Manteniendo la misma forma estructural y los mismos elementos principales, los espesadores pueden ser de tres tipos. (1) espesadores convencionales, (2) espesadores de alta densidad y (3) espesadores de alta capacidad. La figura 38 muestra el esquema de estos tres tipos de espesadores.
Los cambios introducidos en estos equipos se deben en gran parte al desarrollo de floculantes de mayor efectividad, mejores sistemas de dilución, así como de mezclado en el feedwell (pozo de alimentación). A continuación se presenta una descripción de aquellos equipos involucrados.
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Figura 38: Esquema de espesadores convencionales, de alta densidad y de alta
capacidad
El espesador convencional se caracteriza porque su bandeja de alimentación se encuentra en la parte superior del equipo y, al entrar al espesador, el flujo de alimentación se mezcla con parte del agua recuperada y se diluye a un valor denominado concentración conjugada. Esta suspensión diluida sedimenta a velocidad constante formando un manto de altura variable, para transformarse en sedimento en la parte inferior del equipo. La figura 39 muestra un espesador convencional.
Figura 39: Esquema de un espesador convencional. A: agua clara; B: suspensión;
C: sedimento
Los espesadores convencionales tienen la desventaja de requerir grandes áreas de piso, debido a que el espesamiento se basa únicamente en el área total, sin considerar la profundidad del equipo. En los años 1980, espesadores conocidos como “alta
64 capacidad” fueron introducidos al mercado, ofreciendo el mismo grado de espesamiento que un espesador convencional pero con una menor área involucrada.
El espesador de alta capacidad tiene como parte distintiva una bandeja de alimentación muy profunda que descarga el flujo de alimentación bajo el nivel del sedimento. Al mezclarse la alimentación y sedimento forma una suspensión mayor a la de la alimentación y mayor o igual que la concentración crítica. Es por esta razón que en los espesadores de alta capacidad no existe una zona de sedimentación, la cuál es la que restringe la capacidad del espesador. Muchas veces se recicla parte de la descarga del espesador de alta capacidad con el objetivo de aumentar la concentración de la alimentación antes de producir la mezcla con el sedimento. El resultado es que, generalmente, estos espesadores tienen mayor capacidad que los convencionales. Sin embargo, se ha demostrado que los espesadores de alta capacidad, cuyo tiempo de residencia está en el orden de minutos, en vez de horas para los convencionales, son intrínsecamente inestables y, por lo tanto, difíciles de operar y controlar. Las figuras 40 y 41 muestran esquemas de un espesador de alta capacidad.
Figura 40: Esquema de un espesador de alta capacidad. A: agua clara; C: sedimento
Los espesadores de alta capacidad son capaces de producir pulpas espesadas con un mayor contenido de sólidos que los espesadores convencionales. Se caracterizan por trabajar con una altura de cama mayor a la de los espesadores convencionales proporcionando de esta manera mayores tiempos de residencia y maximizando la compresión por efectos gravitatorios, y además de contar con mecanismos de rastra capaces de manejar los altos torques requeridos. Las descargas de estos espesadores se caracterizan por su alta viscosidad y resistencia a la fluencia, pero manteniendo aun sus propiedades de bombeabilidad. La geometría de los tanques son diseñados para poder
65 manejar descargas con estas características. El aspecto clave de una operación con espesadores de este tipo es controlar las propiedades reológicas del producto para asegurar su transportabilidad, es decir mantener su reología por debajo del punto de consistencia de pasta.
Figura 41: Esquema de un Espesador de alta capacidad
El espesador de alta densidad es un espesador convencional o de alta capacidad, pero de mucho mayor altura. Esta altura adicional proporciona altos tiempos de residencia y permite obtener una gran presión sobre el sedimento que descarga del equipo y, por lo tanto, obtener una concentración de descarga muy grande. Además, la descarga del equipo cuenta con ángulos de cono pronunciados (alrededor de 60°) lo que provee una zona de alta compresión. En muchos casos, estos espesadores tienen un cono pequeño, de modo de ayudar a evacuar la descarga. La figura 42 muestra un de espesador de alta densidad.
Los inicios del concepto de espesamiento por medio de espesadores de alta densidad se dieron alrededor de los años 1960 a 1970 en la industria Británica del carbón. Sin embargo, su comercialización como tal, tuvo que esperar la década de los 90, en combinación con las técnicas de floculación, desarrollo de nuevos sistemas de alimentación, cambios en la forma del tanque, etc. Los espesadores de alta densidad poseen un mecanismo de rastra aún más robusto capaz de manejar los altos torques requeridos. Por lo general, requieren de un alto grado de automatización y bombas de descarga y/o recirculación de frecuencia variable.
