CAP. 8

8. AJUSTE DEL BALANCE DE MATERIALES

Los circuitos de procesamiento de minerales, desde el chancado a flotacin, pueden ser bastante complejos e incluyen varios lujos de reciclo.

Frecuentemente no se dispone de estimaciones de los lujos msicos en lnea, excepto para el lujo de alimentacin. Por lo tanto, estos lujos deben estimarse indirectamente si son requeridos.

La Figura 1.2 muestra una situacin comn en flotacin.

La letra minscula se refiere a alguna cualidad de la corriente, por ejemplo: contenido fraccional de cobre, la fraccin ms fina que 200 mallas, etc.

Del balance de materiales en estado estacionario, tanto global como por componentes, se obtiene:

En consecuencia, la razn B/A se puede determinar indirectamente de la cualidad o caracterstica medida 1.

La pregunta natural en este punto es: se obtendra la misma razn B/A si se resuelve utilizando el anlisis fraccional y la fraccin ms fina que 100 mallas? La respuesta es no.La razn es que a menos que los valores a, b y c sean perfectos, en el sentido que el muestreo, anlisis y estado estacionario sean perfectos, se debe esperar diferencias en la razn B/A si se utilizan distintas cualidades.

Por lo tanto, se requiere determinar la mejor estimacin de B/A, adems, se desea que los valores a, b y c se ajusten para corresponder a la mejor estimacin anterior.Esto no es un ejercicio acadmico, sino que tiene significado prctico.

a) Los balances de materia se efectan en forma rutinaria para estimar la velocidad de produccin de concentrado y su recuperacin.b) En esquemas de control de procesos, la adicin de reactivos puede realizarse en proporcin al flujo msico de mineral.c) La instrumentacin puede ser chequeada, determinando que cualidad necesita mayor ajuste.d) En la construccin de modelos, la estimacin de los parmetros requiere de datos suavizados.

A continuacin se presentan los resultados de la aplicacin de un mtodo de clculo para el ajuste de balance de materiales desarrollado por [47].

8.1 AJUSTE DE BALANCE PARA SISTEMAS DE 1 NODO

Para explicar los fundamentos matemticos del ajuste para sistemas de 1 nodo, se analizar un separador tpico, con flujos de alimentacin, concentrado y cola; segn la Figura 8.1. Los flujos msicos involucrados son w1, w2 y w3 respectivamente, conteniendo n elementos de inters, con concentraciones c1i, c2i y c3i.

El balance global de materiales est dado por:

El balance por componentes est dado por:

Considerando los errores intrnsecos a los mtodos de muestreo y anlisis (ji), asociados a los valores de las concentraciones de los diferentes elementos de inters en cada corriente, estos pueden expresarse segn:

De esta forma, la ecuacin 8.3 se puede expresar como:

CAP. 9

Instrumentacin y Control

9.1. Objetivos del Control

El objetivo fundamental del control de procesos de concentracin de minerales es reducir la variabilidad de la recuperacin y la ley del concentrado, ocasionados por la variabilidad natural del mineral de alimentacin. La reduccin en la variabilidad representa en general una mejora en el nivel de productividad, garantizando por ejemplo mayores recuperaciones para igual ley, o mayores leyes de concentrado para recuperaciones equivalentes. Adems, se logra una mejora en los indicadores operacionales, mayor disponibilidad, reduccin de costos, y finalmente se potencia la opcin de usar estrategias de control ptimo.

9.2. Problemas de Diseo, Instrumentacin y Operacin

El diseo de los equipos y la seleccin de la instrumentacin de un proceso constituyen las primeras restricciones para su control; por ejemplo: limitaciones en la capacidad, flexibilidad, accesos para muestreo o instrumentacin, etc.

Respecto a la medicin en lnea de variables de inters (leyes, flujos, recuperaciones), en general existe baja disponibilidad y baja confiabilidad, por falta de instrumentacin o mantenimiento. Es comn encontrar fallas en la cadena instalacin, calibracin y contrastacin de los instrumentos por falta de coordinacin entre las partes interesadas.Algunas veces, se pierde informacin valiosa por falta de conocimiento en el uso apropiado y oportuno de la informacin. Desde el punto de vista del proceso, la variabilidad de las condiciones de operacin (leyes, granulometra, flujos, densidades) impone otro desafo para lograr un adecuado control.

