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Departamento de Ingeniería en Minas Facultad de Ingeniería
Universidad de Santiago
Curso: Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
“Dimensionamiento Planta de Hidrometalurgia de Minerales de Cobre”
Hernán Vives Navarro
Octubre 2014
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
– Factores y parámetros de diseño para dimensionar equipos de procesos.
– Metodología para el dimensionamiento (algunos ejemplos).
– Factores técnicos o indicadores claves para el desempeño del negocio minero (KPI).
Alcance
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Diagrama de Proceso
Balance de Masa Sistema de Chancado
Tambor Aglomerador ⁻ Dimensionamiento
⁻ Balance de aglomeración
Pila de Lixiviación
Extracción por Solventes
Electroobtención
Contenidos
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
(2 - 3)
(56.000 Th) (2 -3) (4 - 6) (2–3 x 1.700T)
(2 - 3)
(2 trenes 1.750 m3/h c/u) (504 celdas – 276,5 A/m2)
(1- 60” x 110”) (56.000 Th) (2 -3) (4 - 6) (2–3 x 1.700T)
(2 - 3)
(2 trenes 1.750 m3/h c/u) (504 celdas – 276,5 A/m2)
(1- 60” x 110”)
Fuente: Minera Gaby, Codelco-Chile
Diagrama de Proceso
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Fuente: Minera Gaby, Codelco-Chile
Diagrama de Proceso
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Diagrama de Proceso
Balance de Masa Sistema de Chancado
Tambor Aglomerador ⁻ Dimensionamiento
⁻ Balance de aglomeración
Pila de Lixiviación
Extracción por Solventes
Electroobtención
Contenidos
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Balance Sistema de Chancado
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Balance Sistema de Chancado
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Unidad
Al imentación
Chancado
Primario
Producto
Chancado
Primario
Al imentación
Harnero
Secundario
Colección
Producto
Secundario
Bajo Tamaño
Harnero
Secundario
Al imentación
Chancador
Secundario
Producto
Chancador
Secundario
Al imentación
Harnero
Terciario
Al imentación
Chancador
Terciario
Bajo Tamaño
Harnero
Terciario
Producto
Chancador
Terciario
Sólidos Secos t/h 3208 3208 1604 1604 740 864 864 802 478 324 478
Flujo m3/h
Agua Total m3/h
Sólidos Peso, Humedo t/h 3290 3290 1645 1645 759 887 887 823 491 332 491
Sólidos Secos t/h 4278 4278 2139 2139 986 1153 1153 1069 638 432 638
Flujo m3/h
Agua Total m3/h
Sólidos Peso, Humedo t/h 4387 4387 2193 2193 1011 1182 1182 1097 654 443 654
Sólidos Secos t/h 4919 4919 2460 2460 1134 1326 1326 1230 734 496 734
Flujo m3/h
Agua Total m3/h
Sólidos Peso, Humedo t/h 5045 5045 2522 2522 1163 1359 1359 1261 752 509 752
Densidad t/m3 1.7 1.7 1.7 1.7 1.7 1.7 1.7 1.7 1.7 1.7 1.7
Humeda, Base Seca % 2.55% 2.55% 2.55% 2.55% 2.55% 2.55% 2.55% 2.55% 2.55% 2.55% 2.55%
Factor de Diseño % 15% 15% 15% 15% 15% 15% 15% 15% 15% 15% 15%
Disponibilidad % 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75%
Otros
Descripción
Número de Flujo
Nominal
Instantáneo
Diseño
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Diagrama de Proceso
Balance de Masa Sistema de Chancado
Tambor Aglomerador ⁻ Dimensionamiento
⁻ Balance de aglomeración
Pila de Lixiviación
Extracción por Solventes
Electroobtención
Contenidos
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Ø
Ѳ
N
Donde: L: Largo (m) D: Diámetro (m) Ѳ: Ángulo de inclinación (°) Ø: Ángulo de reposo material (°) N: Velocidad de rotación (RPM)
Tambor Aglomerador
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Datos de entrada: − Tonelaje por hora − Número de tambores − Porcentaje de llenado tambor (p.e: 14%) − Densidad aglomerado salida (p.e: ρ=1.62 t/m³) − Razón largo/diámetro (p.e: 3) − Velocidad crítica ( 30%, como porcentaje de la velocidad de rotación
del tambor) − Tiempo de residencia tambor (p.e: 45 segundos)
Tambor Aglomerador
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Para determinar las dimensiones del tambor se calcula:
− Tonelaje instantáneo contenido por tambor (tresidencia*tph) − Volumen aglomerado dentro del tambor (Ti/ρ) − Volumen interno del tambor (Va/14%) − Usando la fórmula siguiente se despeja el diámetro − Con la razón largo/diámetro se obtiene la longitud del tambor.
