Control en Tanques Espesadores de Relaves Mineros: Factor Clave en la Recuperación de Agua de Proceso.

                                                       Tanque espesador convencional de 80 pies de diámetro

Uso del Agua e el Procesamiento de Minerales

En el procesamiento de minerales se utilizan grandes cantidades de agua en las etapas de molienda y clasificación. Parte de esta agua se recupera de las colas o relaves finales, en tanques espesadores (sedimentación por gravedad), la cual es reutilizada nuevamente en el proceso.

 Una corriente de proceso contiene un % en volumen de agua en el rango de 80 a 92%.

Figura 1. Variación del contenido de agua durante las diversas etapas del proceso, % volumen

 

Sedimentación, Clarificación y Espesamiento

 La sedimentación consiste en la separación de partículas sólidas en suspensión de un líquido, la cual se da por asentamiento gravitacional. De lo anterior, se distinguen dos operaciones: Clarificación y Espesamiento.

 

Las separaciones de clarificación se caracterizan por sedimentación que tiene lugar sin que haya una interfase claramente definida entre el líquido limpio y el sedimento, y como consecuencia, la capacidad está limitada por la cantidad de sólidos que puede ser aceptada en el derrame. El rendimiento, por lo tanto, es característico de un clasificador húmedo y puede analizarse óptimamente como tal. Las operaciones de espesamiento, por otra parte, se caracterizan por una interfase líquido claro/sedimento y la capacidad está limitada por las condiciones de descarga inferior (Kelly, 1990).

 

En la actualidad el recurso del agua demanda una gestión más sostenible por parte de la industria en general, y la minería en particular. Entre las opciones de Retención de valor (ReX) que propone la Economía Circular 3.0 que ya han sido adoptadas por la industria minera se encuentra la R1 Reducir, la cual implica la disminución sostenida del consumo de insumos que son críticos para el procesamiento de minerales, tales como el agua.

 La reducción del consumo del agua está ligada al incremento de la recirculación del agua recuperada del proceso que se reincorpora a éste. Datos relativamente recientes indican tasas de reciclaje estimadas de 76% para plantas concentradoras.

 

La experiencia chilena muestra que en los últimos años la cantidad de agua utilizada por tonelada de cobre producida, conocida también como coeficiente unitario (expresada típicamente en m3 por tonelada de mineral), ha disminuido significativamente para la concentración de minerales, que es la forma de procesamiento de cobre que más agua utiliza, alcanzando tasas de 0.45 m3/t en 2017 (Cisternas, Gálvez, Rivas, & Valderrama, 2021).

 

 

Figura 2. Reducción del consumo de agua por tipo de operación minera

 

Información publicada en le medio digital Minería en México (Noviembre 2022) indica que empresas como Grupo México e Industrias Peñoles hacen uso en sus operaciones de aguas recirculadas, es decir, recuperadas en diversas etapas de sus procesos, en un 76% y 54%, respectivamente.

 

 Tipos de Tanques Espesadores

 De acuerdo con Concha, 2014, citado por Wills, 2016; hay 4 tipos de espesadores, los cuales mantienen el diseño de tanque abierto, ver figura 3:

a)      Conventional

b)      High Rate (High Capacity)

c)      High Density

d)      Paste

El término High Rate o High Capacity, refiere a los espesadores que manejan una alta tasa de procesamiento y permiten una optimización de la floculación (proceso fundamental que se usa para facilitar la agregación de pequeñas partículas en un líquido o solución para formar grupos más grandes, conocidos como flóculos).

Figura 3. Tipo de tanques espesadores (Deep Cone es marca registrada de FLS)

 

The conventional thickener consists of a cylindrical tank, the diameter ranging from about 2 to 200 m in diameter, and of depth 1-7 m. The clarified liquid overflows a peripheral launder, while the solids, which settle over the entire bottom of the tank, are withdrawn as a thickened pulp from an outlet at the center (Wills, 2016).

Figura 4. Esquema de un tanque espesador

 

Figura 4. Zonas de concentración en un tanque espesador

 

Las dos funciones principales de un espesador son:

 

1.        Producir un derrame clarificado.
2.          Entregar un bajoflujo espesado a la concentración (%sólidos _peso/peso) requerida.

