transferencia neta de cobre. .................................................................................. 31
2.8. CONTROLES OPERACIONALES EN EXTRACCIN POR SOLVENTES. .......................................................... 31
2.8.1 Tiempos de separacin de fases. ............................................................................. 31
2.8.2. Altura de las capas de orgnico. ............................................................................. 33
2.8.3. Altura de las bandas de dispersin. ........................................................................ 33
2.8.4. Continuidad de fases. .............................................................................................. 33
2.8.5. Arrastres de orgnico en acuoso............................................................................. 34
2.8.6. Arrastres de acuoso en orgnico............................................................................. 35
2.8.7. Velocidad de agitacin. ........................................................................................... 35
CAPTULO III. DESARROLLO EXPERIMENTAL ....................................................................................36
3.1. DISEO DEL EXPERIMENTO. ............................................................................................... 36
3.2. CARACTERIZACIN DE SOLUCIONES. .................................................................................... 37
3.2.1. Carga mxima. .................................................................................................... 37
3.2.2. Tensin superficial e interfacial. .......................................................................... 38
3.2.3. Viscosidad. ........................................................................................................... 41
3.2.4. Densidad. ............................................................................................................. 43
3.2.5. Punto de inflamacin (flash point). .................................................................. 44
3.2.6. Degradacin acelerada. ...................................................................................... 46
3.2.7. Tiempo separacin de fases. ............................................................................... 47
3.3. ACONDICIONAMIENTO DE SOLUCIONES................................................................................ 49
3.3.1. Orgnico A. .......................................................................................................... 49
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3.3.2. Orgnico B. .......................................................................................................... 50
3.3.3. PLS. ...................................................................................................................... 51
3.4. DESCRIPCIN PLANTA PILOTO. ........................................................................................... 52
3.5. CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO. .................................................................................. 57
3.6. INSTALACIN DE PLANTA PILOTO. ....................................................................................... 58
3.7. PUESTA EN MARCHA DE PILOTAJE. ...................................................................................... 59
3.7.1. Protocolos de operacin. ..................................................................................... 59
3.5.2. Puesta en marcha y obtencin de muestras. ....................................................... 61
CAPTULO IV. RESULTADOS Y DISCUSIONES .....................................................................................63
4.1. CARACTERIZACIN DE ORGNICOS. ..................................................................................... 63
4.1.1. Carga mxima. .................................................................................................... 63
4.1.2. Tensin superficial. .............................................................................................. 64
4.1.3. Tensin Interfacial. .............................................................................................. 65
4.1.4. Viscosidad. ........................................................................................................... 66
4.1.5. Densidad. ............................................................................................................. 67
4.1.6. Punto de inflamacin. .......................................................................................... 68
4.1.7. Degradacin acelerada. ...................................................................................... 69
4.1.8. Tiempo de separacin de fases............................................................................ 70
4.2. PLANTA PILOTO. ............................................................................................................. 74
4.2.1. Resultados operacionales. ................................................................................... 74
4.2.2. Resultados fsico - qumicos. ................................................................................ 77
4.3. RESULTADOS METALRGICOS. ........................................................................................... 86
4.3.1. Recuperacin. ...................................................................................................... 86
4.1.1. Re-extraccin de cobre. ....................................................................................... 87
4.1.2. Transferencia neta. .............................................................................................. 88
4.1.3. Razn de transferencia global. ............................................................................ 88
4.1.4. Selectividad de cobre. .......................................................................................... 89
CAPTULO V. CONCLUSIONES ...........................................................................................................91
CAPTULO VI. RECOMENDACIONES ..................................................................................................94
CAPTULO VII. REFERENCIAS ............................................................................................................95
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CAPTULO VIII. ANEXOS ...................................................................................................................98
ANEXO A: PRUEBAS EN PLANTA PILOTO. ............................................................................................ 98
A.1. Prueba en planta piloto, 100% planta. ...................................................................... 98
A.2.1. Control Operacional. ............................................................................................... 98
A.2.2. Control fsico. ........................................................................................................ 101
A.2. Prueba en planta piloto, 20% A +80% Planta. ......................................................... 103
A.3.1. Control Operacional. ............................................................................................. 103
A.3.2. Control fsico. ........................................................................................................ 106
A.3. Prueba en planta piloto, 20% B +80% Planta. ......................................................... 108
A.3.1. Control Operacional. ............................................................................................. 108
A.3.2. Control fsico. ........................................................................................................ 111
A.4. Prueba en planta piloto, 50% A +50% Planta. ......................................................... 113
A.4.1. Control Operacional. ............................................................................................. 113
A.4.2. Control fsico. ........................................................................................................ 116
A.5. Prueba en planta piloto, 50% B +50% Planta. ......................................................... 118
A.5.1. Control Operacional. ............................................................................................. 118
A.5.2. Control fsico. ........................................................................................................ 121
ANEXO B: MANUAL DE SEGURIDAD DE LA PLANTA PILOTO.................................................................... 123
ANEXO C: ECUACIONES. ................................................................................................................ 125
ANEXO D: MATERIALES Y EQUIPOS. ................................................................................................. 126
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NDICE DE FIGURAS
FIGURA 1. ESQUEMA DEL CIRCUITO LIX-SX-EW. ................................................................................................... 17
FIGURA 2. ESTRUCTURA QUMICA CETOXIMA Y ALDOXIMA (ALGUACIL,1997). ............................................................. 21
FIGURA 3: CONTINUIDAD ACUOSA Y ORGNICA. ..................................................................................................... 34
FIGURA 4. ADICIN DE PLS AL EMBUDO SEPARADOR (PASO 1). ................................................................................. 38
FIGURA 5. AJUSTE DE POSICIN DEL ANILLO (TENSIN INTERFACIAL, PASO 6). .............................................................. 41
FIGURA 6. MEDICIN DE VISCOSIDAD (PASO 4). ..................................................................................................... 42
FIGURA 7. MEDICIN DE LA DENSIDAD (PASO 5). ................................................................................................... 43
