INSTRUMENTAÇÃO DO PROCESSO DE FLOTAÇÃO EM COLUNA APLICADA AO TRATAMENTO DE MINÉRIOS. AMANDA D. JUNQUEIRA, DIMAS J. NETO, FELIPE O. GONÇALVES, GRASIELA OTTO, JEÍSA F. P. RODRIGUES Instituto de Ciência e Tecnologia, Universidade Federal de Alfenas – MG 37700-000 Poços de Caldas, MG, Brasil
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[email protected] Resumo A flotação é um processo mecânico de separação de particulados sólidos que explora principalmente a propriedade de hidrofobia. A coluna de flotação é um equipamento dinâmico de seção circular ou retangular com altura mais desenvolvida que o diâmetro, ela pode ser dividida em regiões distintas com características especificas, são elas: zona de coleta e zona de limpeza. As variáveis envolvidas no processo são manipulas ou controladas e os instrumentos escolhidos estão diretamente relacionados com o comportamento dessas variáveis. Para ser efetuada a escolha dos instrumentos, levou-se em conta a perda de carga, as condições do processo – pH, custo e manutenção. Os instrumentos em questão são: medidor eletromagnético de vazão, medidor de nível ultrassônico, placa de orifício e transmissor de pressão capacitivo. Palavras – chave: Flotação, separação, instrumentos.
Abstract – The flotation is a mechanical process of solid particles separation what explore hydrophobic properties mainly. The flotation column is a dynamic equipment of circular or rectangular section with height more developed than diameter, it can be divided into distinct regions with specific characteristics, which are: collection zone and cleaning zone. The variables involved in the process are manipulated or controlled and the chosen instruments are directly related to the behavior of these variables. To make the choice of instruments was taken into account the charge loss, the process-pH conditions, the cost and maintenance. The instruments in question are: electromagnetic flow meter, ultrasonic level meter, orifice plate and capacitive pressure transmitter. Keywords: flotation, separation, instruments.
através de uma suspensão aquosa contendo as 1 Introdução
partículas, pois devido à afinidade química, as partículas hidrofóbicas e as bolhas de ar se atraem
A flotação é um processo de separação de
mutuamente. Existem
particulados sólidos que explora as diferenças das propriedades de superfície entre as espécies presentes. O método trata polpa de minérios e é conduzido na presença de bolhas de ar que “capturam” as partículas
poucos
minerais
hidrofóbicos, no entanto, esta propriedade pode ser induzida
pela
adição
de
reagentes
químicos
especializados. Para que ocorra a flotação são necessários três
formando o agregado partícula/bolha. Os agregados formados então flutuam até a superfície do reator, onde
naturalmente
fenômenos:
são removidos. A seletividade da separação baseia-se
Colisão da partícula com a bolha de ar;
no fato de que as superfícies das diferentes espécies
Adesão da partícula na bolha e
minerais podem apresentar distintos graus de
Transporte do agregado até a espuma.
hidrofobicidade. Partículas hidrofóbicas apresentam repelência à água. Já o conceito oposto é designado como hidrofilicidade. Em termos de polaridade, uma
2 Motivação
partícula hidrofóbica apresenta superfície apolar e uma hidrofílica exibe superfície polar.
Os resultados metalúrgicos do processo de
Nos sistemas de flotação a fase líquida é a
flotação estão diretamente relacionados ao controle do
água (polar) e a fase gasosa é o ar (apolar). Então a
teor e da recuperação do mineral flotado. Contudo, a
separação é possível fazendo-se passar um fluxo de ar
medição direta destas variáveis é inviável e imprecisa.
transbordo,
caracterizando
Em decorrência destas dificuldades, normalmente são
(CUSTÓDIO, 2008).
o
material
flotado
utilizadas outras variáveis como forma alternativa de
A flotação pode ser direta ou reversa. Na
monitorar e controlar a qualidade e a eficiência do
primeira, o material flutuado é o de interesse e na outra,
processo. Algumas destas variáveis são: a altura da
o afundado é o útil comercialmente. As colunas
camada de espuma, o hold up do ar e o bias.
industriais têm um diâmetro efetivo da seção
Neste sentido, optou-se por descrever os sistemas de
transversal variando entre 0,3 e 4,5 metros. Colunas
flotação por ser multivariável, onde a perturbação de
com
uma propriedade interfere diretamente numa segunda.
