SEPARACION MAGNÉTICA Y ELECTROSTÁTICA

Mauricio Aristizabal

Alejandra Naranjo

Andrés Betancur

Jefferson Restrepo

Manejo de sólidos

Facultad de Ingeniería – Universidad de Antioquia

Departamento de Ingeniería Química

Junio12 de 2012.

RESUMEN En este trabajo se realizó la descripción e ilustración del fenómeno de separación magnética y electrostática ilustrando además el aprovechamiento a nivel industrial de dichos fenómenos, los equipos empleados a gran escala y los campos de aplicación a demás de los factores energéticos implicados en el proceso de separación magnética y electrostática.

OBJETIVOS

La separación magnética busca principalmente aprovechar las propiedades magnéticas de un material determinado, ferroso en la mayoría de los casos, para separarlo de una mezcla de sólidos.

La separación electrostática busca cargar superficialmente uno de los materiales de una mezcla, para que este sea repelido y por ende separado de la misma.

La separación electromagnética consiste principalmente en la inducción de un campo sea eléctrico o magnético, sobre una mezcla, aprovechando las propiedades de sus componentes con el fin de separarlos.

CAMPOS DE APLICACIÓN Entre los campos de aplicación de este método de separación podemos encontrar: agregados, cerámica, carbón, alimentos, vidrio, metalmecánica, minería, empaques, farmacéuticos, plásticos, reciclaje.

1. SEPARACIÓN MAGNÉTICA

Los principios de separación magnética han sido aplicados comercialmente por más de cien años.

Las aplicaciones de dichos principios varían desde la separación de partículas de hierro hasta

separaciones más sofisticadas tales como la eliminación de materiales magnéticamente débiles

como óxidos de hierro.

Los avances en los diseños de los separadores han permitido la aplicación de los principios de este

tipo de operación, y actualmente es usada tan ampliamente, que se observa tanto a escala de

laboratorio, como a escala industrial en el procesamiento de toneladas de materiales por hora.

La selección del mejor equipo de separación para determinada aplicación requiere la comprensión

de los principios básicos del magnetismo, además de la capacidad del separador en base a las

variables de diseño y de aplicación, tales como el tipo de material, el tipo de proceso: húmedo o

seco, tamaño de las partículas, características magnéticas de la alimentación, velocidad de

procesamiento deseada y otras.

1.1 PRINCIPIOS DE LA OPERACIÓN.

Cualquier partícula sometida a un campo magnético es magnetizada en algún grado y actúa como

un dipolo magnético

Dependiendo de las características magnéticas los materiales pueden ser clasificados en:

• Ferromagnéticos: Materiales que pueden ser magnetizados de forma permanente y que

tienen momentos magnéticos por unidad de volumen de gran magnitud.

• Paramagnéticos: Son materiales que además pueden ser clasificados en magnéticamente

fuertes o magnéticamente débiles de acuerdo a la fuerza del momento magnético

producido por unidad de volumen en un campo magnético externo.

• Diamagnéticos: Materiales que son repelidos por un campo magnético.

Un campo magnético puede ser producido en diferentes formas y geometrías. Para un imán el

campo se representa como un conjunto de líneas conocidas como líneas de fuerza magnética.

Figura 1. Líneas de fuerza magnética que rodean un imán tipo barra

Figura 1. Líneas de fuerza magnética que rodean un imán tipo barra

La intensidad de campo magnético (H) se mide en amperios/metro, y es una variable que

depende de la corriente eléctrica que genera el campo magnético, de la geometría y otras

variables como el número de espiras del dispositivo que lo genera.

La densidad de flux magnético (B) se calcula como la suma de la intensidad de campo magnético

con la magnetización inducida (M), que se mide en amperios/metro, multiplicada por la constante

de permeabilidad de espacio vacío (μO) , dicha densidad se mide en Teslas.

B = μO ( H + M )

La susceptibilidad magnética (χ) se define como la relación entre la magnitud de la magnetización

inducida y la intensidad del campo magnético:

χ = M/H

La susceptibilidad magnética específica (ψ) se define respecto a la densidad del material:

ψ = χ/ρ

De acuerdo con esta propiedad se observan los siguientes comportamientos:

• Sustancias paramagnéticas: Tienen susceptibilidades positivas, y con magnetización

inducida se aumenta la densidad de flux magnético dentro del material

• Sustancias diamagnéticas: Tienen susceptibilidades negativas, y con magnetización

inducida se cancela parte de la intensidad del campo magnético

En la tabla 1 se listan las susceptibilidades magnéticas de algunos materiales. La magnetización de

varios materiales depende de forma directa de dos factores:

1. El grado de susceptibilidad magnética

2. La intensidad del campo magnético aplicado

Tabla 1. Susceptibilidad magnética de algunos elementos y minerales

En la figura 2 se observa como los materiales ferromagnéticos se saturan magnéticamente de

forma rápida de tal modo que en cierto punto un incremento en la intensidad de campo

magnético no tendrá efecto. Para materiales paramagnéticos como la hematita, que son más

difíciles de magnetizar la densidad de flux magnético es directamente proporcional a la intensidad

de campo magnético, y muchas de estas sustancias prácticamente no pueden ser saturadas.