FIGURA 8. APLICACIN DE LA FUENTE DE IGNICIN (PASO 7). ................................................................................... 46
FIGURA 9. PLS Y ORGNICO EN BAO TERMOSTTICO A 5 C. .................................................................................. 48
FIGURA 10. MEDICION TSF. A LA IZQUIERDA: PASO 4; A LA DERECHA: PASO 6. ............................................................ 49
FIGURA 11. DILUCIN DE SULFATO DE COBRE PARA AJUSTAR LA CONCENTRACIN DE PLS. ............................................. 51
FIGURA 12. PLANTA PILOTO EXTRACCIN POR SOLVENTES UCN. ............................................................................... 52
FIGURA 13. BOMBAS UTILIZADAS. ....................................................................................................................... 53
FIGURA 14. AJUSTE DE ALTURA DE BANDAS MEDIANTE REGULADOR DE NIVEL. .............................................................. 54
FIGURA 15. PULMONES DE ORGNICOS EN FUNCIONAMIENTO. ................................................................................. 55
FIGURA 16. SISTEMA DE MEDICIN DE FLUJOS. ...................................................................................................... 56
FIGURA 17. PLANTA PILOTO (VISTA LATERAL SUPERIOR). .......................................................................................... 58
FIGURA 18. PLANTA PILOTO (VISTA FRONTAL). ....................................................................................................... 59
FIGURA 19. CARGA MXIMA, VALOR ESPERADO Y OBTENIDO. ................................................................................... 64
FIGURA 20. DEGRADACIN ACELERADA REACTIVOS ORGNICOS. ............................................................................... 70
FIGURA 21. EFECTO DE LA TEMPERATURA EN EL TSF EN CONTINUIDAD ORGNICA. ....................................................... 72
FIGURA 22. EFECTO DE LA TEMPERATURA EN EL TSF EN CONTINUIDAD ACUOSA. .......................................................... 72
FIGURA 23. UBICACIN DE LOS DATA LOGGER. ...................................................................................................... 75
FIGURA 24. TEMPERATURA AMBIENTAL Y DE LAS CELDAS (PRUEBA ORGNICO DE PLANTA). ............................................ 76
FIGURA 25. TEMPERATURA MEDIA AMBIENTAL Y DE LAS CELDAS. ............................................................................... 76
FIGURA 26. ARRASTRE DE ACUOSOS EN ORGNICO CARGADO. .................................................................................. 78
FIGURA 27. ARRASTRE DE ACUOSOS EN ORGNICO DESCARGADO. ............................................................................. 78
FIGURA 28. CONCENTRACIN DE COBRE EN EL REFINO. ........................................................................................... 79
FIGURA 29.CONCENTRACIN DE COBRE EN ORGNICO CARGADO. ............................................................................. 80
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FIGURA 30. CONCENTRACIN DE COBRE ORGNICO DESCARGADO. ............................................................................ 81
FIGURA 31. CONCENTRACIN DE COBRE ELECTROLITO RICO. ..................................................................................... 82
FIGURA 32. CONCENTRACIN DE COBRE ELECTROLITO POBRE. .................................................................................. 82
FIGURA 33. CONCENTRACIN DE FE EN EL ORGNICO CARGADO. .............................................................................. 83
FIGURA 34. CONCENTRACIN DE FE EN ORGNICO DESCARGADO. ............................................................................. 84
FIGURA 35. CONCENTRACIN DE FE EN ELECTROLITO RICO. ...................................................................................... 85
FIGURA 36. CONCENTRACIN DE FE EN ELECTROLITO POBRE. ................................................................................... 85
FIGURA 37. RECUPERACIN DE COBRE. ................................................................................................................ 86
FIGURA 38. RE-EXTRACCIN DE COBRE................................................................................................................. 87
FIGURA 39. TRANSFERENCIA NETA DE COBRE. ........................................................................................................ 88
FIGURA 40. RAZN GLOBAL O/A. ...................................................................................................................... 89
FIGURA 41. SELECTIVIDAD DE COBRE. .................................................................................................................. 90
FIGURA 42. FLUJOS DE CORRIENTES ACUOSAS Y ORGNICAS. .................................................................................... 99
FIGURA 43. BANDAS DE ORGNICO. .................................................................................................................. 100
FIGURA 44.TEMPERATURA MONITOREADA CON DATA LOGGER ............................................................................... 101
FIGURA 45. FLUJOS DE CORRIENTES ACUOSAS Y ORGNICAS ................................................................................... 104
FIGURA 46. ALTURA DE BANDAS DE ORGNICO. ................................................................................................... 105
FIGURA 47. TEMPERATURA MONITOREADA CON DATA LOGGER. ............................................................................. 106
FIGURA 48. FLUJOS DE CORRIENTES ACUOSAS Y ORGNICAS ................................................................................... 109
FIGURA 49. ALTURA DE BANDAS DE ORGNICO. ................................................................................................... 110
FIGURA 50. TEMPERATURA MONITOREADA CON DATA LOGGER. ............................................................................. 111
FIGURA 51. FLUJOS DE CORRIENTES ACUOSAS Y ORGNICAS ................................................................................... 114
FIGURA 52. BANDAS DE ORGNICO. .................................................................................................................. 115
FIGURA 53. TEMPERATURA MONITOREADA CON DATA LOGGER. ............................................................................. 116
FIGURA 54. FLUJOS DE CORRIENTES ACUOSAS Y ORGNICAS ................................................................................... 119
FIGURA 55. BANDAS DE ORGNICO. .................................................................................................................. 120
FIGURA 56. TEMPERATURA MONITOREADA CON DATA LOGGER. ............................................................................. 121
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NDICE DE TABLAS
TABLA 1. COMPARACIN DE LAS CETOXIMAS, ALDOXIMAS Y MEZCLAS DE AMBOS (ALGUACIL, 1997). ............................... 23
TABLA 2. DISEO DE PRUEBAS DE CARACTERIZACIN. .............................................................................................. 36
TABLA 3. DISEO DE PRUEBAS DE PILOTAJE. .......................................................................................................... 37
TABLA 4. VOLMENES DE OXIMAS Y DILUYENTES A UTILIZAR EN CARACTERIZACIN. ....................................................... 50
TABLA 5. VOLMENES DE OXIMAS Y DILUYENTES A UTILIZAR EN PLANTA PILOTO. ........................................................... 51
TABLA 6. CONDICIONES DE OPERACIN DE LAS CELDAS. ........................................................................................... 57
TABLA 7. CONDICIONES DE OPERACIN DE LAS BOMBAS. ......................................................................................... 57
TABLA 8. COMPARACIN CARGA MXIMA. ............................................................................................................ 63
TABLA 9. COMPARACIN TENSIONES SUPERFICIALES. .............................................................................................. 65
TABLA 10: COMPARACIN TENSIN INTERFACIAL. .................................................................................................. 66
TABLA 11: COMPARACIN DE VISCOSIDADES. ........................................................................................................ 66
TABLA 12: COMPARACIN DE DENSIDADES. .......................................................................................................... 67
TABLA 13: COMPARACIN DE LOS PUNTOS DE INFLAMACIN DE LOS REACTIVOS ORGNICOS. ......................................... 68
TABLA 14. PORCENTAJE DE DEGRADACIN DE LOS REACTIVOS PLANTA, A Y B. .............................................................. 69
TABLA 15.EFECTO DE LA TEMPERATURA EN EL TSF EN CONTINUIDAD ORGNICA. ......................................................... 71
TABLA 16.EFECTO DE LA TEMPERATURA EN EL TSF EN CONTINUIDAD ACUOSA. ............................................................. 71
TABLA 17. FLUJOS PROMEDIOS DE ALIMENTACIN, ML/MIN. ................................................................................... 74
TABLA 18. ALTURA DE BANDA DE ORGNICO, CM. .................................................................................................. 75
TABLA 19. TEMPERATURA MEDIA AMBIENTAL Y DE LAS CELDAS, C. ........................................................................... 77
TABLA 20. ARRASTRES DE ACUOSOS EN ORGNICO PROMEDIO, ML/H. ....................................................................... 77
TABLA 21. CONCENTRACIN DE COBRE PROMEDIO EN EL REFINO, G/L. ....................................................................... 79
TABLA 22. CONCENTRACIN DE COBRE PROMEDIO EN EL ORGNICO, G/L. .................................................................. 80
