CARACTERIZACION DE CELDAS DE FLOTACION DE GRAN TAMAÑO

JUAN YIANATOS B.

Centro de Automatización y Supervisión para la Industria Minera, CASIM Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Técnica Federico Santa Maria.

Instituto de Ingenieros de Minas de Perú, Lima, 8 Mayo 2014

CONTENIDO

INTRODUCCION

AVANCES EN TECNOLOGIA Y CONOCIMIENTO

MEDICIONES EN PLANTA

• DTR y Dispersión de Gas

• Carga de Burbuja y Capacidad de Transporte

• Arrastre

ESCALAMIENTO

CONCLUSIONES

INTRODUCCION

IMPACTO

Flotación (Tratamiento Mundial) > 2500-3000 Mton/año

DESAFIOS

Aumento demanda (aumento tamaño equipos)

Disminución en calidad del mineral (ej.: leyes de 0.3-0.4% Cu)

Escalamiento de celdas de gran tamaño

COMPROMISO Recuperación y Ley de concentrado final

CELDAS MECANICAS

Últimos 20-25 años

250 m3

300 m3 100 m3

160 m3

300 m3

600 m3 • CELDAS MECANICAS CIRCULARES • COLUMNAS CIRCULARES O RECTANGULARES

DISEÑO DE CELDAS

Celdas de flotación mecánicas

• CIRCULACION DE PULPA A TRAVÉS DEL ROTOR

• AUTO ASPIRANTES

• ROTOR CERCANO AL TOPE

AIRE

• CIRCULACION ABIERTA

• AIRE FORZADO

• ROTOR EN EL FONDO

AIRE

ALIM

RELAVE

ALIM

RELAVE

COLUMNAS DE FLOTACION

Canadiense (Contacto: contra-corriente)

COLA

AGUA

AIRE

ALIM.

CONC.

AGUA LAVADO

Circulares : 5 m diám. x 14 m altura Rectangulares : 6 x 4 x 14 m

COLUMNAS DE FLOTACION

ALIM.

CONC.

AGUA LAVADO

AIRE

COLA

Microcel Cavitación

CELDAS NEUMATICAS

Celda Jameson G-cell Contacto co-corriente

AIRE AUTO

ASPIRANTE

COLA

ALIM.

AGUA LAVADO

CONC.

CONC.

COLA

AIRE

ALIM.

CONTENIDO

INTRODUCCION

AVANCES EN TECNOLOGIA Y CONOCIMIENTO

MEDICIONES EN PLANTA

• DTR y Dispersión de Gas

• Carga de Burbuja y Capacidad de Transporte

• Arrastre

ESCALAMIENTO

CONCLUSIONES

AVANCES EN TECNOLOGIA

Nuevos desafíos:

- Dispersión: potencia específica (disminuye) - Espuma : transporte y descarga

- Diseño : aceleradores de espuma

rebalses internos

- Mayor tamaño y bancos (<N)

BANCOS DE FLOTACION ARREGLOS Y PUNTOS DE CONTROL

CONCENTRADOR VOLUMEN m 3

N Puntos de Control LINEA DIAGRAMA

Esperanza 300 7

4 1 - 2 - 2 - 2

Candelaria 130

10

5 2 - 2 - 2 - 2 - 2

130 9

5 1 - 2 - 2 - 2 - 2

Pelambre 250

5

5 1 - 1 - 1 - 1 - 1

Chuquicamata 160 8

4 2 - 2 - 2 - 2

160 9

7 1 - 1 - 1 - 1 - 2 - 2 - 1

Escondida

100

10

4 2 - 2 - 3 - 3

130 9

5 1 - 2 - 2 - 2 - 2

Collahuasi 160

9

5 1 - 2 - 2 - 2 - 2

Andina 100 8

4 2 - 2 - 2 - 2

AVANCES EN CONOCIMIENTO

Celdas industriales Dos zonas independientes: Colección y espuma Banco de flotación: Sistema distribuido

ESPUMA

PULPA COLA

COLECCIÓN ARRASTRE

CONC.

RETORNO

ALIM.