Fig. 2. Curvas de magnetización para materiales ferromagnéticos y paramagnéticos

En general, las características magnéticas de un material pueden cambiar en función de los

esfuerzos del material, temperatura, presión y tratamiento químico. Por ello, cuando dos

materiales paramagnéticos necesitan separarse, un posible pretratamiento químico con el fin de

facilitar la separación magnética debería ser tenido en cuenta.

Con el fin de retener la fracción magnética de un volumen de material en el separador magnético,

es necesario que:

Fm ≥ Fd + Fg

Donde:

Fm: Fuerza de tracción magnética. Se calcula como: Fm = m dB/dzFd:

Fuerza de arrastre hidrodinámico. Se calcula como: Fd = 3πηbv

Fg: Fuerza gravitacional

Donde: m =Magnetización caracterización de la partícula (m = χHV)

H =Intensidad de campo magnético dB/dz =Gradiente de campo magnético η =Viscosidad del fluido b =Diámetro de la partícula v =Velocidad del fluido V =Volumen de la partícula χ =Permeabilidad magnética de la partícula

Un análisis de las ecuaciones mostradas indica que las separaciones entre partículas con

susceptibilidades magnéticas cercanas pueden realizarse con éxito sólo si la distribución de

tamaño de partículas está en un rango relativamente estrecho. La influencia de la fuerza

gravitacional es dependiente de la dirección relativa del flujo de la suspensión. Cabe señalar que

una separación magnética efectiva requiere que partículas de diferentes especies sean liberadas

de las otras. También es importante que se usen las matrices más finas posibles (tipo

filamentosas) porque éstas producen los más altos gradientes de campo magnético. El uso de

matrices que producen grandes gradientes puede reducir sustancialmente la intensidad del campo

magnético (fuerza del imán) requerida para obtener los mismos resultados de separación,

reduciendo así la inversión de capital y los costos del proceso. Los resultados más económicos se

obtienen cuando los diámetros de los filamentos de la matriz se hacen coincidir con el tamaño de

las partículas que están siendo procesadas.

2. Separadores Electromagnéticos

El diseño de los separadores difiere según los distintos tipos de materiales que se van a separar; en

general, los dispositivos de separación magnética se pueden agrupar como sigue:

2.1 Imanes tipo parrilla

Este tipo de dispositivos consta de una serie de tubos (a menudo de acero inoxidable) que están

rellenos con imanes de cerámica e instalados en una trampa perpendicular al flujo de

alimentación. Los imanes en rejilla se utilizan para la eliminación en seco y húmedo de partículas

de hierro gruesas y finas. Los diferentes diseños disponibles de este equipo incluyen:

Rejillas con auto limpieza

Parrillas magnéticas tipo ala-cajón

Parrillas magnéticas permanentes

Parrillas magnéticas vibratorias

Parrillas magnéticas giratorias

Cada uno de estos diseños se fabrica en varios tamaños, con hileras sencillas o múltiples (bancos)

de tubos magneticos.las aplicaciones incluyen las trampas de material magnético para

suspensiones como por ejemplo detergentes (en las plantas químicas), el azúcar y el dulce en las

fabricas de alimentos, la recirculación de tinta (en las operaciones de impresión o la pulpa en las

fabricas de papel.

Las parrillas se pueden instalar en todo tipo de circuitos de material pulverizado y seco, donde

pueda ocurrir contaminación o accidentes a causa de partículas de hierro finas o atrapadas.

2.2 Imanes tipo placa y gibas

Estos dispositivos se utilizan para eliminar partículas de hierro que contienen lo materiales

transportados de forma neumática o con un flujo descendente producido por la fuerza de la

gravedad (caída libre). Las partículas de hierro se eliminan al ser atrapadas por una placa

magnetizada que debe limpiarse en forma periódica. Se recomienda un ángulo para la rampa de

45°. La placa imán debe estar cerca del punto de alimentación para eliminar el efecto de la

velocidad. Diversos fabricantes ofrecen líneas completas de imanes placa y gibas magnéticas.

Los imanes de placa que se utilizan en rampas pueden ser imanes permanentes o electroimanes.

Para el tipo de imán permanente el ancho del mismo se extiende hasta 1,23 m, con un ancho

máximo de 2,85 m para los electroimanes.las capacidades son de aproximadamente 250 m3/h por

cada metro de ancho, para un ángulo de 45° y el imán colocado en el fondo de la rampa

aproximadamente a 0.6 m de la parte superior con el material introducido a una velocidad baja. La

capacidad varía de acuerdo con el diámetro de las partículas de hierro que es necesario eliminar

con el ángulo de la rampa. (véase Tabla 2.)