9.3. Condiciones Limitantes para la Operacin

Los equipos de flotacin industrial operan en un estrecho rango de tamao de burbuja y velocidad superficial de gas, que corresponde al rango de velocidad superficial de rea de burbujas de alrededor de Sb = 30 - 80 []. Los lmites estn impuestos por la existencia de una interface pulpa-espuma distintiva, requerida para la separacin, y por el transporte de masa a travs de la interface pulpa-espuma.

Por otro lado, el mximo tamao de burbujas de alrededor de 3 mm, resulta limitante por la prdida de estabilidad de la espuma, y la necesidad de una zona de calma cerca de la interface limita la velocidad superficial del gas Jg alrededor de 3 cm/s.

9.4. Desarrollos en el Control de la Flotacin

Las mejoras en el control de flotacin corresponden a desarrollos en diferentes tareas: mediciones, modelos funcionales y dinmicos, estrategias de control y algoritmos de control.

La falta de conocimiento del proceso, especficamente su comportamiento no estacionario (transiente) y la interaccin entre variables, generalmente hacen que el control distribuido convencional sea de baja calidad y parcialmente inhiben el uso de estrategias de control ms complejas o inteligentes.

Desde la dcada de 1970, uno de los principales avances en control de flotacin est relacionado con el uso de mediciones en lnea de leyes de mineral, de all la oportunidad para automatizar el control del proceso basado en:

a) Medicin directa de un objetivo metalrgico.b) Uso de sistemas de control supervisor experto.

El monitoreo en lnea de la flotacin puede incluir:

Flujo volumtrico y la densidad de la pulpa de alimentacin. Flujo de aire. Nivel de pulpa. Dosificacin de reactivos. pH. Medicin de leyes en las corrientes de alimentacin, concentrado y colas.

Otras variables internas tales como la concentracin (holdup) de gas, tamao de burbujas o el flujo real de "vas" de agua en columnas, no son an de uso comn.

Por otra parte, las variables manipuladas ms comunes en la operacin de planta son el nivel de pulpa, flujo de aire, dosificacin de reactivos y el flujo de agua de lavado.Las celdas mecnicas se arreglan en filas para disminuir el cortocircuito y tambin por razones de control. Cada fila consiste en un nmero de bancos de celdas de flotacin en serie.Tpicamente, para celdas de gran tamao de 40 - 130 m3, el nmero de celdas por banco es de 2 o 3, y el nmero total de celdas por fila es de 8 -10. Ahora, debido al aumento en el tamao de las celdas el nmero total de celdas por fila tiende a disminuir. Al respecto, se ha sugerido el uso de un mnimo de 5 celdas de gran tamao por fila para compensar los problemas de cortocircuito y control 21.

Hace algunos aos atrs era comn ver muchos circuitos de flotacin con numerosas cmaras de TV, que permitan al operador seleccionar cada celda y observar el rebalse de la espuma mientras tomaba decisiones en una sala de control centralizada. En los ltimos aos el desarrollo de los sistemas de visin de espuma por computador junto con el anlisis automtico de imgenes ha permitido la caracterizacin en lnea de la superficie de espumas industriales, incluyendo la distribucin de tamaos de burbuja, estabilidad y la estimacin de la velocidad de remocin de la espuma. Estos sistemas ahora estn disponibles comercialmente y ha sido usado en algunas plantas para propsitos de control mediante manipulacin del flujo de aire y nivel de pulpa. Sin embargo, todava no se dispone de correlaciones prcticas para estimar la ley del mineral y la recuperacin de espuma a partir de los parmetros de la superficie de espuma.

En consecuencia, a pesar que la informacin de la velocidad de descarga de espuma es una herramienta valiosa para mantener una operacin ms estable bajo control automtico, la medicin de leyes en lnea resulta imperativa para optimizar la operacin. Tambin, se ha observado que an estn presentes algunos antiguos problemas relacionados con la confiabilidad (calibracin), robustez y mantenimiento de la instrumentacin.

Por otra parte, se ha logrado un control efectivo de columnas de flotacin industrial usando un sistema de control supervisor que coordina la manipulacin del nivel de pulpa, el flujo de aire, y el flujo de agua de lavado (dosificacin de reactivos) con el fin de mantener la ley de concentrado en un rango determinado 49.