Recuperación: Cinética de colección y DTR

( ) ( ) ( )0 0

1 ktCR e F k E t dkdtR

∞ ∞−

∞

= −∫ ∫

AVANCES EN LA MODELACION

Efecto del mineral: Tamaño (Liberación) Efecto del tipo de celda y arreglo

0 1 2 3 40

0.5

1

1.5

2

k, min-1

F(k)

, min

δ(k-kB)

RectangularWeibullGamma

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5Dimensionless time, θ

Dim

ensi

onle

ss R

TD

, E( θ

)

130 m3

250 m3LTST Model

AVANCES EN CONOCIMIENTO

Recuperación en la zona de espuma

B G CB J Aλ= ⋅ ⋅

FC cRB b⋅

=⋅

Transporte masa (interfase pulpa/espuma)

Recuperación de Espuma

c, b : Leyes

CONTENIDO

INTRODUCCION

AVANCES EN TECNOLOGIA Y CONOCIMIENTO

MEDICIONES EN PLANTA

• DTR y Dispersión de Gas

• Carga de Burbuja y Capacidad de Transporte

• Arrastre

ESCALAMIENTO

CONCLUSIONES

PLANTAS DE FLOTACION

Datos Celdas Mecánicas: Auto-aspirantes Aire forzado

Tamaños:10-20-45-100-130-160-200-250-300 m3

Datos Columnas: Tamaños: 2x6, 2x8, 2x10, 4x4; D:1-4m

MEDICIONES EN PLANTA

DISTRIBUCION DE TIEMPO DE RESIDENCIA Y MEZCLADO

DISPERSION DE GAS Flujo superficial de gas Distribución de tamaño de burbujas

CARGA DE BURBUJAS

CAPACIDAD DE TRANSPORTE

ARRASTRE

DISTRIBUCION DE TIEMPO DE RESIDENCIA

E (t)

t

E (t)

t

Trazador (Impulso)

Respuesta Impulso (RTD)

Líquido: Br-82 Sólido : no-flotable clases de tamaño flotable Gas : Kriptón-85 Freón 13B1

TECNICA DE TRAZADO RADIOACTIVO (CCHEN)

MEDICION DTR EN BANCOS DE FLOTACION

1 1 2 4 5 7 3 6

E(t)

t τ

FEED

RTD

CELL1 RTD

CELLS 1 to 3 RTD

CELLS 1 to 5 RTD

CELLS 1 to 7

TAIL

CONCENTRATE

0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

0.0035

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Time, s

RTD

, E(t)

Cells number N1 1.33 3.15 4.97 6.8

)()/()/exp()

1

NNtNtE(t N

N

Γ−

=−

ττN=1

N=3

N=5

N=7

DISTRIBUCION DEL FLUJO DE PULPA

Volumen efectivo Flujo by-pass Problemas de embanque Distribución de pulpa

0.0000

0.0004

0.0008

0.0012

0.0016

0.0020

0.0024

0.0028

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

time, s

RTD

Data cell 3

By-pass flow model

SEGREGACION DE SOLIDO

Segregación de sólido en la pulpa por clase de tamaño

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

0 50 100 150 200 250

(Tie

mpo

Sól

ido)

/(Tie

mpo

Líq

uido

)

Tamaño Medio, micrones

Data

Overall

MEDICION DTR GAS

0

100

200

300

400

500

600

0 50 100 150 200 250 300

Time, s

Rad

ioac

tivity

, cps

.

LSTS Model

Sensor S5

Sensor S4

0

100

200

300

400

500

0 5 10 15

Gas Holdup, %

Cel

l dep

th, c

m

.

Exp 1 Exp 2 Exp 3 Direct Measurement

Interface S1

S2

S3

S4

CONCENTRACION GAS

DTR GAS

TIEMPO DE RESIDENCIA DE LA ESPUMA

Tiempo medio de residencia en una celda Rougher de 130m3: Sólidos por clase de tamaño y líquido.