66 En resumen, los espesadores de alta densidad o de pasta como también se les denomina, maximizan la eficiencia del floculante por medio de sistemas patentados de dilución, utilizan un tanque muy alto para generar alta compresión, ángulos de cono entre 40 a 60° y sistemas robustos para sus rastras, para así manejar materiales muy densos. Además, es una práctica común industrial, el empleo de sistemas de cizallamiento y un alto grado de automatización en este tipo de espesadores, con los que se consigue un control preciso de las condiciones que se desean en la descarga, sin poner en riesgo la integridad de los equipos posteriores.
Figura 42: Esquema de un Espesador de alta densidad
Si atendemos a sus diferencias estructurales, los espesadores pueden ser de cuatro tipos: (1) espesadores de puente, (2) espesadores de columna, (3) espesadores de tracción periférica y (4) espesadores sin mecanismos.
1.- Puente: el mecanismo de rastras se soporta mediante una superestructura a lo largo del estanque, lo que permite pasar el tendido de tuberías de alimentación de pulpa y floculante hacia el sector central.
· 37 - 43 [m] · 0.08-0.33 [rpm]
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Figura 43: Espesador tipo puente
2.- Columna: es el que tiene una columna central de soporte para el mecanismo de giro de las rastras.
· 28 - 183 [m] · 0.04 a 0.1 [rpm]
· Espesadores de concentrado
68 3.- Tracción Periférica: está formado por espesadores que poseen tracción periférica, en los cuales el movimiento se logra mediante mecanismos ubicados en las paredes del estanque y el pilar central sirve de apoyo para el brazo rastrillador.
· 28 - 150 [m] · 0.04 a 0.1 [rpm] · Espesadores de Relave
Figura 45: Espesador tipo tracción periférica
4.- Sin Mecanismo: no poseen ningún mecanismo para desplazar los sólidos sedimentados hacia el punto de evacuación.
· Sin partes móviles
· Diámetro máximo 8 metros · Tratamiento de minerales finos
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2.2. Funcionamiento de un espesador
De acuerdo a Coe H.S. y Clevenger G.H. (1916), se distinguen cuatro zonas en un espesador convencional continuo. En la parte superior está la zona de líquido claro, que denotaremos por zona I. Este líquido, que ha sido separado de la suspensión, es recuperado en el rebalse. Cuando el material de alimentación contiene muchas partículas finas, la zona I puede ponerse turbia, a menos que se le agregue un reactivo químico para flocular los finos. En este último caso, se forma una interface nítida en la parte inferior de la zona I. El espesor de la zona I depende de la cantidad de floculante agregado. Es precisamente de esta manera que la profundidad de líquido claro es controlada en un espesador industrial y se le mantiene a un mínimo de 0,5 a 1 metro para una operación segura. Cuando la zona I es invadida por partículas sólidas se dice que el espesador se rebalsa.
Bajo el líquido claro está la zona II, denominada zona de sedimentación
obstaculizada. Ella consiste en pulpa de concentración uniforme que sedimenta a
velocidad constante. De acuerdo a Coe y Clevenger, la concentración de esta zona es la misma que la de la alimentación, pero Coming E.W. (1954) reconoció que esto no siempre es así y que, en la mayoría de los casos, la alimentación se diluye al entrar al espesador. Coming informa de muchos experimentos que prueban que en una operación normal, la concentración de la zona II depende del flujo de sólidos en la alimentación más que su concentración. La concentración en esta zona es pequeña si el flujo de sólidos de alimentación es pequeño y aumenta cuando éste aumenta, llegando a un máximo cuando el sólido sedimenta a la máxima velocidad posible en esta zona. Si se alimenta sólido en exceso sobre este flujo máximo, la concentración de la zona II continuará siendo la misma que corresponde al flujo máximo y el exceso de sólido no sedimentará a través de la zona II sino que pasará a la zona I y será eliminado junto al líquido de rebalse. Coming también reporta que si la concentración de la alimentación supera la concentración máxima mencionada para la zona II, la concentración en esta zona será la de la alimentación y la capacidad de sedimentación de la zona II aumentará. Debajo de la zona II hay una región que contiene un gradiente de concentración y que designaremos como zona III y llamaremos zona de transición porque lleva la concentración desde el valor constante de la zona II al valor que tiene en el sedimento. No está claro si esta zona realmente existe en todos los casos. Algunos investigadores como Coming (1954), Fitch E.B. y Stevenson D.G. (1977) y Ecklund L.G. y Jernqvist A. (1975) simplemente ignoran esta zona mostrando un abrupto cambio de concentración entre la zona II y el sedimento. Finalmente, en la parte inferior del espesador está la zona IV de sedimento, también conocida como zona de compresión. Ella consiste en pulpa espesa en que los flóculos, que descansan unos sobre los otros formando una red, ejercen presión sobre los inferiores debido a su peso, dando origen a un gradiente de presión. Este gradiente de presión origina, a su vez, un gradiente de concentración. Coming divide la zona IV en una zona superior de compresión con las características mencionadas y una zona de acción de las rastras, en que el movimiento
70 de éstas permite un incremento de la concentración lográndose un segundo gradiente de concentración.