TABLA 23. CONCENTRACIN PROMEDIO DE COBRE ER Y EP, G/L. ............................................................................. 81
TABLA 24. CONCENTRACIN PROMEDIO DE HIERRO OC Y OD, G/L............................................................................ 83
TABLA 25. CONCENTRACIN PROMEDIO DE HIERRO ER Y EP, G/L. ............................................................................ 84
TABLA 26. RECUPERACIN DE COBRE PROMEDIO, %. .............................................................................................. 86
TABLA 27. RE-EXTRACCIN DE COBRE PROMEDIO, %. ............................................................................................. 87
TABLA 28.TRANSFERENCIA NETA PROMEDIO DE COBRE, G/L. .................................................................................... 88
TABLA 29. RAZN DE TRANSFERENCIA O/A. ......................................................................................................... 89
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TABLA 30. SELECTIVIDAD DE COBRE. .................................................................................................................... 90
TABLA 31. FLUJOS PROMEDIO DE ACUOSOS Y ORGNICO EN ML/MIN. ........................................................................ 98
TABLA 32. ALTURA DE BANDA DE ORGNICO, CM ................................................................................................... 99
TABLA 33. TEMPERATURA, C .......................................................................................................................... 100
TABLA 34. RESUMEN MEDICIONES FSICAS, VISCOSIDAD. ........................................................................................ 101
TABLA 35. RESUMEN MEDICIONES FSICAS, DENSIDAD........................................................................................... 102
TABLA 36. FLUJOS PROMEDIO DE ACUOSOS Y ORGNICO EN ML/MIN ....................................................................... 103
TABLA 37. ALTURA DE BANDA DE ORGNICO, CM ................................................................................................. 104
TABLA 38. TEMPERATURA, C .......................................................................................................................... 105
TABLA 39. RESUMEN MEDICIONES FSICAS, VISCOSIDAD. ........................................................................................ 106
TABLA 40. RESUMEN MEDICIONES FSICAS, DENSIDAD. .......................................................................................... 107
TABLA 41. FLUJOS DE ACUOSOS Y ORGNICO EN ML/MIN ...................................................................................... 108
TABLA 42. ALTURA DE BANDA DE ORGNICO, CM ................................................................................................. 109
TABLA 43. TEMPERATURA, C .......................................................................................................................... 110
TABLA 44. RESUMEN MEDICIONES FSICAS, VISCOSIDAD. ........................................................................................ 111
TABLA 45. RESUMEN MEDICIONES FSICAS, DENSIDAD. .......................................................................................... 112
TABLA 46. FLUJOS DE ACUOSOS Y ORGNICO EN ML/MIN ...................................................................................... 113
TABLA 47. ALTURA DE BANDA DE ORGNICO, CM ................................................................................................. 114
TABLA 48. TEMPERATURA, C .......................................................................................................................... 115
TABLA 49. RESUMEN MEDICIONES FSICAS, VISCOSIDAD. ........................................................................................ 116
TABLA 50. RESUMEN MEDICIONES FSICAS, DENSIDAD. .......................................................................................... 117
TABLA 51. FLUJOS DE ACUOSOS Y ORGNICO EN ML/MIN....................................................................................... 118
TABLA 52. ALTURA DE BANDA DE ORGNICO, CM ................................................................................................. 119
TABLA 53. TEMPERATURA, C .......................................................................................................................... 120
TABLA 54. RESUMEN MEDICIONES FSICAS, VISCOSIDAD. ........................................................................................ 121
TABLA 55. RESUMEN MEDICIONES FSICAS, DENSIDAD. .......................................................................................... 122
TABLA 56. POSIBLE PROBLEMA Y SU MEDIDA PALIATIVA. ........................................................................................ 123
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NOMENCLATURA
A/O: Razn entre la solucin acuosa y la solucin orgnica.
C.M.: Carga mxima.
CICITEM: Centro de Investigacin Cientfico Tecnolgico para la
Minera.
CONICYT: Comisin Nacional de Investigacin Cientfica y Tecnolgica
de Chile.
Crud: Borras.
E: Etapa de extraccin.
EP: Electrlito pobre.
ER: Electrlito rico.
EW: Electro obtencin.
Flash point: Punto de inflamacin.
IBC: Contenedor Internacional a granel.
LIX: Lixiviacin
MEL: Minera Escondida Ltda.
O/A: Razn entre la solucin orgnica y la solucin acuosa.
OC: Orgnico cargado.
OD: Orgnico descargado.
P.I.: Punto de inflamacin.
PLS: Solucin impregnada de cobre.
PVC: Policloruro de vinilo.
REF: Refino.
S: Etapa de re-extraccin.
SX: Extraccin por solvente.
TSF: Tiempo separacin de fases.
UA: Universidad de Antofagasta.
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UCN: Universidad Catlica del Norte.
v/v: Razn volumen-volumen.
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CAPTULO I. INTRODUCCIN.
1.1. Justificacin del estudio.
A travs de CICITEM se recibe el requerimiento de Minera Escondida
Ltda. la que consiste en evaluar extractantes alternativos para la planta de
extraccin por solventes, esto debido principalmente a una disminucin del
desempeo en la operacin de planta, manifestndose en un aumento en el
tiempo de separacin de fases y prdida de orgnico por arrastre, ya sea por
contaminacin y/o degradacin del reactivo orgnico. Es por sta razn que es
importante realizar controles de calidad estndar en forma peridica, que
comprende la medicin de los siguientes parmetros: carga mxima, tensin
superficial e interfacial, viscosidad, densidad, degradacin del extractante y
tiempo de separacin de fases.
La contaminacin y degradacin del extractante produce una deficiencia
de estas propiedades, la que trae como consecuencia la prdida de
caractersticas extractivas o de coalescencia por descomposicin en su
estructura molecular, y puede ser por oxidacin del grupo activo, por hidrlisis o
por ocupacin de los sitios activos con algn elemento envenenante que no se
extrae de forma normal.
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1.2. Objetivos.
1.2.1. Objetivo general.
Evaluar tcnicamente extractantes alternativos para planta de
extraccin por solvente de Minera Escondida Ltda.
1.2.2. Objetivos especficos.
Estudio bibliogrfico.
Caracterizacin de los reactivos planta, orgnico A, orgnico B y
mezclas al 20 y 50% del reactivo de planta con A y B.
Evaluacin en planta piloto para cada extractante y sus
respectivas mezclas.
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1.3. Antecedentes generales de la empresa.
1.3.1 Descripcin de la empresa.
El Centro de Investigacin Cientfico Tecnolgico para la Minera
(CICITEM), es una corporacin sin fines de lucro, fundada por la Universidad
Catlica del Norte (UCN), la Universidad de Antofagasta (UA), el Gobierno
Regional de Antofagasta y CONICYT. Sus oficinas comerciales y de recurso
humano se encuentran en Av. Jos Miguel carrera 1701 piso 4, Antofagasta.
Sus laboratorios se emplazan tanto en la Universidad Catlica del Norte como
en la Universidad de Antofagasta. Aunque el centro inici sus actividades el ao
2006, fue el 5 de mayo de 2008 cuando obtuvo la personalidad jurdica que le
permiti iniciar operaciones oficiales. En enero de 2009 se desarroll la
planificacin estratgica del centro, definiendo su visin como sigue:
Consolidarse como un centro de investigacin cientfico tecnolgico, referente
nacional en el mbito de la minera, con clara proyeccin internacional, y su
misin Apoyar la innovacin, desarrollo y sustentabilidad de la industria minera
y sectores productivos asociados, nacionales y regionales, a travs de
investigacin cientfica y tecnolgica de alto nivel.
Los objetivos generales de CICITEM son Contribuir a la materializacin
del proyecto del cluster minero regional mediante la creacin de un centro de
investigacin cientfico tecnolgico para la minera e Impulsar el desarrollo de
la regin de Antofagasta, regin minera, a travs de la generacin de
investigacin y desarrollo cientfico tecnolgico para la minera.
El CICITEM defini como lneas de investigacin la ingeniera de
procesos y la biominera, que para sus inicios, uni las capacidades disponibles
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en las Universidades de Antofagasta y Catlica del Norte. No obstante tambin
considera el desarrollo de investigacin en temas precompetitivos de la minera
como recursos hdricos, energa y sustentabilidad.
La primera lnea de investigacin abarca las siguientes reas: equilibrio
de fases en sistemas multicomponentes, procesos de separacin slido-lquido,
reologa de pulpas, lixiviacin (cuprfera, de caliches, etc.), electroqumica,
pirometalurgia, modificacin de matas, optimizacin, diseo y mejora de
procesos, desarrollo de modelos y estudios fenomenolgicos, sistemas acuosos
bifsicos y cristalizacin. Mientras que la lnea de la biominera contempla:
biolixiviacin, optimizacin, caracterizacin gnica, interaccin microorganismo
mineral, tratamiento de aguas y efluentes, control arsnico, metales (Cu2+),
fitoremediacin, biocorrosin, biosorcin y bioenerga.