FEED

CONCENTRATE

TAIL

PULP

FROTH

S1 S2

S3

S4INTERFACE

INJECTION POINT

SENSOR

FEED

CONCENTRATE

TAIL

PULP

FROTH

S1 S2

S3

S4INTERFACE

INJECTION POINT

SENSOR

Tiempo medio de residencia, s No flotable: Sólido Fino 11.7

Medio 8.9 Grueso 11.3 Prom. 11.9

Flotable: Sólido Prom. 24.4 Liquido: 21.4

MEDICION DEL ARRASTRE

0,0E+00

5,0E+04

1,0E+05

1,5E+05

2,0E+05

0 200 400 600 800 1000

Time (s)

Fine

gan

gue

trace

r flo

w (c

ps/s

) .

0,0E+00

2,5E+03

5,0E+03

7,5E+03

1,0E+04

Tail

Concentrate

• Celdas Rougher de 130 m3

• Muestreo cuantitativo en línea.

Recuperación de agua y arrastre de ganga

EVALUACION DEL ARRASTRE

MODELO DE ARRASTRE

FACTOR ADIMENSIONAL PARA EL ARRASTRE DE GANGA

,93 p ii

dEF exp 0,6

δ

Φ = −

gii

w

REF =

R

Fact

or d

e A

rrast

re E

F i

DISPERSION DE GAS

Sistema de medición: Visor de burbujas (McGill)

Tamaño de burbuja, D32 (mm): Diámetro Sauter Flujo superficial de gas, JG (cm/s) = QG/AC

DISTRIBUCION DE TAMAÑO DE BURBUJAS

Desarrollo de software USM-IMA:

dB: 1-2 mm

(b) (c) (d)

clusters overlapped, non-separated

(b) (c) (d)

(a)

Análisis de imágenes

( ) ( )0.77 0.0932 0.77 0.11 GJD e ± ⋅= ± ⋅

CORRELACION GENERAL D32 vs JG

FLUJO DE SUPERFICIE DE BURBUJA

32

6 GB

JSd

=

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2

Velocidad Superficial de Gas, cm/s

Diá

met

ro S

aute

r, m

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Sb,

1/s

d32 Sauter (mm)SB (1/s)D

iám

etro

Sau

ter D

32, m

m

Velocidad superficial de gas JG, cm/s

SB , 1/s

Banco de celdas de 160m3

MEDICION DE CARGA DE BURBUJA

Carga de burbuja, λ (g/L) Flujo superficial de gas, JG (cm/s)

Espuma

Pulpa

B Gas en ascenso

Interfase

A

D

C

CUBRIMIENTO DE BURBUJAS

dBS = 1.6 mm

dPS = 46 µm

JG = 1.6 cm/s 7%Sϕ =

dBS =5.4 mm

dPS =31-58 µm

JG =1.6 cm /s 30%Sϕ =

B BSS

p PS

dd

λϕπρ

=

CAPACIDAD DE TRANSPORTE

Capacidad de transporte por flotación verdadera, t/h/m2

6B

R S PS p FSC d Rπϕ ρ= ×

Plant D80, µm DPS, µm

A1 186 45.7 A2 184 46.2 A3 195 58.2 A4 226 73.5 A5 205 55.8 B1 150 39.3 B2 132 35.3

CONTENIDO

INTRODUCCION

AVANCES EN TECNOLOGIA Y CONOCIMIENTO

MEDICIONES EN PLANTA

• DTR y Dispersión de Gas

• Carga de Burbuja y Capacidad de Transporte

• Arrastre

ESCALAMIENTO

CONCLUSIONES

ALIM.