Figura 47: Esquema de las zonas de sedimentación presentes en un espesador
industrial, según Coe y Clevenger (1916)
La concentración de la descarga es la concentración de la parte inferior de la zona de compresión. Ella depende de la altura de esta zona porque una mayor altura implica mayor peso de sólidos soportados por la red de flóculos, o esqueleto sólido, produciendo un mayor gradiente de presión y, por lo tanto, un mayor gradiente de concentración. El tiempo de retención de la pulpa en el espesador también ha sido mencionado como causa de diferentes concentraciones de la descarga, para una misma altura de sedimento (Coming).
El espesor de cada zona en un espesador depende de las características de sedimentación de la pulpa. Coe y Clevenger definen la capacidad de tratamiento de cada zona como la cantidad de sólidos que pasan de esa zona a la siguiente por unidad de área y de tiempo. Ellos razonaban que la velocidad de sedimentación es una función de la concentración de la pulpa y, por lo tanto, también lo será la capacidad de tratamiento. Si no pasa sólido al rebalse, en el estado estacionario, el mismo flujo de sólidos debe pasar por todas las zonas del espesador. Estosignifica que aquellas zonas
71 con menor capacidad de tratamiento crecerán a expensas de las zonas con mayor capacidad de tratamiento.
Diremos que un espesador se rebalsa si partículas sólidas pasan de la zona II a la zona I. De acuerdo a Dixon D.C. (1979), hay tres maneras en que un espesador se puede rebalsar. Ya hemos discutido dos de ellas, esto es, aquella en que las partículas finas pasan al rebalse por falta de floculante y cuando se alimenta un espesador más allá de su capacidad. La tercera corresponde a una operación normal del espesador y ocurre cuando la alimentación del espesador es mayor que la descarga. En este caso el sólido en exceso se acumula en el equipo y eventualmente comienza a emerger en el rebalse.
Cuando, debido a cambios en la concentración de sólidos de la alimentación, la concentración de la descarga disminuye, es posible llevarla a su valor original controlando el flujo de descarga. Este, a su vez, se controla manipulando la bomba de velocidad variable de la descarga, cuando ésta existe, o cambiando anillos en la abertura de descarga cuando ésta es por gravedad. El resultado es que, al disminuir el flujo de descarga, la altura del sedimento crece en el espesador por acumulación de sólidos, aumenta el gradiente de presión y, como consecuencia, el gradiente de concentración. Lo opuesto sucede cuando el flujo de descarga es aumentado. Estos efectos son utilizados para el control de espesadores.
La Figura 48 resume las variables que describen el comportamiento y permiten el control de un espesador. F y CF son el flujo másico y la concentración de sólidos en la
alimentación al espesador, QD y CD son el flujo volumétrico y la concentración de
sólidos en la descarga, QR es el flujo volumétrico de líquido en el rebalse, Qfl es el flujo
volumétrico de floculante, FF es la distribución de tamaño en las partículas de la
alimentación y ha y hs son las alturas, o profundidades, de líquido claro y sedimento
respectivamente.
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2.3. Consideraciones para el dimensionamiento de espesadores
Según algunos autores: “Las principales consideraciones para el diseño de espesadores son; la tasa de sedimentación de la partícula con la sedimentación más lenta, y las condiciones para minimizar la perturbación del medio”. Destacando entre los primordiales criterios para el dimensionamiento de espesadores los tres siguientes:
1. Área: El área de un espesador debe ser tal que proporcione el tiempo de residencia adecuado para los requerimientos de porcentaje de sólidos en la descarga. El parámetro unitario para dimensionamiento del espesador, se expresa mediante el área disponible por unidad de sólidos seco en peso por día.
2. Caudal de rebose: Se refiere al flujo de ascenso del agua a través del tanque del espesador. Este valor deberá ser lo suficientemente bajo para que la turbulencia excesiva no interfiera con la velocidad de sedimentación de las partículas en el equipo.
3. Tiempo de retención: Esta referido al tiempo disponible para la sedimentación y posterior compactación de la cama. Los sólidos no se sedimentan simplemente en el fondo del tanque y son arrastrados por los brazos de barrido hacia la descarga, sino que la pulpa debe pasar por la zona de compresión donde se tiene el tiempo suficiente para espesar a la densidad final, pero sin que sea lo suficientemente largo para que el mecanismo se sobrecargue.