normalmente compartimentadas através de baffles
diâmetros
superiores
a
1,5
metros
são
verticais, com o objetivo de minimizar os efeitos de turbulência interna. A altura total das colunas pode 3 Descrição do processo de flotação em coluna
variar em função das características operacionais requeridas, notadamente dos tempos de residência
A coluna de flotação é um equipamento dinâmico que confere trajetórias distintas às partículas com diferentes graus de hidrofobicidade. Apresenta
exigidos, mas a maioria das colunas industriais tem uma altura variando entre 10 e 15 metros (AQUINO; OLIVEIRA: FERNANDES, 2004). Conforme a figura 1, uma coluna pode ser
seção circular ou retangular, com a altura mais desenvolvida do que o diâmetro. O material que alimenta a coluna (polpa) é condicionado com reagentes específicos em uma etapa anterior, utilizando tanques agitados. Esse material alimenta a coluna a aproximadamente dois terços de sua altura total. No interior da coluna, a polpa realiza uma trajetória descendente em contracorrente com um fluxo ascendente de ar, introduzido no sistema pela parte inferior (PERES et al., 2007). O ar introduzido tem a finalidade de gerar bolhas ascendentes e coletar as partículas hidrofóbicas, transportando-as para a espuma. Esta técnica utiliza o princípio de contracorrente para colocar em contato o fluxo descendente de polpa com o fluxo ascendente de ar. A colisão entre partícula hidrofóbica e bolha de ar faz com que ocorra adesão entre essas espécies, formando uma bolha com a superfície mineralizada, que exibe uma densidade aparente menor do que a do meio e, portanto, flutua até o topo da coluna. As partículas hidrofílicas que não se aderem as bolhas de ar são retiradas na base do equipamento, caracterizando o não flotado. Já as partículas carreadas pelas bolhas formam uma espessa camada de espuma mineralizada de altura aproximada de um metro, sendo retiradas por
dividida
basicamente
características
distintas,
em a
duas zona
regiões de
com
coleta
ou
recuperação e a zona de limpeza. i- Zona de coleta: é a seção que compreende desde o aerador até a interface polpa/espuma, onde ocorre o fenômeno da adesão de partículas hidrofóbicas na bolha
ascendente,
formando
o
agregado
(partícula/bolha) que é transportado até a camada de espuma que se forma na superfície da coluna. ii- Zona de limpeza: compreende a seção que vai desde a interface polpa/espuma até o transbordo, onde há a adição de água de lavagem com auxílio de dispersores. A água de lavagem promove a estabilização do leito de espuma e remove as partículas hidrofílicas arrastadas mecanicamente e também as partículas fracamente aderidas à espuma.
Como em todo operação de concentração, também para a flotação é difícil obter o teor e a recuperação desejados numa única etapa. Assim, é usual circuitos de flotação em série como o do AnexoI, onde a instrumentação descrita anteriormente é válida para cada coluna. Do ponto de vista do controle, as principais variáveis do processo de flotação em coluna podem ser classificadas em manipuladas e controladas. Entre as variáveis manipuladas estão: vazão de água de lavagem, vazão do não flotado e vazão de alimentação de ar. Entre as variáveis controladas: recuperação, percentagem de sólidos no concentrado, teor do metal de interesse, bias, altura da camada de espuma e hold up do ar, sendo as três primeiras também chamadas de variáveis de controle primárias e as três ultimas de variáveis de controle secundárias.
Figura 1. Esquema representativo de uma coluna de
3.1 Variáveis manipuladas
flotação. Fonte: OLIVEIRA e AQUINO, 2005. Estão relacionadas com o processo como
A alimentação da coluna de flotação passará por uma linha com transmissor indicador de vazão magnético, intertravado com indicador e alarme de vazão. Esta coluna de flotação receberá ar de processo através de uma linha com indicadores de pressão, válvula com controle de pressão e transmissor indicador de vazão magnético com indicador e alarme de vazão, intertravados com controlador de vazão da válvula de controle de dupla ação. A água de processo para aspersão na coluna de flotação passará por uma linha com transmissor indicador de vazão magnético e com válvula de controle de dupla ação com indicador controlador de vazão (SALES, 2006). A coluna possuirá ainda indicador transmissor de nível e alarme de nível alto e baixo, intertravados
descrito a seguir. Vazão de água de lavagem: A água de lavagem tem por finalidade: substituir a água de processo na fração flotada minimizando o arraste de sólidos hidrofóbicos; aumentar a altura e a estabilidade da camada de espuma além de reduzir a coalescência das bolhas. Este fluxo de água confere à coluna a possibilidade de aumentar a seletividade sem perda de recuperação (AQUINO; OLIVEIRA; FERNANDES, 2004). Geralmente utiliza-se para a medição da água de lavagem um medidor eletromagnético de vazão. A vazão de água geralmente é expressa em termos de velocidade superficial (vazão pela área da seção da coluna), que para circuitos de flotação em coluna variam de 0,2 a 1,0 cm/s.