Capacidad relativa %

Tamaño de partícula Ángulo de la rampa, 35°

Ángulo de la rampa, 45°

Ángulo de la rampa 60°

Más de 30 g (1 onza) 125 100 75

Más De 8 Mallas (2.38mm) Hasta 30 G

100 45 45

Menos De 8 Mallas (2.38mm)

33 10 10

Tabla 2. Eliminación de hierro en trampa con un imán de placa a 0,6 m de la parte superior*

*cortesía de Eriez Magnetics

2.3 Imanes elevadores

Estos dispositivos operan en forma continua o cíclica, por lo general, los imanes continuos tienen

una banda que se desplaza sobre los polos del imán elevador para transportar las partículas

magnetizadas hacia una región donde el campo magnético es bajo, o bien tiene un valor igual a

cero donde se descargan. Dependiendo del diseño de los polos, estas unidades pueden ser

dispositivos de alta o baja intensidad. En la figura 3 se muestran los métodos de línea o de banda

transversal para la instalación de un imán elevador situado sobre un transportador de banda.

Los separadores magnéticos tipo banda transversal se basan en el mismo principio de los imanes

de elevación, a pesar de que estas unidades tienen capacidades relativamente bajas la misma

unidad puede producir separaciones selectivas, con diferentes productos, al utilizar diferentes

intervalos en los polos en intensidades de campo distintas (ver figura 4).

El diseño de los imanes mostrado en las figuras 3 y 4 se utiliza para la eliminación de hierro. Los

imanes suspendidos se colocan entre 5 y 10 cm por encima del punto más elevado del material

sobre el transportador y pueden diseñarse de tal modo que sean autolimpiables. Las dimensiones

para los dispositivos de este tipo varían desde 2.8 a 1.6 m. A menudo, se prefiere la instalación

mostrada en la figura 3.a por que requiere de imanes menos potentes y puede limpiar el material

contenido en un transportador de cinta de alta velocidad (superior a 1,75 m/s). Para las unidades

equipadas con auto limpieza, la velocidad de la cinta es de hasta 2.5 m/s.

(a) (b) (c)

Fig. 3. Tipos de imanes elevadores (a) imán elevador en línea inclinado. (b) imán elevador en línea (c) Imán elevador

para cinta transversal

Fig. 4. Separador magnético para 7 cintas transversales con 6 polos

2.4 Imanes de tambor y polea

Desde que Tomas Edison inventó y desarrolló la polea magnética para la concentración de mineral

de níquel, los tambores y poleas se han convertido en el tipo más común de separadores

magnéticos. Estos dispositivos se pueden construir con un gran

imán permanente o con un electroimán; el separador de tambor

puede operar con alimentaciones secas o húmedas. En la figura

5 aparece el diagrama esquemático para el montaje de una

polea magnética.

Los tambores magnéticos que operan en seco se pueden diseñar

para funcionar como imanes o como poleas elevadoras. Los

dispositivos con tambores magnéticos tienen imanes

estacionarios mientras que los tambores de las poleas giran. En

la figura 6 se presentan otros diagramas de posibles disposiciones.

fig. 5. Polea magnética

En la categoría de separadores de tambor, vale la pena mencionar varios dispositivos

especializados:

2.4.1 Separador de tambor de polaridad alterna

Este dispositivo se utiliza para el tratamiento de material grueso (de menos de 40 mm a mas de

0,15 mm) que contiene partículas fuertemente magnéticas, cuando se requiere un concentrado de

alto grado la capacidad de este dispositivo varía con el diámetro de la partícula alimentada hasta

100 Tm/ (h*m).

2.4.2 Separador de tambor unigap

Este dispositivo se utiliza para materiales más finos que 6 mm y con velocidades de alimentación

hasta de 10 Tm/ (h*m).

2.4.3 Separador magnético de tambor de baja

intensidad y alta velocidad

Este dispositivo está diseñado para manejar materiales

muy finos (menos de 0,15 mm y más finos) para producir

un concentrado magnético de alto grado.

Dependiendo de los resultados requeridos (alta

recuperación de productos magnéticos o concentrados

de grao elevado, es decir limpios de productos

magnéticos), los separadores de tambor en húmedo

están diseñados para operar con flujo en paralelo, a

contracorriente o a contra rotación. Al utilizar uno o más

tambores en cualquier combinación posible. En la figura

7 aparecen los esquemas de estos separadores

magnéticos de tambor por vía húmeda.

Fig. 6. Disposición de separadores magnéticos tipo tambor. (a) tambor magnético operando como imán elevador. (b)

tambor magnético operando como una polea (adaptado a un diseño cortesía de Eriez magnetics)

2.5 Poleas magnéticas

Estos dispositivos tienen un tamaño que varía entre 0.203 y

1,219 m de diámetro y entre 2,03 y 1,526 m de ancho. El

espesor aceptable de material sobre la banda del

transportador depende del diámetro de la polea y de la

velocidad lineal de la banda (ver tabla 3). En la tabla 4 se

indica la capacidad máxima de estas unidades. Dependiendo

de la aplicación de los factores de corrección a emplear

aparecen en la tabla 5 para el cálculo de las dimensiones y

la eficiencia máxima se multiplica el volumen real de

material a manejar por el factor de corrección mostrado y

se selecciona una polea magnética que tenga una capacidad

igual o mayor que el volumen resultante.

