Arrastre en mezclador-sedimentador: causas y correcciones de emulsión

El arrastre en los circuitos de mezclador-sedimentador es una de las fuentes de pérdida de solvente más controlables: una planta de SX de cobre sana mantiene normalmente el arrastre de orgánico en acuoso por debajo de 50 ppm (mg/L) en base volumétrica. Cuando los niveles superan 100–200 ppm, el inventario de solvente se fuga, la pureza del producto se degrada y el crecimiento de crud se acelera. Este artículo cubre las causas raíz y las correcciones que funcionan en campo.

Ideas clave

• Un arrastre superior a 100 ppm de orgánico en acuoso señala un problema de mezcla, de sólidos o de temperatura.
• Un tiempo de desagregación de fases inferior a 60 s es la prueba práctica de higiene del sedimentador.
• Bajar la potencia de mezcla hacia 1,5–2,5 kW/m³ suele recuperar solvente en semanas.
• Los sólidos finos y el crud, no la química sola, estabilizan la mayoría de las emulsiones persistentes.
• Los extractores centrífugos resuelven límites de separación gravitatoria pero no rescatan un orgánico mal formulado.

Qué son realmente el arrastre y la emulsión

Antes de diagnosticar hay que definir con precisión los modos de falla, porque en planta se confunden de forma rutinaria. El arrastre es un mecanismo de transporte masivo de líquido que arrastra gotas de una fase a la otra después de que las fases tuvieron oportunidad de separarse. El arrastre de orgánico en acuoso envía gotas de extractante y diluyente con el refinado; el arrastre de acuoso en orgánico lleva ácido, hierro e impurezas solubles hacia la sección de reextracción. Ambas direcciones importan y suelen responder a remedios distintos.

calculadora de área de sedimentador y volumen de mezclador

extracción por solventes en hidrometalurgia

relación O/A en extracción por solventes

tratamiento del crud

La emulsión es una dispersión fina metaestable que resiste la coalescencia porque las gotas son pequeñas, porque la película interfacial está estabilizada o por ambas cosas. En extracción por solventes, una dispersión moderada en el mezclador es deseable: crea el área interfacial que necesita la transferencia de masa. El problema es una dispersión que se niega a romperse en el sedimentador. El crud, en cambio, es una película interfacial de sólidos estabilizada que se acumula donde las partículas finas, los precipitados y el orgánico se encuentran en la interfaz. Cada operador maduro de SX trata la gestión de crud como una tarea permanente de mantenimiento y no como una limpieza puntual.

La física es directa. Las gotas ascienden o sedimentan según la ley de Stokes, de modo que la velocidad de sedimentación escala con el cuadrado del diámetro de gota y de forma inversa con la viscosidad de la fase continua. Una gota de 100 µm sedimenta unas cuatro veces más rápido que una de 50 µm, y por eso un mezclador sobreexcitado puede duplicar en silencio la carga sobre un sedimentador que estaba bien dimensionado. También por eso el arrastre debe leerse como un síntoma del sistema y no como una falla puntual. La tensión interfacial gobierna la facilidad con que las gotas coalescen; los sólidos que se concentran en la interfaz —sílice, yeso, arcillas, compuestos de hierro o aluminio precipitados— forman una barrera mecánica que inmoviliza las gotas y produce la clásica capa de lodo que engorda de milímetros a medio metro en semanas.

Parámetros y límites que importan en el diagnóstico

La solución de problemas empieza con medición, no con opinión. Cuatro mediciones de planta localizan la mayoría de los problemas de arrastre en una semana, y todas se pueden registrar con instrumentación básica y disciplina.

D2EHPA frente a Cyanex 272

Tiempo de desagregación de fases (PDT). Tome una muestra mezclada en una probeta graduada y cronometre hasta que la interfaz alcance una posición estable. Un sistema limpio y bien equilibrado muestra PDT inferior a unos 60 s; 60–120 s es una banda de advertencia; por encima de 120 s se le está pidiendo al sedimentador el trabajo de un coalescedor. Registre el PDT a diario: es el indicador más temprano y reacciona a la temperatura, al estado del orgánico y a la carga de sólidos días antes de que el arrastre se mueva en el ensayo de refinado.