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CAPTULO II. MARCO TERICO
2.1. Fundamentos de planta piloto.
Una planta piloto es una planta de proceso a escala reducida. El fin que
se persigue al disear, construir y operar una planta piloto es obtener
informacin sobre un determinado proceso fsico o qumico, que permita
determinar si el proceso es tcnica y econmicamente viable, as como
establecer los parmetros de operacin ptimos de dicho proceso para el
posterior diseo y construccin de la planta a escala industrial.
La investigacin para el estudio de nuevos procesos fsico-qumicos, o
para la mejora de procesos ya existente se lleva a cabo en plantas a escala
piloto, reducindose as los costos asociados a la inversin y a los gastos fijos
de operacin inherentes a una planta industrial, siempre y cuando hayan sido
diseadas y operadas correctamente.
El trmino planta piloto abarca un amplio rango de escalas, desde
plantas a escala laboratorio hasta plantas a escala semi-industrial. Los avances
tecnolgicos en distintas reas han hecho posible que hoy da se disponga de
instrumentacin y dispositivos adecuados para el diseo y construccin de
plantas a escala muy reducida, plantas a micro-escala, capaces de operar en
idnticas condiciones de presin y temperatura que las plantas industriales.
Estos avances ha conducido igualmente a que estas plantas a micro-escala
cuenten con sistemas de adquisicin de datos, supervisin y control y puedan
ser automatizadas, de manera que la produccin experimental se multiplique y
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se reduzca, as, considerablemente el tiempo necesario para el estudio y la
optimizacin de un proceso fsico-qumico concreto. (Gonzlez, 2010).
Una planta piloto debe ser mucho ms flexible que una planta a escala
industrial en cuanto al rango permisible de sus parmetros de operacin o
variables de proceso, ya que una planta industrial opera siempre en las mismas
condiciones, mientras que una planta piloto, por el hecho de estar destinada a
la investigacin o estudio de un proceso, debe permitir trabajar en un amplio
rango de valores de temperatura, presin, entre otros parmetros, de manera
que puedan realizarse experimentos o ensayos con valores distintos de las
variables de proceso y poder determinar, as, los valores ptimos.
Aunque, en los ltimos aos se han desarrollado diversas herramientas
para simulacin de procesos por ordenador, estos sistemas no pueden sustituir
a las plantas piloto, ya que no son capaces de predecir el comportamiento de
nuevos procesos, de los que no existen datos disponibles, ni de procesos
complejos.
2.1.1 Modelo de escalamiento.
El paso fundamental en el escalamiento (Anaya-Durand y Gutirrez,
1999) consiste en pasar los datos obtenidos en la planta piloto a un modelo que
puede ser:
Fenomenolgico: Fundamentado en algunos razonamientos tericos
pero de tipo microscpico. No involucra consideraciones moleculares y
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permite hacer prediccin en rangos o intervalos de operacin no
estudiados experimentalmente.
Emprico: El cual se postula sin bases tericas y se espera solamente
que ajuste la interaccin entre los datos en el rango o intervalo de
experimentacin.
De similaridad: Obtenido a partir de un anlisis de similaridad con
respecto a analogas fsicas de tipo trmico, mecnico, geomtrico,
qumico, etc.
El tipo de modelo de escalamiento depende tanto del proceso en
cuestin como de la geometra de los equipos involucrados.
2.1.2 Principio de similaridad.
El principio de similaridad hace referencia a la relacin que existe entre
sistemas fsicos y el tamao de los mismos, siendo bsico en el escalamiento
de procesos fsicos y qumicos.
Este principio de similaridad est relacionado con el concepto de forma
a partir del hecho de que sta es independiente del tamao y la composicin.
En trminos ms precisos, este principio establece lo siguiente:
La configuracin espacial y temporal de un sistema fsico est
determinada por las relaciones de las magnitudes dentro del propio sistema y
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no dependen del tamao ni de la naturaleza de las unidades en las cuales se
miden esas magnitudes (Anaya-Durand et al, 2008).
Dentro de la ingeniera qumica son de inters cuatro tipos de
similaridades:
Similaridad geomtrica: La similaridad geomtrica se define con mayor
precisin en trminos de correspondencia. Considerando dos cuerpos
slidos, cada uno provisto de tres ejes imaginarios en el espacio que los
intersectan a fin de ser descritos de igual forma en todos los sus puntos
en un mismo sistema de coordenadas. Con esto se define que: Dos
cuerpos son geomtricamente similares cuando para todo punto en el
primer cuerpo existe un punto en el segundo.
Similaridad mecnica: La similaridad mecnica comprende en su rea a
las similaridades esttica, cinemtica y dinmica. Cada una de stas
puede considerarse como una extensin del concepto de similaridad
geomtrica en sistemas fijos o en movimiento sujetos a fuerzas externas
o internas.
Similaridad trmica: Esta similaridad involucra a los sistemas en los
cuales se presenta flujo de calor por lo que se introduce la dimensin
temperatura adems de la longitud, fuerza y tiempo. El calor puede fluir
por conveccin, conduccin y radiacin y la diferencia de temperaturas a
tiempos correspondientes entre un par de puntos de un sistema y entre
el par de puntos de otro se definen como temperaturas correspondientes.
Los sistemas que presentan similaridad geomtrica son trmicamente
similares cuando la diferencia de temperatura conserva una relacin
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constante entre ellos y cuando los sistemas, si estn en movimiento, son
cinticamente similares.
Similaridad qumica: Esta similaridad est relacionada con sistemas
que presentan reacciones qumicas donde la composicin vara de un
punto a otro, ya sea en procesos intermitentes o continuos, en diferentes
instantes. No se introduce ninguna nueva dimensin, no es necesario
que las composiciones qumicas de ambos sistemas sean las mismas,
sino solamente que exista una relacin fija entre las concentraciones
puntuales de algunos componentes de las cuales se realiza la
comparacin. Cuando un sistema tiene un componente A y otro B y se
desea establecer la similaridad entre A y B, estas sustancias sern
constituyentes correspondientes.
2.1.3 Anlisis dimensional.
El anlisis dimensional es una poderosa herramienta que permite
simplificar el estudio de cualquier fenmeno en el que estn involucradas
magnitudes fsicas. Su resultado fundamental, el teorema de Vaschy-
Buckingham (ms conocido como teorema ), permite cambiar el conjunto
original de parmetros de entrada dimensionales de un problema fsico por otro
conjunto de parmetros de entrada adimensionales ms reducido.
Estos parmetros adimensionales se obtienen mediante combinaciones
adecuadas de los parmetros dimensionales y no son nicos, aunque s lo es el
nmero mnimo necesario para estudiar cada sistema. De este modo, al obtener
uno de estos conjuntos de tamao mnimo se consigue analizar con mayor
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facilidad el sistema objeto de estudio y reducir drsticamente el nmero de
ensayos que debe realizarse para averiguar el comportamiento o respuesta de
un sistema determinado (Anaya-Durand et al, 2008).
El anlisis dimensional tambin es la base de los ensayos a escala
reducida utilizados en muchas ramas de la ingeniera, tales como la qumica,
aeronutica, la mecnica o la ingeniera civil. A partir de dichos ensayos se
obtiene informacin sobre lo que ocurre en el fenmeno a escala real cuando
existe similaridad fsica entre el fenmeno real y el ensayo.
Finalmente, el anlisis dimensional tambin es una herramienta til para
detectar errores en los clculos cientficos e ingenieriles. Con este fin se
comprueba la congruencia de las unidades empleadas en los clculos,
prestando especial atencin a las unidades de los resultados. Para reducir un
problema dimensional a otro adimensional con menos parmetros, se siguen
los siguientes pasos generales:
1. Contar el nmero de variables dimensionales n.
2. Contar el nmero de unidades bsicas m (longitud, tiempo, masa,
temperatura, etc...).