Fig 7. Disposiciones para dispositivos separadores de tambor

magnético por vía húmeda. (a) tipo separador de tambor magnético en

contrarrotación. (b) tipo de separador de doble tambor magnético en

corriente directa. (c) tipo de separador doble tambor magnético a contracorriente.

diámetro de polea en mm

velocidad de la cinta en m/s

espesor del material en mm

203 0,584 38

305 0,89 70

380 1,017 89

508 1,271 121

610 1,448 140

762 1,678 165

914 1,855 191

1067 2,033 210

1219 2,211 235

Tabla 3. Espesor máximo del material para poleas

magnéticas según el diámetro de la polea y la

velocidad de la cinta transportadora.

Diámetro de polea en mm

Ancho de la cinta en mm

Velocidad de la cinta en m/s

Capacidad m3/h

203

203

0,585

12,2

406 24,9

610 62,3

914 133

381

305

1,017

38

406 50

610 113

914 255

1219 515

457

305

1,143

47

406 59

610 130

914 300

1219 623

610

406

1,448

88

610 170

914 374

1219 755

1524 1133

914

457

1,855

153

610 218

914 481

1219 935

1529 1500

Tabla 4 . Capacidad máxima para separadores de

polea magnética.

Tabla 5. Factores de corrección de las capacidades

de la polea magnética

Tipo de aplicación Tipo de hierro a retirar

Factor de corrección

Protección de trituradoras y molinos primarios

Grande y medio, mas de 30 g (1 onza)

1

Molino secundario, pulverizadores y separación en general

Grande, mas de 30g

1

Medio 30 a 40 g 1,3

Pequeño de malla 8 (2,38 mm) hasta 30 g

2

Purificación de los productos

Contaminación por partículas finas ferrosas menores que malla 8 (2,38 mm)

4

Diámetro de separador

N° de etapas

Composición de los concentrados Recuperación

de fe

Velocidad de alimentación tm/h*m SiO2,% Fe,%

0,6 6 1,1-1,3 70 92 10-12

0,916 6 0,9-1,1 70 98 28-33

1,2 4 0,9-1,0 70 98 62-85

Tabla 6. Influencia del diámetro del tambor magnético en la separación

Tabla 7. Influencia del diámetro del tambor y la molienda en la capacidad del separador

2.6 Separadores magnéticos con tambor húmedo

Estos dispositivos se utilizan para la concentración de partículas gruesas fuertemente

magnéticas. Las dimensiones del separador están afectadas por diversas variables:

El volumen y porcentaje de sólidos en la suspensión

El porcentaje de partículas magnéticas

Concentración requerida de producto magnético.

Este tipo de separador es construido por varios

fabricantes; las dimensiones de los tambores

oscilan entre 0,023 hasta 1,2 m de diámetro con

anchuras de hasta 3.0 m. En el dispositivo de flujo

en paralelo se pueden procesar suspensiones de

20% de sólidos en peso en separadores con un

solo tambor y entre 35 y 45% para las unidades

con dos tambores.

Fig 8. Graficas de distribución del campo magnético (a)

separador de tambor magnético de 1,2 m de diámetro, con

corriente directa y contracorriente. (b) separador de tambor

magnético de 1,2 m de diámetro por vía húmeda en contra

rotación.

El diámetro máximo de partícula que se

recomienda es de 6 mm (1/4 de pulgada) pero con

tanques especiales estos dispositivos pueden manejar materiales más gruesos. Los

separadores de tipo contracorriente pueden manejar partículas más finas de 0,8 mm (malla 20)

Alimentación Disposición del separador

Capacidades recomendadas (tm/h*m)

Diámetro del tambor, m

Descripción Porcentaje de alimentación ˂74µ

0,6 0,9 1,2

Grueso 15-25 En paralelo 15-25 70-90 120-160

Medio 50 En paralelo o a contracorriente

10,0-15 35-50 60-90

Fino 75-95 Semicontracorriente 6,0-10,0 30-50 60-90

y se obtienen resultados óptimos con suspensiones que contienen aproximadamente 30% de

sólidos. Este diseño tiene la ventaja de que puede manejar amplias variaciones de carga. El

separador de contra rotación se recomienda

para las aplicaciones en las que la recuperación

es más importante que el grado del producto

final. Estas unidades pueden manejar

partículas hasta de 3 o 4 mm (1,8 pulgadas) de

diámetro, pero con resultados menos

satisfactorios para películas más finas de 0,5

mm y suspensiones que contengan del 30 al 40

% de sólidos. La figura 8 es una grafica de

Gauss (tesla) para un separador de tambor

húmedo de 1,2 m de diámetro. La influencia

del diámetro del tambor sobre la separación

aparece en la tabla 6 y en la figura 9.