com indicador controlador de nível da válvula de
É importante frisar que a água de lavagem
controle de dupla ação da linha do produto afundado,
eleva a fluidez da camada de espuma e facilita seu
além de dois transmissores de pressão instalados na seção de recuperação.
escoamento para a calha de coleta. i- Vazão do afundado: A remoção do afundado deve ser feita de modo a garantir a estabilidade da
interface polpa/espuma frente às oscilações da
recuperação pode diminuir, caso contrário, a zona de
vazão de água de lavagem e principalmente da
limpeza fica menor, o que significa diminuir a
alimentação, uma vez que a vazão de alimentação
drenagem da espuma, deteriorando seu teor (DELL
depende de processos anteriores (GUIMARÃES e
VILLAR et al.,1994 apud PERSECHINI et al., 2001).
PERES, 1995).
Para determinar a altura da camada de
A instrumentação para a medida do fluxo de
espuma, usa-se o princípio da diferença de densidade
saída do material afundado normalmente conta com um
entre a espuma e a polpa. Geralmente coloca-se uma
medidor de vazão volumétrico também do tipo
boia de densidade intermediária entre essas duas
magnético.
regiões, que auxiliará o medidor de nível ultra-sônico,
Vazão de alimentação de ar: A vazão de ar ótima
conforme a figura 2.
depende do tipo de mineral, da recuperação em massa do flotado, da granulometria e tamanho das bolhas (GUIMARÃES e PERES, 1995). O excesso de ar provoca perdas de recuperação devido ao aumento do coeficiente de mistura e da passagem do fluxo para turbulento. A escassez de ar também pode provocar baixa recuperação devido à deficiência de contato entre as partículas e as bolhas. Para a medição da vazão de ar comumente utiliza-se
medidores
de
placa
de
orifício
ou
eletromagnético de vazão.
3.2 Variáveis controladas
Figura 2. Sistema para aferição do nível utilizando boia em apoio ao sensor ultra-sônico. Fonte: SALES,
O objetivo principal de um sistema de controle
2006.
para a flotação é a melhor recuperação em massa e em teor do mineral de minério no concentrado, entretanto,
Bias:
esses parâmetros não são medidos diretamente. Logo, o objetivo do controle passa a ser a estabilidade da coluna em valores pré-estabelecidos de altura da camada de espuma, do Bias e do Hold up para se obter a recuperação e o teor desejado. (ARAUJO, 2010). i- Nível e altura da camada de espuma:
O bias é o fluxo residual de água que passa pela zona de limpeza, promovendo o retorno para a região de coleta das partículas hidrofílicas que foram arrastadas
mecanicamente,
melhorando-se
a
seletividade do processo. Normalmente é estimado pela diferença entre a vazão do afundado e a vazão da polpa
A interface polpa/espuma determina o limite entre a
de alimentação. (BATISTELLA, 2009).
zona de coleta e de limpeza. O nível de polpa
A velocidade superficial de bias é mantida entre 0,1
determina a altura da zona de coleta e influencia a
e 0,3 cm/s em escala industrial. O aumento excessivo
recuperação do mineral útil, enquanto que a altura da
deste
camada de espuma determina a zona de limpeza e
movimentos axiais na zona de limpeza (TAKATA,
influencia na seletividade do processo. Se a interface é
2009).
muito baixa, a zona de coleta fica reduzida e a
parâmetro
promove
turbulência
e
induz
Para o cálculo do bias, basta utilizar os valores
Nos sistemas de flotação, uma perturbação numa
obtidos nos instrumentos de vazão do afundado e da
variável
polpa de alimentação, não necessitando de uma
caracterizando estes sistemas como multivariáveis.
instrumentação específica.