PULPA

ESCALAMIENTO DE CELDAS DE FLOTACION

COLA PROCESO DE COLECCION

CONC. ESPUMA PROMEDIO (APARENTE)

α= ⋅APP Ck k

MEZCLADOR NO-IDEAL

(N≠1)

SEGREGACION DE SOLIDO

ACk β γ= ⋅ ⋅Ck

NUEVO ENFOQUE

kAC

APP ACk k α β γ= ⋅ ⋅ ⋅

Efecto de la espuma

Segregación de sólido

Régimen de mezcla

AC

B

kk

ξ =FACTOR DE ESCALA

APP

B

kk

ξ α β γ= ⋅ ⋅ ⋅NUEVO ENFOQUE

FACTOR DE ESCALAMIENTO CINETICO

FACTOR DE ESCALA DE TIEMPO

Elementos clave: • Cinética batch estándar • Cinética de flotación en Planta • Ajuste de balance de masa

( ),P

B

Nϕ ηττ ξ α β γ

=⋅ ⋅ ⋅

Efecto Espuma Segregación

Sólido Régimen Mezcla

Factor de escalamiento para cinética de flotación:

AC

B

kk

ξ =

PLANTA / BATCH

APP

B

kk

α β γ= ⋅ ⋅ ⋅ξEJEMPLO PARA UNA CELDA

AC

B

kk

ξ =

ESCALAMIENTO CINETICO

CASO DE ESTUDIO: Celdas de 160 y 300 m3

PLANTA (kAPP)

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8Cell number

Cu

reco

very

, % .

Test 1

Test 2

Línea Rougher: Ocho celdas de 160 m3

Método corto

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15Time, min

Cu

Rec

over

y, %

Data L1

Model

BATCH (kB)

Muestra de alimentación

Triplicado

CARACTERIZACION METALURGICA

Celda, m3 300 160

Recuperación Global, RG (%) 64.1 49.6 Recuperación Espuma, RF (%) 62.2 50.1 Recuperación Colección, RC (%) 74.2 66.3 RMAX (%) 91.7 91.5 kAPP (global) min-1 1.5 1.3 kC (colección) min-1 3.2 2.9

Factor α = kAPP/kC 0.48 0.44

EFECTO DE LA ESPUMA:

ESTIMACION DEL FACTOR DE ESPUMA

APP

C

kk

α =

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0 200 400 600 800 1000 1200

Time, s

E(t),

1/s

Data

Model

N=0.81

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014

0 200 400 600 800 1000

Time, s

E(t),

1/s

Data

Model

N=0.79300 m3 160 m3

Factor β (N≠1)

CARACTERIZACION HIDRODINAMICA

EFECTO DE MEZCLA (N≠1):

Celda, m3 300 160

η= RC/RMAX 0.83 0.74

ϕ , N=1 (ideal) 2.93 2.35

N (real) 0.81 0.79

ϕ , N (real) 3.86 3.02

Factor β 0.76 0.78

ESTIMACION DEL FACTOR DE MEZCLA

( )

( )

1

1C

N

N

ϕ

ϕβ

η

=

≠

=

Celda, m3 300 160

τS 4.9 4.1 3.2 2.6

τL 5.5 4.6 3.6 2.9

0.891 0.891 0.889 0.897

Factor γ 0.89 0.89

S Lτ τ

SEGREGACION DE SOLIDO:

ESTIMACION DEL FACTOR DE SEGREGACION

S

L

γ ττ

=

CELDA, m3 Espuma

α

Mezcla

β

Segregación

γ

Factor de

escalamiento kAC / kB

300 0.48 0.76 0.89 0.74

160 0.44 0.78 0.89 0.69

FACTOR DE ESCALAMIENTO CINETICO

ESCALAMIENTO Y SIMULACION

0

5

10

15

20

25

30

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Cum

ulat

ive

Cu

grad

e (%

).

Cum

ulat

ive

Cu

Recc

over

y,%

Fr

oth

Dep

th, c

m

Cell Number

Froth depth

Rec. model

Rec. data

Grade model

Grade data

OPERACION DIMENSIONAMIENTO DE CIRCUITO

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30Time, min

Cu

reco

very

, %

TC 300

OK 160

Cell 8OK-160

Cell 4TC-300

APLICACIONES

Simulación Modelación de la zona de espuma y colección

Benchmarking Comparación entre diferentes tecnologías Planificación Predicción de comportamientos de la planta

Escalamiento y Diseño Desarrollo de nuevos circuitos de flotación.

CONCLUSIONES

Se ha desarrollado y validado un procedimiento de diagnóstico y caracterización de celdas de flotación.