Fig 9. Influencia del diámetro del tambor sobre la separación

Estos datos son el resultado del procesado de una magnetita parcialmente triturada, molida

hasta un 75% de menos 0,044 mm (malla 325). La influencia del diámetro del tambor y el

grado de molienda en la capacidad del separador se resume en la tabla 7. En la figura 10 se

muestra el efecto del diámetro del tambor en la inversión. El coste de instalación de un

separador magnético con un solo tambor puede variar entre 25.000 y 75.000 dólares por

metro de anchura del imán, dependiendo

del diseño, las dimensiones y el fabricante.

Para tambores múltiples, los costos se

incrementan aproximadamente en

proporción directa al número de tambores

requerido. Los costes anuales de

mantenimiento varían entre el 3 y el 5 %

de la inversión inicial.

Fig 10. Influencia del diámetro del tambor sobre el

coste de separación ( triangulo) separación para

gruesos en 2 etapas (circulo) separación para finos

en 3 etapas (cuadrado) suma de las separaciones

para gruesos y finos

2.7 Separador de rodillos inducidos

Estos dispositivos que se han utilizado de forma comercial desde 1890, manejan

exclusivamente material seco y granulado. Son similares a los separadores de tambor, con la

diferencia de que el cilindro gira en el hueco del electroimán. Los gradientes del campo

magnético se obtienen al crear bordes afilados sobre la superficie del cilindro, o mediante la

construcción de un rodillo con discos alternos de material magnético y no magnético. En la

figura 11 se muestra el esquema de un separador de rodillos inducidos. La distribución optima

del di metro de par cula para la separaci n es ˂ 2 mm˃0,074 mm] (menor que malla 10,

mayor que malla 200). Los dispositivos industriales se construyen con rodillos múltiples que

operan en serie o en paralelo y pueden utilizarse como concentradores o purificadores (ver

figura 4). Las anchuras estándar de los rodillos son 0,25, 0,5 y 0,75 m; las capacidades varían

entre 1,5 y 18 Tm/ (h*m). Los separadores con rodillos inducidos se utilizan exclusivamente

para el procesamiento de materiales débilmente magnéticos. Los costes de capital para este

tipo de dispositivos son relativamente bajos en comparación con los otros separadores

magnéticos de alta intensidad, pero los costes totales del proceso son elevados, debido a los

requerimientos de una alimentación libre de humedad. En la U.R.S.S se desarrollo un

separador con rodillos inducidos para el procesamiento por vía húmeda al principio de la época

de los sesenta y se informo que su capacidad era de 100 Tm/h. En 1964, un fabricante

australiano produjo un separador con rodillos inducidos, tipo húmedo, diseñado con rotor

rallado y laminado que gira en torno a un eje vertical (polo). Estos dispositivos se construyen

hasta con 10 polos y se utilizan principalmente para la concentración de arenas de ilmenita. La

capacidad es aproximadamente de 0,8 Tm/h por polo magnético. Se pueden obtener

separaciones similares a las obtenidas con estos dispositivos mediante separadores de banda

transversal (ver figura 4), estas unidades se construyen hasta con 8 polos cada uno de los

cuales puede operar con diferentes intensidades de campo magnético para permitir una

producción simultanea de concentrados distintos; sin embargo, su capacidad es baja y los

costes de instalación por tonelada de capacidad son elevados en comparación con las unidades

de rodillos inducidos.

Fig 11. Diagrama esquemático de un separador de rodillos inducidos

2.8 Separadores de polo inducido:

En este tipo de separadores los gradientes de campo magnético se producen con la generación

de un campo magnético de apoyo en una matriz ferro magnética que induce en la matriz los

polos magnéticos en la matriz alrededor de la orillas. Las direcciones del campo en

comparación con las que se inducen en la matriz determinan si el separador es un separador

de flujo en paralelo o perpendicular. Teniendo en cuenta lo anterior únicamente existen dos

diferentes tipos de separadores que son prácticos en realidad y son el de estructura en C y el

solenoide.

2.8.1 Separadores de estructura en C: Estos imanes utilizan una matriz ferro magnética

colocada entre los polos de un electroimán, pero su diseño hace que el campo magnético del

electroimán que es el campo de apoyo no sea uniforme lo que ocasiona campos magnéticos

marginales que se generan en la región de barrido y pueden provocar que se sature la matriz

incluso si hay presentes solo pequeñas cantidades de material magnético a separar. El material

ferro magnético utilizado en la matriz ocupa entre un 40 a 80 % de todo el volumen

magnetizado.

Fig 12. Esquema de separador de polos inducidos estructura en C

2.8.2 Imanes de solenoide: Estos dispositivos pueden ser usados tanto para alimentación en

seco como en húmedo dependiendo de su diseño, igualmente según el diseño que se tenga

pueden tener un campo magnético uniforme. Como puede verse en la figura 12 la utilización

de una estructura de retorno es importante para generar un campo magnético uniforme.

Algunas matrices como lo son las matrices de tipo filamento ocupan solo un 10% del volumen

magnetizado y aun asi producen gradientes de campo magnetico muy elevados a pesar de su

volumen. Se ha informado las capacidades de este tipo de unidades de hasta 180 ton/h.