El área de un espesador varía en razón inversa de la velocidad de sedimentación suponiendo todas las demás condiciones constantes. La velocidad de sedimentación es una característica fundamental de cada pulpa, la cual debe ser determinada experimentalmente bajo ciertas condiciones de floculación. Es importante que el cálculo del área del espesador tenga la mínima área de trabajo según las necesidades del proyecto, y que considere un margen de seguridad para posibles variaciones de las características del alimento, tales como mineralogía, granulometría, gravedad específica, etc.
Por lo tanto, el criterio principal para el diseño de espesadores, es determinar la relación entre 1) la velocidad de sedimentación y 2) las dimensiones del tanque a emplearse. La velocidad de sedimentación (settling rate) es un parámetro fácilmente obtenible por medio de pruebas de laboratorio, las cuales consisten en determinar el descenso de la frontera del líquido clarificado y la suspensión, a lo largo del tiempo. Se ha determinado que la tasa de sedimentación es constante inicialmente, pero luego disminuye a medida que las partículas sedimentan lentamente en el fondo y la interfase coincide con la zona de lodos, tal como se observa en la figura 49, donde se observa el progresivo incremento en la concentración respecto a la profundidad. La disminución de la velocidad de sedimentación se debe al freno por el apilamiento de partículas a medida que éstas sedimentan en el fondo del recipiente
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Figura 49: Sedimentación en un espesador
El diseño de un nuevo espesador o la capacidad de un espesador existente se calcula para el funcionamiento en el estado estacionario. Desde 1912 a la fecha se ha desarrollado numerosos métodos de diseño de espesadores, los que pueden ser clasificados dependiendo de los fundamentos utilizados para su desarrollo. Podemos distinguir métodos basados en balances macroscópicos, en el proceso batch de Kynch, en el proceso continuo de Kynch y en el método fenomenológico. Cada uno de estos métodos tiene las limitaciones impuestas por la teoría que le sirvió de base.
La revisión de los principales métodos de diseño disponibles en la literatura, muestran que se pueden agrupar en tres categorías: los basados en balances macroscópicos, los basados en la ecuación de balance cinemática y los basados en las ecuaciones de balance dinámico. Sólo este último grupo provee de una completa información para propósitos de diseño.
1.- Métodos basados en balances macroscópicos
La primera ecuación que predice la capacidad de un espesador fue descubierto por Mishler en 1912 y corresponde a un simple balance de masa macroscópico en el equipo.
El método de diseño consiste de mediciones en el laboratorio de la velocidad de sedimentación inicial de una suspensión, con la concentración de alimentación de un espesador y calcular luego el área del espesador. El método al hacer el supuesto que la concentración en la zona II es la misma que la alimentación, lo invalida como método de diseño.
Coe y Clevenger y otros autores asumen que la zona II de sedimentación obstaculizada se forma en un espesador con una dilución CK siendo la mínima capacidad
de manejo de sólidos.
El método de diseño consiste en mediciones en el laboratorio, de la velocidad de sedimentación inicial de una suspensión en un rango de concentraciones entre la alimentación y la velocidad de sedimentación obstaculizada máxima (concentración crítica), luego se calcula el mínimo valor de la capacidad de manejo de sólidos (F/S).
74 A las mismas conclusiones llegaron Taggart y Dalstrohm y Fitch pero expresando en otras unidades el área unitaria básica AUo.
2.- Métodos basados en modelos cinemáticos
El establecimiento de la teoría de Sedimentación de Kynch en 1952 abrió un nuevo campo a la investigación, la consideración del diseño del espesador desde un punto de vista teórico y en esta ruta tener a la mano un método rápido y seguro para el diseño de espesadores.
Numerosos investigadores se involucraron en este trabajo teniendo sus nombres asociados a los procedimientos de diseño de espesadores. Podemos mencionar entre ellos a W.P. Talmage, B. Fitch, J.H Wilhelm, Y. Nadie, H. Oltmann, N.J Hasset y N. Yoshioka.
Talmage y Fitch , asumieron en 1955 que la sedimentación batch de una suspensión puede ser representada por la teoría de Kynch y además la velocidad de sedimentación para una concentración CK puede expresarse como la pendiente en cada punto del
gráfico (z,t) y a partir de estos datos podemos calcular el área unitaria básica AUo.
Fitch y Stevenson en 1976 propusieron el uso de una variante empírica al método de Talmage y Fitch, el método de Oltmann. Ambos realmente identificaron el punto de compresión crítico, para luego calcular el área unitaria básica AUo.
Yoshioka descubrió en 1957 un método de diseño gráfico de espesadores basados en una función de densidad de flujo total de sólidos, y a partir de un tratamiento analítico encontrar también el área unitaria básica AUo.