 

Para un rendimiento dado, la capacidad de clarificación está determinada por el diámetro del espesor, ya que el área superficial debe ser lo suficientemente grande para que la velocidad ascendente del líquido sea en todo momento menor que la velocidad de sedimentación de la partícula de sedimentación más lenta que se va a recuperar. El grado de espesamiento producido se controla por el tiempo de residencia de las partículas y, por lo tanto, por la profundidad del espesador (Wills, 2016).

 

Operación y Control en Tanques Espesadores

 

La operación de un espesador involucra mantener un balance entre las siguientes variables: flujos de alimentación, derrame (overflow) y descarga (underflow) así como de sus respectivas concentraciones (% Sólidos _pesos/peso).

 

The feed stream generally enters the feed well at a speed of about 15 m/min but this would depend on its characteristics, such as concentration (liquid/solid ratio), particle size,  particle shape and viscosity. The characteristics of the overflow and underflow streams depend on the sedimentation time and particle properties such as specific gravity, shape, size and  wettability. If the particles are very small, the associated surface charge or zeta-potential is of importance. Flocculants play an important role in affecting the surface charge on particles and help to accelerate or reduce the rate of sedimentation by dispersion or agglomeration (Gupta & Yan, 2016).

 

 Los sólidos sedimentados son arrastrados y depositados hacia el centro del tanque espesador mediante las rastras o rastrillo. El Torque (Fuerza-distancia), normalmente medido en Newton-metro (Nm), está relacionada a la cantidad de material sedimentado dentro del tanque. El aumento o disminución del Torque está en función de la carga que tengan los rastrillo so bien por el propio acarreo de éstos hacia le cono del espesador.

 Para realizar control en tanques espesadores es necesario contar con algunas mediciones on-line, entre las cuales, se encuentran:

 

·       Nivel de cama de sólidos

·       Flujo másico de alimentación

·       Dosificación de floculante

·       Torque

·       Flujo volumétrico en underflow

·       Turbidez

·       %Sólidos en underflow

 

Figura 5. Principio de control del optimizador de espesador de Metso

 

 Caso Práctico de Control de Espesamiento Basado en el Torque

 Basado en la plataforma de un Sistema Experto, se desarrolló y configuró una lógica de control para operar el espesamiento de colas finales de una planta concentradora (dos tanques convencionales de 80 y 85 pies de diámetro, respectivamente), utilizando la medición del torque, estableciendo un punto de ajuste o set point óptimo, manipulando la velocidad de la bomba del underfow, pero manteniendo el flujo dentro de un rango preestablecido que evitara arenamiento en líneas de conducción al depósito de jales.

 

Figura 6. Diagrama esquemático de área de espesamiento

Figura 7. Interfase de control del sistema

 

Figura 8. Estados operativos

 

Figura 9. Comportamiento del torque respecto a su punto de ajuste

 

La mejora se vio reflejada en el envío de agua de la pileta de recuperación de la presa de jales hacia la planta concentradora, antes de implementar la nueva estrategia de control, el flujo de llegada era de 103,680 m³/mes y una vez en operación se redujo a 73,780 m³/mes, es decir, una disminución del 28.84%. Por su parte, las horas de operación de la bomba de envío bajaron de 299 horas/mes a 261 horas/mes, lo que representó una disminución de 12.71%. En términos de consumo de agua recuperada de la presa de jales por tonelada molida, éste disminuyó de 0.480 m³/ton a  0.331 m³/ton, es decir, un 31.04% (Santana, 2012).

 

 

·       Se dejó de depender de  otras variables, tal es el caso de la densidad, la cual  presentaba dificultades para medir adecuadamente, generando inestabilidad a la operación.

·       Se aprovecharon los conocimientos y fortalezas técnicas desarrolladas por el capital humano producto de la capacitación recibida en los cursos referentes al tema de control de procesos y sistemas expertos.

·       Se estableció precedente para futuras adecuaciones y mejoras al actual sistema o al desarrollo de nuevas y más robustas estrategias de control.

 

Referencias

Cisternas, L., Gálvez, E., Rivas, M., & Valderrama, J. (2021). Economía Circular en Procesos Mineros. Santiago, Chile: RIL Editores.

Gupta, A., & Yan, D. S. (2016). MIneral Processing: Design and Operations. Elsevier.

Kelly, E. G. (1990). Introducción al Procesamiento de Minerales. CDMX: Limusa.

Santana, V. (2012). Optimización de la Recuperación de Agua de Proceso mediante el Control del Torque en Tanques Espesadores. Fresnillo, Zac., Méx.

Wills, B. A. (2016). Mineral Processing Technology.