Los separadores de solenoide son diseñados para funcionar de manera intermitente cíclica o

continua dependiendo de las necesidades, además de funcionar con varios tipos de matrices

como placas ranuradas, bolas de de acero, metal expandido, o filamentos metálicos. De

manera comercial hay separadores de hasta 600 ton/h para mineral de hierro; pero la

selección del equipo

Fig 13. Esquema de separador magnético de polos inducidos con bobina de solenoide.

y el método de operación igualmente están sujetas a variables muy conocidas y de vital

importancia como lo son temperatura, presión, volumen de material, tipo de material, etc.

Un tipo común de separador de solenoide que opera en forma cíclica es el separador de Franz

un separador muy conocido en laboratorios, un diseño de solenoides con estructura de

retorno y flujo encerrado para utilizarse en forma cíclica y continua.

Dependiendo del tipo de matriz usada, los separadores magnéticos de polos inducidos se

clasifican en separadores magnéticos de alta intensidad, los cuales usan placas ranuradas o

bolas de acero para el material de la matriz, o como separadores magnéticos de gradiente

elevado en los que se emplean matrices de filamento como, por ejemplo lana de acero metal

expandido; se ha comprobado que las matrices de filamento son más convenientes.

El campo máximo producido por estos separadores tanto tipo c como solenoide son de

aproximadamente 2T. Por otra parte las unidades superconductoras se pueden construir con

unidades de hasta 8T; en todos los dispositivos las partículas mas magnéticas se retienen sobre

la matriz y la fracción menos magnética es transportada en lechada.

2.8.3 Dispositivos dinámicos o desviadores: El separador isodinámico de Franz es el separador

más antiguo usado y como se muestra en la figura 13 es de uso de laboratorio, tiene una

configuración dipolar, con polos en forma tal que el valor del campo magnético sea constante

en todo el volumen de trabajo de separación. El material a separar se puede alimentar por una

rampa vibratoria o dejarse caer entre los polos con lo cual se produce una separación

dependiente únicamente de que tan sensible es el material al campo magnético.

Fig 13. Separador magnetico dinámico Franz

3. MAGNETOS SUPERCONDUCTORES

Estos separadores generan el campo magnético en el mismo sentido del flujo como en el

solenoide eléctrico normal; la diferencia de estos y el solenoide es que la bobina esta hecha de

un material superconductor o aleación superconductora, pero tiene una desventaja y es que

este material debe de mantenerse a muy baja temperatura para mantener ese estado

superconductor.

Existen muchos materiales que pueden ser usados como superconductores en estos equipos,

pero la opción preferida y mas económica es una aleación de niobio y titanio que son

considerados como los más convencionales; pero la elección más importante es la del sistema

de enfriamiento que en gran medida es el que manda que tan económico puede llegar a ser el

separados, para la elección existen tres modelos diferentes que han sido exitosas

industrialmente.

Sistema de condensación de ciclo cerrado: En este modelo se tiene al superconductor

sumergido en un baño de helio liquido y los vapores que genera el helio liquido es

recuperado mediante un sistema de condensación y devuelto al baño del

superconductor, una de las desventajas más importantes de este sistema es que es de

instalación compleja pero tiene una excelente fiabilidad y no se presentan

interrupciones en un trabajo continuo.

Sistema de bajas perdidas: Al igual que el anterior este sistema trabaja en un baño de

helio liquido pero la diferencia radica en que ya no se tiene el condensador sino un

sistema de aislamiento muy eficiente el cual permite que el superconductor opere por

un largo tiempo, por lo menos 1 año, entre recargas de helio liquido al sistema; este

sistema es inmune a los cortos de energía pues no requiere un condensador y es

extremadamente fiable en lugares donde la energía eléctrica es difícil de conseguir o

en lugares de medio difícil o acceso remoto como el amazonas.

Refrigeración indirecta: Este tipo es diferente a los demás debido a que utiliza un

sistema de enfriamiento usando el ciclo de Gifford McMahon el cual puede generar

temperaturas de 4K o menos lo que hace posible el enfriamiento del conductor, por lo

que no hay necesidad de usar el helio liquido. El problema radica en que necesita un

suministro constante de energía pero tiene beneficios como un bajo consumo de esta

energía, una resistencia de cero del embobinado y la obtención de mayores campos

magneticos.

3.1 Separador magnético de alto gradiente: Este separador magnético superconductor,

funciona mediante la captura de partículas en una matriz ferromagnetica, tiene como ventajas

principales el generar un campo magnético de inducción muy fuerte que ayuda a la captura de

material débilmente magnético. Este sistema montado a gran escala genera un consumo de

enrgia considerable y además no puede operar de manera continua y la matriz debe ser

desmagnetizada para eliminar el material atrapado.

Una modificación importante que tiene este sistema es que puede ser útil para separar un flujo

en seco y no en emulsión como los demás. La comparación del consumo de energía y los

beneficios de separación darían como resultado que el consumo es bajo y esto es un factor

clave para tener en cuenta en este equipo. Un esquema de este equipo puede verse en la

figura 14.