Através das relações que se estabelecem entre as
ii- Hold up:
variáveis que são controladas nos objetivos secundários
É a fração volumétrica ocupada pelo ar em uma
influencia
diretamente
em
outra,
e as variáveis que se deseja controlar nos objetivos primários, observa-se que o alcance dos objetivos
determinada região da coluna. A relação entre o hold up do ar na zona de coleta e a vazão de ar é usada para definir o regime de flotação.
primários ocorre como consequência da realização dos objetivos secundários.
Aumentando-se a vazão de ar até certo ponto, o hold up cresce linearmente, caracterizando uma distribuição homogênea de bolhas. Após esse ponto, o hold up se torna instável com o aparecimento de bolhas grandes, conforme se nota no Anexo-II.
4- Instrumentação da coluna De
acordo
com
Persechini
(2001),
os
instrumentos necessários para medir e manipular as
O hold up do ar pode ser estimado pela equação 1,
variáveis envolvidas no processo de flotação em coluna
através da diferença de pressão lida entre dois
devem apresentar as seguintes características:
manômetros instalados na seção de recuperação. Neste
i- Apresentar robustez e precisão para suportar os
caso, a densidade da polpa. (
) deve ser conhecida
(AQUINO; OLIVEIRA; FERNANDES, 2004).
diferentes tipos de minérios e as condições operacionais, como pH e abrasividade e ii- Possuir flexibilidade na calibração dos valores de escala para que os instrumentos possam se adequar às variadas condições de operação.
Onde:
é a diferença de pressão em kPa;
densidade da polpa em g/cm³ ; gravidade em cm/s2 e
éa
é a aceleração da
4.1 – Seleção dos instrumentos
é a distância entre as tomadas
de pressão em cm.
De acordo com Takata (2009), os parâmetros operacionais e de projeto normalmente utilizados em
Recomenda-se medir a diferença de pressão a uma distância pequena da base da coluna (2 a 3 m), devendo
colunas industriais no ponto médio da zona de recuperação podem ser visualizados no Anexo-III.
o primeiro medidor ficar a uma distancia mínima de
De posse dos valores dos parâmetros de
pelo menos um diâmetro da coluna, para evitar
projeto, pode-se fazer a seleção da instrumentação
distúrbios provocados pela introdução de ar. Desta
necessária ao controle.
forma, a densidade da polpa na zona de coleta pode ser
Medidor eletromagnético de vazão:
aproximada pela densidade do afundado (FINCH e DOBBY, 1990).
Este instrumento é aplicado para medir vazão de água de lavagem, vazão de alimentação, vazão de ar
As tomadas de pressão podem ser feitas por
e vazão do afundado, pois apresenta uma perda de
manômetros de água, transdutores ou transmissores de
carga mínima equivalente a um trecho reto da
pressão.
tubulação, o que diminui os custos por bombeamento; a
A estimação dos valores das variáveis recuperação
calibração do sistema praticamente não é afetada pela
e teor do concentrado de forma on line não é usual. Na
variação da condutividade, densidade, turbulência e
prática, o controle visa os objetivos secundários, tais
viscosidade do fluido.
como a altura da camada de espuma, hold up e o bias.
O medidor eletromagnético a ser adotado, para
processamento de minérios. A altura da coluna de 10
a medida da vazão de polpa será o OPTIFLUX 5000 F
m, encontra-se dentro do range, conforme Anexo - VII.
da empresa Conaut por possuir revestimento interno cerâmico, resistente a abrasão e corrosão necessários
Transmissor de pressão capacitivo:
devido ao elevado pH e a presença de sólidos particulados. O diâmetro
A técnica de medição do hold up do ar mais
da linha de alimentação
frequentemente utilizada dois medidores de pressão
estimado é de 200 mm, o qual encontra-se dentro do
posicionados na seção de concentração da coluna, os
range de diâmetro nominal do instrumento em questão,
mais utilizados são os do tipo capacitivo, devido a sua
conforme pode ser visualizado no anexo IV.
alta exatidão, rangeabilidade e estabilidade. Estes
Para a medida de vazão de ar o medidor
sistemas de medição não sofrem influencia de
eletromagnético a ser adotado será o Tubo Sensor
temperatura,
campo
magnético
ou
oscilações
OPTIFLUX 2000 da empresa Conaut (anexo V) por
mecânicas, o que é um ponto positivo para a sua
estar adequado à estimativa de diâmetro, 300 mm, e à
seleção.
pressão de trabalho de 4.5 bar, encaixando-se na classe
Nele um diafragma de medição se move entre
de pressão ASME 150#. Como o ar não é abrasivo
dois diafragmas fixos. Entre os diafragmas fixos e o
dispensa-se um revestimento especial , utilizando o de
móvel, existe um fluido de enchimento dielétrico.
borracha diminuindo assim o custo do instrumento.