3. Determinar el nmero de grupos adimensionales. = n - m.
4. Hacer que cada nmero dependa de n - m variables fijas y que cada
uno dependa adems de una de las m variables restantes (se
recomienda que las variables fijas sean una del fluido, una geomtrica y
otra cinemtica).
5. El nmero que contenga la variable que se desea determinar se pone
como funcin de los dems nmeros adimensionales.
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6. El modelo debe tener sus nmeros adimensionales iguales a las del
prototipo para asegurar similitud.
7. Se determina la dependencia del nmero adimensional requerido
experimentalmente.
2.1.4 Criterios generales de diseo.
El modelo a seguir utiliza el principio de similaridad qumica, adems
fsicamente la planta piloto que se quiere disear debe cumplir una serie de
condiciones generales:
Manejabilidad: La planta piloto debe limpiarse por completo antes de
iniciar cada prueba, por ende el acoplamiento de bombas, mangueras y
vlvulas debe ser sencillo.
Autonoma: Debe funcionar sin intervencin externa el mayor tiempo
posible.
Flexibilidad: Debe permitir trabajar en un amplio rango de valores
(flujos, temperaturas, fases orgnicas o acuosas, entre otros) de manera
que puedan modificarse sin tener que cambiar los equipos que
componen la planta piloto.
2.2. Fundamentos de la hidrometalurgia.
La hidrometalurgia ha experimentado en las ltimas dcadas un gran
desarrollo, y ha ampliado enormemente su rango de aplicacin. Este reciente
desarrollo de la hidrometalurgia se debe en parte a la demanda siempre
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creciente de metales, que junto con el agotamiento de los yacimientos hace
necesario usar nuevas fuentes de metal, fundamentalmente menas pobres y
complejas, las cuales, por razones tcnicas y/o econmicas son tratadas de
forma ms conveniente por mtodos hidrometalrgicos que por mtodos
pirometalrgicos (Ruiz, 2009).
La hidrometalurgia es la rama de la metalurgia extractiva que estudia
todos los procesos extractivos que ocurren en medios acuosos, que permiten la
extraccin y obtencin de metales y/o compuestos desde sus minerales o
materiales de reciclaje (chatarras, escorias, cementos metlicos, barros
andicos, etc.) (Simpson, 2003).
La hidrometalurgia se subdivide en tres ramas importantes, las cuales
son:
a.- Lixiviacin.
b.- Concentracin y purificacin.
c.- Precipitacin.
En lneas generales las principales ventajas de los procesos
hidrometalrgicos de acuerdo a Simpson (Simpson, 2003) son:
Sus procesos tienen un menor impacto ambiental en comparacin a
otros procesos extractivos.
Bajos costos de inversin para un tamao de planta dado, en
comparacin a otros procesos extractivos.
Posibilidad de expansin desde una operacin pequea a otra de
tamao mediano, conservando siempre la economa de una operacin
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en gran escala. Esto debido al carcter modular de las plantas
hidrometalrgicas.
Algunos procesos hidrometalrgicos permiten un ahorro considerable de
combustible, como es el caso de tratar los minerales directamente en sus
yacimientos o los que evitan el proceso de molienda. Estos ahorros de
energa representan una fraccin apreciable del consumo total de un
proceso convencional.
Existe un gran control sobre las reacciones, debido a las condiciones
cinticas en que se desarrollan los procesos.
Es posible una gran automatizacin.
Las operaciones hidrometalrgicas son muy selectivas, en lixiviacin por
ejemplo, slo parte de la mena se disuelve dejando el resto sin
reaccionar, permitiendo su eliminacin en una etapa inicial del proceso.
La selectividad de la extraccin por solventes es raramente obtenida por
otros procesos no hidrometalrgicos.
Gran flexibilidad para combinar operaciones unitarias con el objeto de
lograr un proceso ptimo.
2.3. Extraccin por solvente.
La extraccin por solventes (SX) es el nombre que se le asigna a un
proceso fsico-qumico o qumico de separacin que, en general, trae como
consecuencia una purificacin y concentracin- en el cual las especies solubles
que estn en una cierta fase lquida se distribuyen preferencial y selectivamente
en una segunda fase, tambin lquida, siendo ambas fases completamente
inmiscibles entre s (Domic, 2001).
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2.3.1. Objetivos del proceso de extraccin por solventes.
El proceso de extraccin por solventes se incorpora como parte de un
sistema integral de recuperacin hidrometalrgica, generalmente, para cumplir
por los menos con alguno de estos tres objetivos principales (Domic, 2001):
La separacin y purificacin de uno o ms metales de inters
de las impurezas que les acompaan, sea extractando el o los
metales deseados desde las soluciones que quedan con las
impurezas, o bien extractando las impurezas dejando en las
soluciones el o los metales deseados.
La concentracin de los metales disueltos con el objetivo de
disminuir los volmenes a procesar y as reducir los costos para
el proceso siguiente.
La transferencia de los metales disueltos, desde una solucin
acuosa compleja a otra solucin acuosa diferente, para que
simplifique el proceso siguiente.
2.4. Descripcin del proceso de extraccin por solventes.
El fundamento bsico del proceso de extraccin por solvente (SX) es la
reaccin qumica de intercambio inico, entre el in del elemento metlico y un
in H+ del compuesto orgnico (resina extractante), que da origen as a un
complejo rgano-metlico o quelato, que es soluble en la fase orgnica y que se
separa entonces por esta va de los otros elementos o impurezas, que
permanecen solubles en la fase acuosa residual, o refino como se le denomina
(Cognis, 2003).
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La reaccin que gobierna la formacin de este complejo insoluble no es
difcil de entender y responde bsicamente a la ecuacin general:
+ + +
+ (1)
Donde:
2+: Representa la concentracin del in cobre disuelto en la fase
acuosa (fase lquida cuya base es el agua).
2: Representa la concentracin de cobre disuelto en la fase
orgnica (solvente + extractante) y que ha sido atrapado por el extractante.
: Representa la concentracin del extractante en la fase orgnica.
+ : Concentracin de cido (libre) en la fase acuosa.
En la reaccin se simboliza R-H para indicar que slo es el protn H+ el
que se intercambia con el Cu2+.
En el proceso de extraccin, el equilibrio se desplaza hacia la derecha,
mientras que en la etapa de re-extraccin el cobre pasa a una fase acuosa (que
formar el electrlito de avance) por desplazamiento del equilibrio a la izquierda
(Alguacil, 1997).
En la etapa de extraccin, la solucin impura que proviene de la
lixiviacin con baja acidez (pH entre 1,4 y 2,5) conteniendo al cobre,
denominada PLS (solucin rica en cobre), se contacta con la fase orgnica de
muy bajo contenido en cobre (orgnico descargado), debido a la acidez del PLS
la reaccin (1) se desplaza hacia la derecha, obtenindose despus de que
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ambas soluciones han pasado por todas las etapas de extraccin, una fase
orgnica rica en cobre (orgnico cargado) y una fase acuosa (refino) que
presenta una baja concentracin de cobre. La solucin refino obtenida retiene la
mayor parte de las impurezas (Fe, Al, Mn, Mg, Zn, Ni, Cl -, entre otros.) sale con
una alta acidez, por lo cual, es recirculada a la lixiviacin (Gutirrez, 2001).
En la etapa de re-extraccin se descarga el cobre presente en la fase
orgnica. Este traspaso se logra cuando se contacta la fase orgnica cargada
con una solucin acuosa de alta acidez (180 a 200 g/L). La solucin de alta
acidez proviene de la electro-obtencin, y se le conoce por el nombre de
electrlito pobre (Gutirrez, 2001).