3**4
3V
Tambor Aglomerador
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Otros datos de salida:
− Velocidad crítica de rotación (n) − Velocidad de rotación del tambor (N) − Ángulo de inclinación del tambor (Ѳ)
Donde:
N: Velocidad de rotación T: Tiempo de residencia (s) α: Ángulo de reposo material (°, p.e: 45°) R: Razón L/D
Tambor Aglomerador
N
RT
*
*60*19,0)(min
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Parámetros Operacionales y de Diseño (P. Schmidt, 2001)
Tambor Aglomerador
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Balance Aglomeración
14 15 16 17 18 19 20 21
UnidadMineral a
Acidificación
Mineral a
Acidificación
Ácido Sulfúrico
a Acidificación
Agua a
Acidificador
Mineral
Acidificado
Mineral
Acidificado a
Pilas
Retorno a
tambores
Ácido a
Tambores
Sólidos Secos t/h 1604 1604 1604 3208
Flujo m3/h
Agua Total m3/h 104.4
Ácido Sulfúrico m3/h 10.6 21.0
Sólidos Peso, Humedo t/h 1645 1645 1708 3417
Sólidos Secos t/h 2139 2139 2139 4278
Flujo m3/h
Agua Total m3/h 139.2
Ácido Sulfúrico m3/h 14.1 28.1
Sólidos Peso, Humedo t/h 2193 2193 2278 4556
Sólidos Secos t/h 2460 2460 2460 4919
Flujo m3/h
Agua Total m3/h
Ácido Sulfúrico m3/h 17.2 169.8 20 54.0
Sólidos Peso, Humedo t/h 2522 2522 2620 5239
Densidad t/m3 1.55 1.55 1.84 1.00 1.60 1.60 1.84 1.84
Humeda, Base Seca % 2.55% 2.55% 6.50% 6.50%
Factor de Diseño % 15% 15% 22% 22% 15% 15% 15% 92%
Disponibilidad % 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75%
Diseño
Otros
Número de Flujo
Descripción
Nominal
Instantáneo
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Diagrama de Proceso
Balance de Masa Sistema de Chancado
Tambor Aglomerador ⁻ Dimensionamiento
⁻ Balance de aglomeración
Pila de Lixiviación
Extracción por Solventes
Electroobtención
Contenidos
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Imagen: Google Earth (jul-2009)
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Imagen: Google Earth (Pila permanente Minera Zaldivar, jul-2013)
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Imagen: Google Earth (Pila permanente Sulfuros - Minera Escondida, jul-2013)
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Imagen: Google Earth (jul-2005)
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Imagen: Google Earth (dic-2006)
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Imagen: Google Earth (Jul-2007)
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Imagen: Google Earth (Pila de Lixiviación, Minera El Tesoro)
1420 m
27 m
288 m
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Imagen: Google Earth (Pila de Lixiviación, Minera El Tesoro)
1420 m
27 m
288 m
Rotopala
Apilador
Zona Lixiviada (en
descarga)
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Imagen: Google Earth (Infraestructura RT)
1.345m
350m Rotopala
Apilador
Lixiviación Secundaria
Lixiviación Primaria
Extracción por Solventes
Electroobtención
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Imagen: Google Earth (Oxide Leach Area Project, Minera Escondida, Jul-2014) )
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Lixiviación Primaria y Secundaria – PTMP (Chuquicamata)
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Lixiviación Primaria y Secundaria – Radomiro Tomic