Como um capacitor de placas paralelas é constituído
O medidor eletromagnético a ser adotado para
por duas placas separadas por um meio dielétrico, ao
a medida de vazão de água de lavagem será o Tubo
sofrer o esforço de pressão, o diafragma móvel (que
Sensor OPTIFLUX 4000 da empresa Conaut por estar
vem a ser uma das placas do capacitor) tem sua
enquadrado no diâmetro necessário, estimado em
distância em relação ao diafragma modificada. Isso
127mm
provoca modificação na capacitância de um circuito de
e não possuir revestimento de alto custo
(Anexo VI).
medição, e então, tem-se a medição de pressão.
Todos os instrumentos medidores descritos acima utilizam de flanges
A medida do hold up utilizando outros equipamentos, como os baseados no perfil de temperatura e de condutividade térmica, é imprecisa
Medidor de nível ultrassônico:
devido às oscilações da densidade da polpa de minério
Os sensores ultrassônicos são os medidores de
durante a operação.
nível de uso mais corriqueiro no âmbito da flotação.
O transmissor de pressão capacitivo a ser adotado
Este instrumento é aplicado para medição do nível e
será o Transmissor de Pressão Inteligente LD1.0
altura da camada de espuma, pois não tem contato com
modelo: LD1.0-M4-1l-0H0 da empresa SMAR. O
o fluido. A onda sonora de ultrassom ao ser emitida e
LD1.0 é um transmissor inteligente para medição de
encontrar um obstáculo (a bóia com densidade
pressão manométrica. O transmissor é baseado num
intermediária polpa/espuma - item 3.2.i), retornando ao
sensor capacitivo, que proporciona uma operação
receptor em determinado tempo de trânsito. A partir
segura e um excelente desempenho em campo. Este
deste tempo é possível a determinação da altura da
equipamento foi escolhido por apresentar uma pressão
camada de espuma.
de trabalho compatível com a requerida. (Anexo VIII).
O medidor de nível ultrassônico a ser adotado será o Sensor de nível IP68 da empresa Nivetec por possuir
eletrônica
inteligente
para
suprimir
interferências internas, ruídos, ondulações, agitação ou espumas, interferências recorrentes em uma coluna de
5- Conclusão
Conclui-se que para a escolha dos instrumentos
GUIMARÃES, R. C.; PERES, A. E. C. Máquinas de
utilizados em qualquer processo industrial deve-se
flotação. Relatório Técnico BT/PMI/046, Escola
conhecer o processo, as variáveis envolvidas bem
Politécnica DEM – USP, 1995
como o principio de funcionamento dos instrumentos
LEAL FILHO, L. S. Flotação. Belo Horizonte: tte,
em questão.
2007.
Para o caso da coluna de flotação, consideraram-se
OLIVEIRA, M. L. M.; AQUINO, J. A. Aspectos
os custos envolvidos, a precisão dos equipamentos, a
relevantes das colunas de flotação. In: ENTMME, 21,
estabilidade e a manutenção envolvida.
2005, Natal. Anais... 2005. P. 44 – 52. Disponível em:. Acesso em: Fev. 2013. PERES, A. E. C. et al. Métodos de concentração. In:
ANTUNES, T.P.M.; Aumento da seletividade da flotação de minério de ferro com utilização de poliacrilato conclusão
de de
sódio. curso
2011.102f. (Graduação).
Trabalho
de
Universidade
Presidente Antonio Carlos, Conselheiro Lafaiete, 2011. AQUINO,
J.
A.;
OLIVEIRA,
M.
L.
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ANEXO-I: Fluxograma simplificado do circuito de flotação da ITM – I do Pico. Fonte: ANTUNES, 2011.
Anexo-II: Efeito da velocidade superficial do ar ( FONTE: VIEIRA, 2005.
sobre o “hold up”.
ANEXO-III: Parâmetros operacionais e de projeto normalmente utilizados em colunas industriais. FONTE: TAKATA, 2009
ANEXO IV - Datasheet Optiflux 5000 F
ANEXO V - Datasheet Tubo Sensor OPTIFLUX 2000
ANEXO VI – Datasheet Tubo Sensor OPTIFLUX 2000
ANEXO VIII – Datasheet Transmissor de Pressão Inteligente LD1.0