De la etapa de re-extraccin se obtienen dos soluciones: una orgnica
pobre en cobre que vuelve a la etapa de extraccin y una solucin acuosa rica
en cobre, denominada electrlito rico, que es enviada al proceso de electro-
obtencin (Gutirrez, 2001).
El esquema presente en la Figura 1 describe las partes esenciales del
proceso de extraccin por solventes y nomenclatura ms corriente asociada a
los flujos que participan del circuito LIX-SX-EW.
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Figura 1. Esquema del circuito LIX-SX-EW.
2.4.1. Fase acuosa.
La caracterizacin de la fase acuosa es de primordial importancia en el
proceso de extraccin por solventes de metales. As, el tipo y concentracin del
metal de inters y de otros metales disueltos (o impurezas), el tipo y
concentracin de aniones presentes, el pH de la solucin, su potencial de
oxidacin y la temperatura de la solucin son todos factores que van a
determinar el tipo de extractante a usar y las condiciones en que debe
realizarse el proceso de extraccin. Algunos metales pueden existir en solucin
parcialmente como especies catinicas y aninicas o neutras y las cantidades
relativas de cada especie presente estn determinadas por las constantes de
estabilidad de reacciones de complejacin o formacin de pares inicos, por el
pH y por la concentracin del ligando (Ruiz, 2009).
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2.4.2. Fase orgnica.
En general, la fase orgnica est constituida por un reactivo que es el
responsable qumico de las reacciones de extraccin y descarga- y de un
diluyente, que acta esencialmente como medio fsico disolvente y portador. En
forma complementaria el diluyente tambin puede participar en las reacciones
de extraccin y descarga, modificando el comportamiento qumico del reactivo.
Ocasionalmente, tambin se puede encontrar la participacin de otras
sustancias que actan como modificadores, sea de tipo fsico actuando sobre
las caractersticas propias del diluyente- como tambin del tipo qumico, al
interactuar directamente sobre el reactivo (Domic, 2001).
En el caso de la extraccin de cobre se emplean como tales, reactivos
orgnicos formadores de quelato, derivados de las oximas. Estos compuestos
tienen fuerte poder selectivo de unin a iones Cu2+, que por ello puede ser
extrado de la solucin. La formacin de complejos orgnicos, va aparejada en
la extraccin de cobre a la reaccin de intercambio de iones entre los iones
Cu2+ y los tomos de hidrgenos de un compuesto orgnico. Los extractantes
se denominan HR sin reaccionar, al extraer cobre se forma el complejo orgnico
CuR2, disuelto en la fase orgnica. Al formar el complejo metlico orgnico
(CuR2) se libera H+ en el acuoso que constituir el refino que vuelve a
lixiviacin; el H+ (se puede hablar de recuperacin de cido sulfrico) es el
agente lixiviante de los minerales oxidados de cobre (Simpson, 2006).
2.5. Extractante orgnico.
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En la actualidad se conocen y existen extractantes orgnicos
prcticamente para todos los metales, en una u otra forma. Sin embargo, para
que el extractante sea viable tcnicamente, se deben considerar los siguientes
aspectos: volumen utilizado, el tratamiento continuo y el inters econmico.
2.5.1. Caractersticas de los extractantes.
Para que un reactivo pueda ser econmicamente aceptable debe contar
con una buena combinacin de la mayor parte de las siguientes caractersticas
ideales para un reactivo extractante orgnico (Domic, 2001):
Extraer el o los metales deseados con la mxima selectividad
posible desde la solucin que los contiene.
Ser descargable hacia una solucin desde donde pueda ocurrir,
en forma sencilla, la recuperacin del metal.
Ser de fcil regeneracin en sus caractersticas fsico-qumicas,
permitiendo una expedita recirculacin a la etapa de extraccin.
Ser lo ms inmiscible posible en las soluciones acuosas que
contiene el (o los) metal (es) de inters y que la separacin se
logre eficientemente en tiempos razonablemente breve.
Ser estable a las condiciones del circuito de manera que pueda
ser reciclado muchas veces. Para ello debe ser qumicamente
estable frente al ataque de ambientes cidos o alcalinos.
Ser soluble en diluyentes orgnicos econmicos, o ser capaz de
funcionar l mismo, adems, como diluyente.
Cumplir con una capacidad de carga aceptable para lograr una
transferencia neta eficaz del metal extrado.
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No debe promover emulsiones estables.
No debe transferir especies nocivas desde la descarga a la
extraccin y viceversa.
Debe tener un costo econmicamente aceptable.
Normalmente el comportamiento de los reactivos en relacin a los
requerimientos impuestos por el listado anterior no es nunca de cumplimiento
completo. Ni tampoco absoluto. Ms bien, los reactivos comercialmente
exitosos cuentan con un adecuado equilibrio de la mayor parte de las
propiedades enumeradas.
2.5.2. Tipos de extractante.
Existen distintas clases de extractantes como son los esteres, cidos
carboxlicos y las oximas, siendo este ltimo grupo el que se detalla a
continuacin.
Las hidroxi-oximas de segunda generacin se desarrollaron con un
anillo aromtico. La Figura 2 muestra la estructura qumica general de las
oximas empleadas para la recuperacin de cobre.
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Figura 2. Estructura qumica cetoxima y aldoxima (Alguacil,1997).
2.5.2.1. Cetoximas.
Las cetoximas fueron las primeras hidroxi-oximas usadas como
extractantes comerciales y se mantuvieron en forma exclusiva por cerca de 12
aos. Los reactivos de esta clase presentan propiedades excepcionales de
extraccin y descarga y se comportan muy bien con soluciones de lixiviacin a
temperaturas intermedias y con un rango de pH entre 1,7 y 1,8. Sin embargo,
carecen del suficiente poder de extraccin de cobre como para obtener buenas
recuperaciones desde soluciones de lixiviacin ms fras, con altos contenidos
de cobre y/o con un pH inicial relativamente bajo (Domic, 2001).
2.5.2.2. Aldoximas.
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Las aldoximas (o salicil-aldoximas) fueron desarrolladas para superar
los problemas de fuerza de extraccin de las cetoximas. Su caracterstica ms
destacada es poseer un alto poder de extraccin, sin embargo, ste es tambin
su lado dbil. Cuando se usa slo, este tipo de reactivo tiene un poder tan
altamente extractivo que el cobre no se descarga satisfactoriamente con un
electrlito de caractersticas normales. Como resultado, la transferencia neta de
cobre de un reactivo extractante del tipo aldoxima es baja. Por esta razn, se
usan en combinacin, ya sea con un modificador de equilibrio o con una
Cetoxima (Domic, 2001).
2.5.2.3. Mezcla cetoxima-aldoxima.
La mezcla cetoxima-aldoxima (sin modificador), tambin ha sido
ampliamente usada en la extraccin por solventes para cobre. Estas mezclas
combinan el fuerte poder extractivo y las rpidas cinticas de las aldoximas con
las buenas caractersticas fsicas de operacin y estabilidad de las cetoximas.
Estos reactivos se pueden mezclar en un rango amplio para equiparar el poder
extractivo de la mezcla con las necesidades especficas de una planta
determinada, aplicndolo a la medida de una solucin de lixiviacin en
particular.
2.5.2.4. Comparacin aldoximas-cetoximas-mezclas.
Una comparacin general de las propiedades de los reactivos orgnicos
para cobre se muestra en la Tabla 1. Esta tabla se realiza compilando una lista
de propiedades especficas (Alguacil, 1997).
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Tabla 1. Comparacin de las cetoximas, aldoximas y mezclas de ambos (Alguacil, 1997).