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Lixiviación Primaria y Secundaria – Minera Gaby
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Pila de Lixiviación
Dimensionamiento Pila
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Tiempo de Ciclo (Ejemplo)
2.072 m
277 m
2.082 m
288 m
4 m
Etapa Días
Carga 1
Curado y tendido parrillas 4
Humectación 3
Riego 65
Drenaje y desinstalación de parrillas 4
Descarga módulo 1
Módulos en holguras 4
Módulos ocupados por equipos 2
Total 84
Pila de Lixiviación
Dato derivado de la Razón de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
1
Refin
oR
efin
o
2
Refin
oR
efin
o
3
Refin
oR
efin
o
4
Refin
oR
efin
o
5
Refin
oR
efin
o
6
Refin
oR
efin
o
7
Refin
oR
efin
o
8
Refin
oR
efin
o
9
Refin
oR
efin
o
10
ILS
Refin
o
11
ILS
Refin
o
12
ILS
Refin
o
13
ILS
Refin
o
14
ILS
Refin
o
15
ILS
Refin
o
16
ILS
Refin
o
17
ILS
Refin
o
18
ILS
Refin
o
19
ILS
Refin
o
20
ILS
Dre
n
21
ILS
Dre
n
22
ILS
Dre
n
23
ILS
Dre
n
24
ILS
Desc
25
ILS
Roto
pala
26
ILS
27
ILS
28
ILS
29
ILS
30
ILS
Carg
ador
31
ILS
Carg
a
32
ILS
Cu
rad
o
33
ILS
Cu
rad
o
34
ILS
Cu
rad
o
35
ILS
Cu
rad
o
36
ILS
Hu
m
37
ILS
Hu
m
38
ILS
Hu
m
39
ILS
ILS
40
ILS
ILS
41
ILS
ILS
42
ILS
ILS
Número de Módulos
POR EJEMPLO: Para este caso, el ciclo de riego de lixiviación está contemplado en dos etapas (65 días de riego). El primer ciclo considera riego con solución ILS por 37 días, hasta alcanzar una razón de lixiviación 1,0 m3/ton y un segundo ciclo de 28 días con Refino, hasta alcanzar una razón de lixiviación total de 1,92 m3/ton.
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Pila de Lixiviación
Datos de salida:
bajoriego
eoinsriego
L
Sólido
RiegoPilaCicloUEdiahR
)***/(tantan
Razón de Lixiviación
hmSxaentaciónA
hkgCu
plsCu
/3lim
)/
(
Concentración de cobre PLS
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Dimensionamiento Pila
Datos de entrada:
- Toneladas húmedas - Utilización efectiva (p.e: 96%) - Carga de módulo por día (p.e: 1 módulo por día) - Meta de producción de cobre - Humedad mineral chancado (p.e: 2,55%) - Humedad y densidad mineral acidificado (p.e: 6,5% y 1.62 t/m³) - Dosis de ácido al mineral (kg/ton) - Razón de lixiviación (m³/t) - Altura pila (m) - Tasa de riego (lt/h-m²) - Ciclo de riego (primer y segundo ciclo, ILS y refino, respectivamente)
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Pila de Lixiviación
Datos de entrada: - Ancho de cancha - Ángulo de talud (pe: 37°) - Ciclo modulo apilado - Número de cancha de lixiviación (pe: 2) - Número de módulos por cancha - Extracción de cobre en primer ciclo (pe: 60%) - Extracción de cobre en segundo ciclo - Alimentación instantánea a SX - Extracción de cobre en SX
- Evaporación (goteros) (pe: 8 L/d-m²) - Evaporación (aspersores) (pe: 18 L/d-m²) - Tiempo de riego con aspersores (pe: 40%)
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Pila de Lixiviación
Tpd*(1-H°)
Sólido * Dosis de ácido mx
Sólido por módulo
Ácido por módulo
Agua en modulo acidificado
Masa en un modulo acidificado
Volumen de un modulo acidificado
Acidificado apilado por cancha
Base de apilado en cancha
longitud calculada de modulo
Masa/densidad mx
Volumen mod*N° de mod.