Fig 14. Separador magnetico de alto gradiente.

3.2 Separadores magnéticos de gradiente abierto: a diferencia del anterior este

superconductor tiene un imán que está dispuesto para proporcionar una región magnetizada

en espacio abierto con un campo altamente divergente; cualquier material que pase por esta

región susceptible magnéticamente es atrapado por la fuerza del imán. Existen varios tipos de

equipos, que ofrecen mayores perfiles de fuerza y mayor alcance y son de imán permanente,

estos también pueden operar con alimentación seca y partículas de tamaño mayor a 75mm;

uno de los primeros de este tipo fue un separador de tambor con 1 metro de diámetro y un

condensador de helio el cual afecta los costos significativamente, este equipo se usa más que

todo para el beneficio de la magnesita.

Para hacer un dispositivo más compacto se ha adicionado un cryostream, esta estructura es

muy buena para el enfriamiento indirecto para proporcionar simplicidad y economía; el

dispositivo simplificado funciona con un campo máximo de 4T y sirve para la separación

magnética de minerales con poca susceptibilidad magnética.

4. SEPARACIÓN ELECTROSTÁTICA

El principio de la separación electrostática está basado en el hecho de que si uno de los materiales en una mezcla de partículas pueden recibir una carga superficial al entrar a un campo electrostático, las partículas de este material serán repelidas por uno de los electrodos y atraídas hacia el otro, dependiendo del signo de la carga de las partículas. Las técnicas convencionales de separación electrostática emplean las fuerzas desarrolladas entre partículas cargadas y los electrodos de campo para establecer trayectorias, y a partir de éstas tornar efectiva la separación. El arte y la ciencia de la concentración electrostática se encuentran en la habilidad de cargar selectivamente una o más especies minerales que componen una mezcla, tornándolas de comportamiento diferente en el campo eléctrico. La mayor aplicación de la separación electrostática ha sido en el procesamiento de arenas de playa y depósitos aluviales conteniendo minerales de titanio. Hay pocas plantas de tratamiento de arenas de playa en el mundo, que no usan la separación electrostática para separar rutilo e ilmenita de zircón y monacita. La mayoría del rutilo y zircón se produce en Australia, y todas las plantas utilizan separación electrostática. La separación electrostática es usada también en otros minerales, tales como: casiterita, columbita, minerales de ganga obtenidos desde concentración de ilmenita, hematita, etc. 4.1 Componentes de la Concentración Electrostática Los sistemas de separación electrostática contienen a lo menos cuatro componentes: • Un mecanismo de carga y descarga. • Un campo eléctrico externo. • Un sistema que regule la trayectoria de las partículas no eléctricas. • Un sistema de colección para la alimentación y productos. Los mecanismos de carga y descarga resultan de una de las siguientes categorías de distribución de carga:

• Partículas de dos especies diferentes entran en un campo eléctrico en una zona de

separación portando una carga eléctrica de signo opuesto. • Partículas de dos especies diferentes entran en una zona de separación donde un solo

tipo de partícula lleva una carga eléctrica significativa.

• Partículas entran en la zona de separación, de modo que partículas de diferentes especies llevan carga del mismo signo, pero la magnitud de la carga eléctrica es significativamente diferente.

• Partículas de diferentes especies entran en la zona de separación con momentos bipolares significativamente diferentes.

4.2 Mecanismos para Cargar Partículas A pesar de que hay varias formas de cargar partículas, sólo tres mecanismos de cargado son usados en la separación electrostática comercial: • Cargado mediante electrificación por contacto y fricción. • Cargado por bombardeo de iones o electrones. • Cargado por inducción conductiva. 4.2.1 Cargado de partículas mediante electrificación por contacto La electrificación por contacto es el mecanismo más frecuentemente usado para cargar partículas selectivamente, y permitir una separación electrostática de dos especies de materiales dieléctricos. Ejemplos típicos son la separación de feldespatos desde cuarzo; cuarzo desde apatita y halita desde silvita. Como regla general, si dos materiales dieléctricos son contactados y separados, el material con la constante dieléctrica mayor se carga positivamente. Sin embargo, en el caso de los minerales esto no es particularmente así, ya que las propiedades eléctricas de un mineral pueden variar ampliamente debido a la presencia de trazas de impurezas. Sin embargo, es importante señalar que la separación electrostática de una mena a escala industrial no es fácil. En general, los productos finales que se obtienen resultan de varias etapas de limpieza y scavenger. 4.2.2 Cargado por corona – El separador de alta tensión Cuando la mena está compuesta de una mezcla de minerales buenos y malos conductores eléctricos, la mezcla puede ser separada generalmente por el uso de procesos de alta tensión. Aplicaciones típicas son la separación de rutilo e ilmenita (conductores) desde zircón y otros minerales no conductores encontrados en arenas de playa, y la separación de cuarzo (aislante) desde especularita (conductor). En los separadores de alta tensión la alimentación se realiza en el rotor (tambor rotatorio) conectado a tierra y entra al campo de un electrodo ionizado cargado. Las partículas alimentadas aceptan una carga por bombardeo de iones. Las partículas conductoras pierden su carga en el rotor conectado a tierra y son lanzadas desde la superficie del rotor por la fuerza centrífuga, lejos de la superficie del rotor. Las partículas no conductoras no son capaces de disipar su carga rápidamente en el rotor, y de ese modo, son atraídas a la superficie del rotor.