Propiedad Cetoxima Aldoxima Mezcla
Extraccin Moderada Muy buena A la medida(*)
Re-extraccin Muy buena Buena A la medida(*)
Selectividad Cu-Fe Excelente Excelente Excelente
Cintica Muy buena Excelente Muy buena
Separacin de fases Rpida Rpida Rpida
Estabilidad Muy buena Muy buena (**) Muy buena
Formacin lodos (***) Lenta Variable Lenta
(*) Vara segn la mezcla utilizada.
(**) Segn el modificador empleado.
(***) Dependiente de la disolucin de lixiviacin a tratar y del modificador empleado en la fase orgnica.
Las generalizaciones pueden tener excepciones. Por ejemplo, la
selectividad Cu/Fe para las aldoximas modificadas se considera como
excelente, lo cual, en la mayora de los casos, es vlido. Sin embargo, cuando
se usa el modificador nonilfenol, la selectividad Cu/Fe disminuye en un factor de
dos a tres veces (Domic, 2001).
2.5.3. Diluyente de la fase orgnica.
Estos agentes de extraccin, como se suministran, vienen diluidos en
un diluyente aliftico (como el conocido comercialmente Shellsol 2046), pero en
la mayora de los casos se hace necesario adecuar la concentracin del agente
de extraccin a las condiciones de operacin de cada caso particular. En la
operacin de extraccin con disolventes aplicada al cobre, se emplea un
diluyente aliftico como diluyente de la fase orgnica, y como en el caso de los
agentes de extraccin existen en el mercado amplias posibilidades de eleccin.
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Esta debe estar regida por los mismos conceptos y necesidades que se han
considerado en el caso del agente de extraccin (Alguacil, 1997).
En cualquier caso los esfuerzos para elegir el adecuado diluyente y
para monitorear la calidad de los continuos suministros, es importante. Estos
esfuerzos deben incluirse como parte de un buen programa de evaluacin de
laboratorio. Debe notarse en esta discusin, que la funcin del diluyente se
asume estar separada de la del modificador. En sistemas reales no es una
presuncin vlida, pero las interacciones diluyentes - modificadores son
complejas (MCT Redbook, 2008).
Un diluyente debiera cumplir con la mayora de las siguientes
caractersticas:
Solubilizar al extractante y al complejo rgano-metlico formado por la
reaccin del metal con el extractante.
Ser insoluble en la fase acuosa.
Tener una baja viscosidad y una densidad adecuada para favorecer la
separacin de fases y reducir los arrastres de una fase en la otra.
Libre de componentes extraos, con el objeto de minimizar la formacin
de borras (crud).
Ser qumicamente estable bajo todas las condiciones del circuito.
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Tener un alto punto de inflamacin (flash point) de 25 C o ms, por
encima de la temperatura ms alta prevista para la operacin del circuito
SX.
Tener bajas prdidas por evaporacin.
No interferir perjudicialmente en la qumica de las reacciones de
extraccin y descarga del metal.
Estar disponible con facilidad, en grandes cantidades y a bajo costo.
2.5.4. Modificadores.
Un modificador es cualquier producto orgnico que al ser aadido
disuelto en la fase orgnica altera el comportamiento de un determinado
reactivo de extraccin por solventes. Entre estas alteraciones, el modificador
puede desplazar los equilibrios de extraccin y re-extraccin, facilitar la
coalescencia, controlar la generacin de borra, mejorar la solubilidad del
extractante cargado en la fase orgnica, etc. En general, los modificadores
utilizados son alcoholes aromticos o alifticos y/o steres, los que agregados
en ciertas cantidades, buscan mejorar la re-extraccin del in metlico, sin
alterar la fuerza extractiva (CODELCO, 2004).
2.6. Mecanismos de extraccin.
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En general, se puede decir que existen cinco clases o tipos de reactivos
orgnicos, que sirven como extractantes para metales o complejos metlicos,
caracterizados por la estructura, el mecanismo de extraccin y por la especie
metlica extrada. Estos son los reactivos del tipo: quelante, cido orgnico,
sustitucin del ligante, extraccin neutra o solvatante y con formacin de par
inico (Domic, 2001).
2.6.1. Tipo quelante.
Quelante se refiere a atenazar, que es una descripcin grfica de la
forma con que el reactivo extractante se aferra al in metlico. El extractante
enlaza qumicamente el in metlico en, al menos, dos sitios, de manera similar
como se toma un objeto entre el dedo pulgar y el dedo ndice.
La transferencia de un in metlico toma lugar gracias a la formacin de
un compuesto quelato-metlico elctricamente neutro, dnde el agente quelante
satisface tanto la valencia como el nmero de coordinacin que requiere dicho
in metlico. Aparte de enlazarse con el in metal, el extractante libera un in
hidrgeno en la solucin acuosa desde la cual extrajo el metal. Este mecanismo
involucra las oximas (Itabashi, 2003).
2.6.2. Tipo cido orgnico.
La qumica de los extractantes del tipo cido orgnico tiene algunas
caractersticas que los asemejan a los quelantes y otras a los extractantes por
solvatacin.
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Las caractersticas generales de este tipo de extractante son las
siguientes (Domic, 2001):
Menor selectividad que los extractantes quelantes.
Pueden promover emulsiones estables con soluciones alcalinas.
Operan sobre la base de un in hidrgeno cclico, similar a los
reactivos quelantes.
Cinticas de extraccin normalmente muy rpidas.
En general como clase, no son muy difciles de producir y, por lo
tanto, estn disponibles en cantidades comerciales a un costo
razonable.
2.6.3. Tipo sustitucin del ligante.
Estos extractantes tienen uno o ms pares de electrones que pueden
formar un enlace simple con el in metlico, desplazando a otras especies
(ligante) que pueden estar enlazadas formando un complejo con el metal. Es
opinin de muchos autores que este tipo de reactivos no ha sido
completamente estudiado en sus numerosas posibilidades de aplicacin y, por
ello, no se les ha utilizado comercialmente en toda su potencialidad (Domic,
2001).
2.6.4. Tipo extraccin neutra o solvatante.
Este tipo de reactivo orgnico se coordina con ciertos complejos
metlicos reemplazando sus aguas de hidratacin. El complejo rgano-metlico
resultante se vuelve insoluble en agua, y de esta manera puede pasar
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fcilmente a la fase orgnica. En general, la extraccin con reactivos del tipo
solvatante se encuentra limitada por la habilidad de las especies metlicas para
formar complejos neutros con aniones, la co-extraccin de cido a altas
concentraciones de cido y la solubilidad del complejo rgano-metlico en el
portador orgnico (Domic, 2001).
Se usa principalmente en el procesamiento de materiales nucleares, el
tri-butil-fosfato (TBP), es uno de ellos (Gupta, 2003).
2.6.5. Tipo con formacin de par inico.
Esta ltima clase de extractante est basado en el principio de
asociacin inica, en la cual una gran molcula orgnica, de carga positiva,
provoca la extraccin de un complejo metlico aninico hacia la fase orgnica,
con la correspondiente expulsin de un anin inorgnico pequeo hacia la fase
acuosa (Domic, 2001).
La aceptacin ms destacada para los reactivos de este tipo, ha sido
lograda en los procesos de recuperacin del uranio (Domic, 2001).
2.7. Conceptos importantes en extraccin por solventes.
2.7.1. Transferencia de cobre.
Masa de cobre transferida en extraccin por solventes disponible para
la produccin en el proceso siguiente de electro-depositacin.
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2.7.2. Selectividad del extractante.
Propiedad que mide la extraccin de determinadas especies en relacin
con la extraccin de otras. Esta es una importante caracterstica del extractante,
debido a que una baja selectividad produce una menor purificacin y adems
sitios activos del extractante estarn ocupados por otros elementos no
deseados, luego la capacidad de carga disminuir. Se observa que slo la
presencia de iones frricos podra ocasionar algunos problemas en la pureza
qumica de la solucin a obtener. An en este caso, la razn de extraccin
Cu2+/Fe3+ estando ambos iones presentes en la solucin en la misma
concentracin ha demostrado ser de 60/1, o mayor (Simpson, 2006).