Volumen trapecio
)1(
*)(
)1(
)1(
*
min
H
HQQQ
QH
QQQ
H
QHQ
QQQ
eralAcidoL
SS
L
STL
ST
TL
LSt
Datos de salida:
Suma de masas
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Pila de Lixiviación
Sólido por Módulo * Ciclo de Riego (*)
Sólido bajo riego * Dosis de ácido mx
Masa/densidad mx
Acidificado apilado por cancha
(Ciclo de Riego/ABR)*ACC
)1(
*)(
)1(
)1(
*
min
H
HQQQ
QH
QQQ
H
QHQ
QQQ
eralAcidoL
SS
L
STL
ST
TL
LSt
Datos de salida:
Sólido bajo riego
Ácido en sólido bajo riego
Agua de acidificación en sólido bajo riego
Masa bajo riego
Acidificación bajo riego
Acidificación en cancha completa
Días de ciclo en cancha completa
Módulos en riego en cancha completa
Acidificación en cancha parcial
Base de apilado en cancha parcial
Días de ciclo en cancha parcial
Módulos en riego en cancha parcial
(Ciclo de riego * Volumen acidificado por modulo)
(Toneladas regadas en ciclo de riego)
(ABR)
(ACC)
Base apilado en cancha/Longitud módulo
Remanente para completar el ciclo de riego
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Pila de Lixiviación
Base cancha*ancho cancha
Base cancha parcial*ancho cancha
Suma
Datos de salida:
Área total bajo riego*Tasa de riego
UEdiah
TiempoEvapTiempoEvapgotEvap rsoresriesgoaspeAspersoressoresriegoasper
táneaIns
*/
)**)1(*(tan
Área de cancha completa bajo riego
Área de cancha parcial bajo riego
Área de total bajo riego
Evaporación media instantánea
Evaporación instantánea
Riego instantáneo a pilas
Área total bajo riego/ Evap. Media
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Pila de Lixiviación
Datos de salida:
bajoriego
eoinsriego
L
Sólido
RiegoPilaCicloUEdiahR
)***/(tantan
Razón de Lixiviación
hmSxaentaciónA
hkgCu
plsCu
/3lim
)/
(
Concentración de cobre PLS
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Parámetros Operacionales y de Diseño en Lixiviación en Pilas (P. Schmidt, 2001)
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Dimensionamiento - Pilas ROM - Piscinas de Lixiviación - Ripios
Pila de Lixiviación
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Diagrama de Proceso
Balance de Masa Sistema de Chancado
Tambor Aglomerador ⁻ Dimensionamiento
⁻ Balance de aglomeración
Pila de Lixiviación
Extracción por Solventes
Electroobtención
Contenidos
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Extracción por Solventes
DIMENSIONAMIENTO DE PLANTA SX
Los parámetros de diseño más importantes que deben determinarse para el dimensionamiento de una planta de SX son: – Flujo de solución de lixiviación PLS. – Flujo de solución para la reextracción (electrolito pobre) – Razón O/A – Flujo de Orgánico – Flujo de Recirculación – Número de etapas – Tiempo de retención – Velocidad lineal – Velocidad de Agitación – Reactivo y concentración – Temperatura – Volumen del Mezclador – Área/altura del Sedimentador
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Extracción por Solventes
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Extracción por Solventes
Etapa Ideal (Situación de Equilibrio) La transferencia de masa M en las fases respectivas ha sido suficiente como para que la concentración del metal en el orgánico y en el acuoso sean las de equilibrio.
Etapa Ideal
Acuoso, xf
Orgánico cargado, yc
Refino, xr
Orgánico descargado, yd
Donde, xf: concentración del metal en la fase acuosa. xr: concentración del metal en el refino. yc: concentración del metal en la fase orgánica yd: concentración del metal en el orgánico descargado.
Balance de Masa:
drdf OyAxOyAx
dcrf yyA
Oxx
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Extracción por Solventes
Determinación del Número de Etapas La combinación de la isoterma de distribución y la línea de operación constituyen el diagrama de operación o diagrama de Mc. Cabe- Thiele. Este diagrama es utilizado para estimar el número teórico de etapas en un sistema SX.
La isoterma de distribución es un gráfico de la concentración de la especie extraída en la fase orgánica versus la concentración de la misma especie en fase acuosa, en una situación de “equilibrio” y a una temperatura dada. La línea de operación se basa en un balance de masa, ya que las concentraciones de metal disuelto en el orgánico que entra y la que sale del refino, son coordenadas de un punto sobre la línea de operación. Similarmente, la concentración del elemento metálico en la fase acuosa y en la fase orgánica que sale de cualquier etapa, son coordenadas de puntos sobre la línea de operación.
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Extracción por Solventes
Planta SX de Chuquicamata
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Extracción por Solventes
Determinación del Número de Etapas (2) La representación gráfica anterior corresponde a una situación ideal, es decir, la isoterma de equilibrio supone un equilibrio químico perfecto. Sin embargo, en la práctica no se alcanza esta idealidad y sólo se tiene una isoterma de pseudoequilibrio o equilibrio práctico.