En resumen, los avances en el control de flotacin estn relacionados principalmente con el desarrollo de nueva instrumentacin, por ejemplo sistemas de visin de espuma y automatizacin del proceso. El uso de la informacin disponible en lnea bajo control supervisor experto, incluyendo mediciones de objetivos metalrgicos tales como leyes, permiten un mejor diseo de las estrategias de control.

9.5. Caso Ejemplo: Columnas

El objetivo bsico del sistema de control es mantener la columna en condiciones de operacin estables. Esto se logra normalmente a travs del ajuste automtico del nivel de la interface pulpa-espuma. Con el fin de lograr una operacin ms eficiente, generalmente se controlan los flujos de agua de lavado y de aire, en forma manual o automtica. El control puede realizarse mediante regulacin de variables intermedias como el holdup de aire o el bias, o bien responder a la medicin directa de las leyes de concentrado final, alimentacin y relaves 24, 50.

Para estabilizar la columna se usan dos alternativas de control 20:

a) Control de nivel mediante la adicin de agua de lavado, mientras que el flujo de la cola se controla por la diferencia o la razn entre los flujos volumtricos de cola y alimentacin, usando el bias como referencia (set-point). Esta alternativa es de mayor costo y generalmente posee una respuesta ms lenta.

b) Controla de nivel mediante la variacin del flujo de pulpa de la cola, y el agua de lavado se ajusta a una referencia (set-point) predeterminada. Este control es ms simple y de menor costo.

Eventualmente, la referencia del agua de lavado puede estar asociada al bias, si se dispone de medidores de flujo de alimentacin y colas.

Los flujos de agua de lavado y de aire, y la presin del sistema de aireacin deben controlarse automticamente para mantener la estabilidad operacional de la columna de flotacin y garantizar el desempeo metalrgico previsto. En algunos casos el flujo de alimentacin se controla automticamente para estabilizar la operacin 51.

La tendencia actual consiste en medir directamente la variable objetivo, por ejemplo la ley del concentrado, y actuar sobre el flujo de aire, flujo de agua de lavado, el nivel de la interface y la dosificacin de reactivos, a fin de controlar el objetivo en la forma ms eficiente posible, por ejemplo con la mxima recuperacin. La Figura 9.1 muestra un esquema de esta operacin.

9.5.1. Sensores

Para el control del nivel de la interface pulpa-espuma se usan diferentes tipos de sensores.

Los ms comunes son:

a) Sensores de presin: Los sensores de presin se instalan en la pared de la columna (captor de diafragma, dPcell ) o bien se introducen desde el tope de la columna (tubo de burbujeo o tubo de presin esttica). La principal limitacin del control de nivel usando un solo sensor en la zona de coleccin es la dependencia de la presin con las densidades de la pulpa y la espuma, que varan con las condiciones de operacin, en forma difcil de predecir 23.b) Sensores de conductividad: La variacin de conductividad elctrica entre la zonas de coleccin y la zona de espuma ocurre principalmente debido a la diferencia de la concentracin (holdup) de aire 52. De esta forma, la posicin de la interface se puede estimar observando la variacin en la conductividad elctrica a travs de la interface, mediante sensores instalados longitudinalmente 51.

c) Sensores de temperatura: La variacin de temperatura entre las zonas de coleccin y la zona de espuma ocurre principalmente debido a la diferencia de temperatura entre el agua de lavado, generalmente ms fra, y la pulpa que viene de molienda o remolienda. De esta forma, la posicin de la interface se puede estimar observando la variacin en la temperatura a travs de la interface, mediante sensores instalados longitudinalmente 51.

d) Sensores de profundidad de espuma: La profundidad de espuma es importante para lograr una adecuada separacin entre las burbujas mineralizadas y la pulpa arrastrada a la espuma. Una espuma baja aumenta la contaminacin del concentrado, mientras que una espuma alta reduce la recuperacin. El control de la profundidad de espuma es fundamental en la operacin industrial, y requiere de sensores robustos y adecuadamente calibrados y contrastados. Actualmente, los sensores ms confiables estn basados en la medicin del nivel con un elemento flotador y la transmisin de la seal mediante sensores de ultrasonido. De esta forma se combina la medicin directa con una seal de transmisin que es fcilmente adaptable a cualquier sistema de informacin y control 53.