Fig 15. Separador electrostático de alta tensión.

Un separador de alta tensión tiene una capacidad de alrededor de 1000 a 1200 lb/h por pie de rotor. Los rotores de estos equipos que son utilizados para arenas de playa. 4.2.3 Cargado por inducción Si una partícula se coloca sobre un conductor conectado a tierra en la presencia de un campo eléctrico, la partícula desarrollará rápidamente una carga superficial por inducción. Ambas, las partículas conductoras y no conductoras llegarán a ser polarizadas, pero la partícula conductora tendrá una superficie completamente equipotencial. La partícula no conductora permanecerá polarizada. En el cargado por inducción la mezcla de minerales a ser separada se alimenta a un tambor que rota y pasa a través de un campo eléctrico generado por un electrodo tubular de alto voltaje. Las partículas conductoras obtienen carga por inducción por un periodo corto de tiempo, dependiendo de su superficie conductiva. La carga inducida tiene una polaridad inversa a la del electrodo de alto voltaje. Por lo tanto, una fuerza atractiva se originará hacia el electrodo con respecto a las partículas conductoras, con lo cual las partículas serán dirigidas desde la superficie del rotor en dirección del electrodo. Las partículas no conductoras no se cargarán significativamente durante su residencia en el rotor y su carga será pequeña para afectar un movimiento hacia el electrodo de alto voltaje.

Fig 16. Partículas cargadas por inducción.

Fig 17. Separador electrostático tipo rodillo.

Fig 18. Separador electrostático de palca inclinada (tobogán).

Fig 19. Separador electrostático Reichert de placa tipo harnero.

4.3 Separadores Electrostáticos 4.3.1 Separadores electrostáticos electrodinámicos Los separadores electrostáticos del tipo electrodinámicos son comúnmente llamados separadores de alta tensión. En estos separadores la alimentación se realiza en el rotor (tambor rotatorio) conectado a tierra y entra al campo de un electrodo ionizado cargado. Las partículas alimentadas aceptan una carga por bombardeo de iones. Las partículas conductoras pierden su carga en el rotor conectado a tierra y son lanzadas desde la superficie del rotor por la fuerza centrífuga, ellas entonces están bajo la influencia del campo electrostático del electrodo no ionizado y son lanzadas lejos de la superficie del rotor. Las partículas no conductoras no son capaces de disipar su carga rápidamente en el rotor, y de ese modo, son atraídas a la superficie del rotor. Los separadores de alta tensión operan en un rango amplio de tamaños de partículas. Con arenas de playas es posible trabajar en un rango de tamaño de 50-100 micrones, aunque un rango de tamaño menor es deseable y más común. Con menas de hematita, tamaños menores a 1 mm se aceptan, sin embargo, partículas menores que 75 micrones causan problemas. Para optimizar el rendimiento de un separador de alta tensión deben considerarse las siguientes variables: flujo de alimentación, velocidad del rotor, posición y voltaje del electrodo y la posición del separador del producto obtenido.

Fig 20. Separador electrodinámico o de alta tensión. 4.3.2 Separadores electrostáticos Inicialmente los separadores electrostáticos fueron del tipo placa electro-estática. Los separadores de placa de caída libre, en los cuales las partículas caen entre dos placas verticales (una placa cargada positivamente y la otra placa cargada negativamente, con un alto gradiente de voltaje entre ellas), ha sido usada para separar silvita desde halita, feldespato desde cuarzo, y fosfato desde cuarzo. Sin embargo, este tipo de separador no se usa mayormente. Hay dos tipos de separadores electro-estáticos que se fabrican: el separador tipo rotor y el separador tipo placa.

4.3.2.1 El separador tipo rotor: El separador electro-estático tipo rotor es similar, en apariencia, al separador de alta tensión. Sin embargo, el separador electro-estático no presenta el electrodo ionizado. En ese lugar hay un solo electrodo largo que produce un campo eléctrico. Aunque la partícula sea conductora o no conductora, ella puede considerarse como una partícula que puede llegar a polarizarse.

Fig 21. Separador electro-estático tipo rotor.

4.3.2.2 El separador tipo placa: Se fabrican dos separadores del tipo placa: el separador electro-estático de placa y el separador electro-estático de malla (harnero). Los principios operacionales son similares. Las partículas son cargadas por inducción y las conductoras adquieren una carga opuesta al electrodo. De ese modo, las partículas conductoras son atraídas hacia el electrodo. Las no conductoras continúan hacia abajo en la placa o a través del harnero.

Fig 22. Separador electro-estático de placa.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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