Curva de Pseudo Equilibrio
Alimentación Acuosa
Refino Real
Refino Teórico
Concentración Fase Acuosa (gpl)
Co
nce
ntr
ació
n F
ase
Org
ánic
a (
gpl)
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
ETAPA 1
ETAPA 2
ETAPA 3
[Cu+2]=3,76 g/l
[Cu+2]=3,96 g/l
[Cu+2]=1,8 g/l
[Cu+2]=2,0 g/l
[Cu+2]=0,8 g/l
[Cu+2]=1,05 g/l
[Cu+2]=0,50 g/l
[Cu+2]=0,70 g/l
Flujo orgánico
Flujo acuoso
Extracción por Solventes
Ejemplo Balance Concentraciones de Cobre por Etapa
96.3
7.0)5.076.3(*1
)(*
c
c
drfc
dcrf
y
y
yxxO
Ay
yyA
Oxx
Fuente: Esteban Domic
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Parámetros Operacionales y de Diseño de una Planta de SX (P. Schmidt, 2001)
Extracción por Solventes
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Diagrama de Proceso
Balance de Masa Sistema de Chancado
Tambor Aglomerador ⁻ Dimensionamiento
⁻ Balance de aglomeración
Pila de Lixiviación
Extracción por Solventes
Electroobtención
Contenidos
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Electroobtención
Determinación del Número de Celda (Ley de Faraday) La Ley de Faraday define la cantidad teórica de lámina de cobre. Esta ley se combina con otros criterios de diseño para determinar el número de celdas electrolíticas requeridas.
Fz
tAiPmd ctcellcu
·
····
Donde: - Pcu: peso molecular Cobre (g/mol) - Densidad de corriente nominal, i (p.e: 280 A°/m²) - Eficiencia de corriente nominal, η (%) - Área de depositación del cátodo por ambos lados, At (m²) (p.e: 1m x 1m) - Tiempo, t - Número de electrones en la reacción, Z=2e - Constante de Faraday , F = 96.485,3 C·mol⁻¹ (A*s/mol) - Número de cátodos por celda (p.e: 60) - Md: masa de cobre depositada
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Electroobtención
Para determinar el número de celdas además es necesario conocer:
- Número de cátodos por celda (p.e: 60) - Ciclo nominal (días para la cosecha de los cátodos) - Meta de producción de cobre fino (tpd, tpa) y utilización efectiva del proceso.
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Electroobtención
Datos de Salida:
Forma 1:
- Ley de Faraday incluyendo en ecuación depósito por cátodo de 2 láminas en el tiempo de la cosecha.
- Determinación de cobre depositado por día en cada cátodo.
- Meta de producción por día (incluye UE)
- Obtención de número de celdas para la nave.
Forma 2:
- Por celda-hora, kg/h. Ley de Faraday, considerando 1 hora.
- Por celda-día, kg/d (depositación para 24 horas)
- Por celda-ciclo, kg (cantidad depositada por día * ciclo nominal)
- Producción por año, kg/a (cantidad por día * 364 * UE).
- Obtención de número de celdas para la nave (Meta de producción año/producción año depositado).
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Electroobtención
PM Cu 63,5 kg/kmol
i 300 A/m2
t 5 días de cosecha
Eficiencia de Corriente 0,92
Acat 1,9 m2
Ncat 60
F 96500 A*seg/eq
Z 2 número de electrones en la reacción
Ley de Faraday: m = i*t*A*(PM Cu)/F/z 78,5 kg por cátodo de 2 láminas cada 5 días
Flujo de cobre depositado por cátodo 15,7 kg/d/Cátodo
Flujo de Cobre depositado (md = Q*Delta Cu ) 410400 kg/d
Número de Cátados 26133
Número de Celdas 436
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Electroobtención
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Electroobtención
Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
Electroobtención
Composición Cátodo Grado A
(Fuente: LME - BS EN 1978:1998
Copper Cathodes)
Departamento de Ingeniería en Minas Facultad de Ingeniería
Universidad de Santiago
Curso: Evaluación de Procesos Mineralúrgicos
“Dimensionamiento Planta de Hidrometalurgia de Minerales de Cobre”
Hernán Vives Navarro
Octubre 2014