Se han evaluado parámetros claves como el tiempo de residencia, flujo de área burbuja, recuperación de espuma y arrastre.

Para la caracterización se midieron variables de operación tales como carga de burbuja, tamaño de burbuja, DTR de sólido, líquido y gas, y el arrastre de ganga.

Esta metodología es útil para evaluación de celdas industriales, identificación de condiciones límite, criterios de escalamiento y predicción del rendimiento de planta.

CARACTERIZACION DE CELDAS DE FLOTACION DE GRAN TAMAÑO

JUAN YIANATOS B.

Centro de Automatización y Supervisión para la Industria Minera, CASIM Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Técnica Federico Santa Maria.

Instituto de Ingenieros de Minas de Perú, Lima, 8 Mayo 2014

TRANSPORTE DE ESPUMA

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Altu

ra s

obre

el r

ebal

se, c

m

Distancia desde pared de rebalse, cm

Coalescencia de burbujas

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Altu

ra s

obre

el r

ebal

se, c

m

Distancia desde pared de rebalse, cm

JG = 1.2 cm/s hD = 4 cm

JG = 1.8 cm/s hD = 2 cm

MEDICION TOPE DE ESPUMA

Medición Tope de Espuma (TOF)

El TOF permite estimar la ley y la distribucion de tamaño del mineral colectado que llega a la espuma.

Froth

Top of frothSample

0

10

20

30

40

50

0 10 20 30 40 50

Top

of F

roth

Gra

de o

f Cu,

%

Bubble Load Grade of Cu, %

Plant A Plant B Plant C Plant D Plant E Plant F ± 20%

TOPE DE ESPUMA VS CARGA DE BURBUJA

0

10

20

30

40

50

0 10 20 30 40 50

Top

of F

roth

Gra

de o

f Cu,

%

Bubble Load Grade of Cu, %

−45μm −75μm +45μm −150μm +75μm +150μm ± 20%

PERFIL TOF

Perfil de leyes en un banco de flotación de planta piloto, 7 celdas

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7

TOF

and

Con

c. g

rade

of C

u, %

Cu

Rec

over

y, %

Cell Number

Cu Recovery TOF grade Conc. Grade

TRANSPORTE DE ESPUMA

Imagen de cámara de alta resolución

Espuma en celda prototipo bi-dimensional

Interfase

hD

Distribución de velocidad de burbujas en la espuma

JG = 1.2 cm/s hD = 4 cm

JG = 1.8 cm/s hD = 2 cm

TRANSPORTE DE ESPUMA

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70

Tiem

po d

e re

side

ncoi

a de

bur

buja

,s

Distancia desde pared de rebalse, cm

Jg: 1.2 cm/s ; hD: 2 cms Jg: 1.2 cm/s ; hD: 4 cms Jg: 1.8 cm/s ; hD: 2 cms

TRANSPORTE DE ESPUMA

Tiempo de residencia de burbujas en la espuma Celda Prototipo Bi-dimensional

ESTIMACION DE PARAMETROS

MEDICION DE CARGA DE BURBUJA

• Recuperación de espuma

• Recuperación de colección

APP

C

kk

α =BALANCE DE MASA

EFECTO ESPUMA

EFECTO DE MEZCLA

C ACk k β γ= ⋅ ⋅

MEZCLADOR PERFECTO (N=1)

Mezcla actual, N≠1

TECNICA DE TRAZADO RADIACTIVO LIQUIDO, DTR

( )

( )

1

1C

N

N

ϕ

ϕβ

η

=

≠

=

ZONA DE COLECCION

TECNICA DE TRAZADO RADIACTIVO

Tiempo medio de residencia del sólido

Tiempo medio de residencia del líquido

S

L

γ ττ

=

C ACk k β= ⋅ ⋅ γZONA DE COLECCION

DTR de sólido y líquido

EFECTO SEGREGACION SOLIDO

MOLIENDA : Capacidad vs Tamaño Partícula

FLOTACION : Tamaño Partícula vs Ley-Recuperación

FUNDICION : Ley vs costos

INTRODUCCION