2.7.3. Factor de carga.
Est definido como la concentracin de cobre en g/L por porcentaje v/v
de extractante. El coeficiente de carga es propio de cada extractante.
2.7.4. Carga mxima.
Es el mximo valor de concentracin de cobre determinado para una
muestra de orgnico de operacin y de acuerdo a una metodologa estndar
que consiste bsicamente en cargar el orgnico en cuestin con una solucin a
cierta concentracin de cobre y a un cierto pH. Mediante este procedimiento es
posible calcular la cantidad total y real de reactivo extractante en el orgnico de
operacin (Ardiles, 2010).
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2.7.5. Razn de transferencia.
Muestra la relacin de transferencia de cobre versus hierro hacia el
electrlito rico, esto es la razn de aporte de cobre versus hierro hacia EO. Da
cuenta de cual es cantidad de cobre transferida en la etapa de extraccin con
respecto a la cantidad de hierro adsorbida en el mismo proceso. Lo ideal es que
este valor sea muy alto (Ardiles, 2010).
2.7.6. Razn de rechazo de cobre a hierro.
Se define como la concentracin de cobre de orgnico cargado dividido
por la concentracin de hierro de orgnico cargado. Mientras ms alta la razn
de rechazo, ms cobre en el orgnico por unidad de hierro. La carga porcentual
de cobre, la formulacin del reactivo, el pH de PLS y la concentracin de hierro
tienen un efecto en la cantidad esperada de transferencia de hierro.
2.7.7. Razn de flujos orgnico/acuoso (O/A).
Para efectos del clculo de las razones externas de orgnico y acuoso
a la planta, se calculan de acuerdo a la razn de flujos de orgnico y PLS en
extraccin y orgnico y electrlito pobre en re-extraccin. Para minimizar las
prdidas de una fase en la otra despus de la separacin de fases, es
recomendable operar los mezcladores usando la razn (O/A) de operacin
cercana a 1. Dado que la razn (O/A) global puede ser mayor que 1, a menudo
es necesario recircular en los mezcladores-decantadores parte de la solucin
acuosa para alcanzar la razn de fase 1,0 en los mezcladores (Ruiz, 2009).
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2.7.8. Transferencia neta de cobre.
Indica la cantidad de cobre extrada en relacin a la cantidad de
extractante presente en el orgnico. En alguna forma es una eficiencia de la
cantidad de cobre que se carga con respecto a la concentracin de extractante
en el orgnico (Ardiles, 2010).
2.8. Controles operacionales en extraccin por solventes.
Para garantizar una operacin estable y eficiente de la Planta SX, hay
que mantener en terreno una permanente cobertura de controles, que permitan
tomar a tiempo las acciones correctivas para volver a la normalidad ante
cualquier desajuste, desestabilizacin o viraje de continuidades, por mencionar
algunos (Cognis, 2003).
A continuacin se indica un listado de controles necesarios durante el
desarrollo del proceso, con su incidencia en los resultados operacionales.
2.8.1 Tiempos de separacin de fases.
El control de los tiempos de separacin de fases de la dispersin de los
mezcladores, es un indicador de la velocidad con que van a coalescer las fases
en el decantador y de cmo van a ser los arrastres de una fase en la otra a la
salida de las soluciones del decantador. (Simpson, 2006).
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Existen diversos factores que afectan la coalescencia y por
consiguiente la velocidad de separacin de fases, entre los ms importantes
podemos mencionar:
a) Tamaos de gota, de acuerdo a observaciones de tipo general un
tamao de gota mayor incrementar la estabilidad de la dispersin.
b) Viscosidad y densidad: Generalmente es aceptado que la estabilidad
de las gotas aumenta, con el incremento de la viscosidad del medio que las
rodea. Esto resulta de la resistencia del film de la fase continua a ser removido
para alcanzar el espesor crtico que produce la ruptura.
Aumentando la diferencia de densidades entre los dos lquidos
inmiscibles, resulta un aumento en la velocidad de coalescencia. Sin embargo,
es necesario recordar que cuando un extractante es cargado con un metal,
viscosidad y densidad de la fase orgnica son aumentadas, resultando un
descenso en la velocidad de coalescencia.
c) Temperatura: La temperatura tiene un efecto altamente significativo
en la caracterstica de separacin de fases, y en menor medida sobre la cintica
de las reacciones. Hay que considerar que un incremento en la temperatura de
las soluciones no solo encarece el proceso, por el hecho de que se favorece la
evaporacin del diluyente, con lo que se concentra la fase orgnica haciendo
variar las condiciones de operacin.
d) Efecto de slidos: la presencia de partculas slidas dispersas en las
soluciones de extraccin por solventes, especialmente cuando estn al estado
coloidal, generan la formacin de borras en los decantadores y tambin afectan
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los arrastres, lo que en ambos casos se traduce en prdidas de solvente
orgnico.
2.8.2. Altura de las capas de orgnico.
El control de las alturas de las capas de orgnico en los decantadores
es importante por la incidencia en la velocidad de desplazamiento del orgnico
en el decantador, por lo tanto es determinante en el control de arrastres o
prdidas de orgnico (Cognis, 2003).
2.8.3. Altura de las bandas de dispersin.
El control de las bandas de dispersin permite saber cmo est
ocurriendo la separacin de las fases en el decantador, ya que sta desaparece
a medida que las fases coalescen (Cognis, 2003).
2.8.4. Continuidad de fases.
Al realizarse la mezcla de dos fases inmiscibles, una de ellas se
encontrar dispersa en la otra, cuando la fase acuosa es la dispersa, se habla
de continuidad orgnica y a la inversa es acuosa cuando la fase orgnica est
dispersa en el acuoso. La continuidad tiene mucha importancia en los arrastres
fsicos de una fase en la otra, despus de la separacin (Cognis, 2003).
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Figura 3: Continuidad acuosa y orgnica.
2.8.5. Arrastres de orgnico en acuoso.
La contaminacin de orgnico en acuoso O/A, es el volumen de
orgnico (ppm) que es arrastrado por la fase acuosa.
El control de los atrapamientos de orgnico permite cuantificar las
prdidas de orgnico que por este concepto se producen en las soluciones de
refino y electrlito rico. El conocimiento de la cantidad de los arrastres hace
posible tomar acciones para minimizarlos y de esta forma evitar contaminar las
pilas de lixiviacin, contaminar las celdas y ctodos obtenidos y reducir los
consumos de reactivo (Cognis, 2003).
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2.8.6. Arrastres de acuoso en orgnico.
La contaminacin de acuoso en orgnico A/O, es el volumen de acuoso
(ppm) que es arrastrado por la fase orgnica. El orgnico cargado, de contener
altos arrastres de acuoso podra causar un aumento paulatino de los niveles de
impurezas en el electrlito, solucin que debe ser lo ms pura posible. Por otro
lado, los arrastres de electrlito de alta acidez en el orgnico descargado que
pasa de re-extraccin a extraccin, podran producir un aumento de la acidez
en la ltima etapa de extraccin, disminuyendo la eficiencia (Cruz, 2007).
2.8.7. Velocidad de agitacin.
El mecanismo de agitacin cumple con dos funciones: Realizar una
agitacin efectiva, es decir, producir una dispersin apropiada de las 2 fases
para que se produzca la reaccin qumica y succionar la fase acuosa y orgnica
de las etapas adyacentes para evitar la necesidad de instalar bombas de
transferencia inter-etapas. Una buena agitacin producir gotas de la fase
dispersa pequea que favorece la velocidad de extraccin (re-extraccin). Una
mala agitacin producir gotas de la fase dispersa muy grandes, provocando
velocidades lentas del pro