Niveles de arrastre. El orgánico en acuoso se mide mejor por recuperación de solvente en una muestra filtrada (método gravimétrico o infrarrojo, en ppm o mg/L: especifique cuál, porque difieren para orgánicos diluidos). El acuoso en orgánico se sigue por contenido de agua (Karl Fischer) o por arrastre de cloruro y sulfato al licor de reextracción.

Potencia de mezcla. La potencia por volumen de mezclador es la variable más subinstrumentada del proceso. Las plantas que instalan un vatímetro o un transductor de potencia en los accionamientos suelen descubrir que operan 30–50% por encima de la intensidad que su química realmente necesita.

Temperatura y viscosidad. La viscosidad de ambas fases cae con la temperatura y la coalescencia mejora con ella. Una planta que pasa de 35 °C a 18 °C en una noche de invierno puede ver triplicarse el PDT sin ningún otro cambio. Donde la geometría y la inflamabilidad del diluyente lo permitan, mantener el sedimentador a 30–40 °C estables es un seguro barato; verifique antes el punto de inflamación del diluyente.

Estado del orgánico y disciplina de muestreo. La tensión interfacial, medida sobre muestras de orgánico y acuoso, cae a medida que el orgánico envejece o acumula productos de degradación; una tendencia descendente con mezcla estable apunta a la química y no al equipo. Respete además la disciplina de muestreo: tome la muestra lejos de vertederos y salidas del sedimentador, donde la turbulencia local exagera el arrastre; use el mismo punto todos los días y filtre o no filtre de forma consistente. Una muestra sin filtrar lee fragmentos de crud como arrastre; una sobrefiltrada lo oculta.

Dos advertencias sobre los límites. Primero, todos los números dependen del extractante, el diluyente, el paquete de modificadores y el sistema metálico: un sistema de laterita de níquel con extractante carboxílico no comparte límites con un circuito de cobre tipo D2EHPA. Segundo, ppm y mg/L solo son equivalentes cuando la densidad de la fase dispersa iguala la del agua; un orgánico diluido a ~0,8 g/cm³ hace que 100 mg/L gravimétricos sean ~125 ppm volumétricos. Declare la base en cada gráfico de tendencia.

Causas raíz en el equipo y cómo separarlas

El arrastre persistente casi siempre se remonta a una o más de seis causas, y el diagnóstico es un ejercicio de reconocimiento de patrones: cada causa deja una huella distinta en el sedimentador.

El caso de la intensidad de mezcla merece énfasis porque es el más común y el más barato de corregir. Todo impulsor tiene un compromiso: el cizallamiento de gotas fija el área interfacial para la cinética de extracción, pero una velocidad de punta excesiva rompe gotas por debajo del tamaño que el sedimentador puede manejar. Muchas plantas heredaron ajustes agresivos de puesta en marcha y nunca los revisaron cuando la química se estabilizó. El mal control de la relación orgánico/acuoso interactúa mal con esto: cuando la relación deriva, un mezclador diseñado para operación orgánico-continua puede invertirse localmente a acuoso-continua y la distribución de tamaños colapsa.

Los sólidos finos merecen su propia advertencia. En circuitos hidrometalúrgicos los sólidos llegan con la solución rica (PLS), se forman in situ como yeso o compuestos férricos básicos, o entran como polvo y arcilla por tanques abiertos. Una vez en la interfaz, estabilizan el crud, y el crud actúa como fábrica de emulsión: inmoviliza gotas, atrapa orgánico y crece cada vez que la carga de sólidos se dispara. Finalmente, la degradación del extractante agrava el cuadro: un orgánico envejecido —por ejemplo D2EHPA hidrolizado en servicio de remoción de impurezas— pierde margen de tensión interfacial, de modo que la misma energía de mezcla que era benigna con el orgánico fresco ahora produce emulsión.

Qué correcciones eliminan el arrastre y en qué orden

Trabaje las correcciones por costo, no por sofisticación. Las tres primeras acciones de esta lista han resuelto más problemas de arrastre en la industria que cualquier proyecto de capital.

1. Recortar RPM y velocidad de punta. Síntoma: refinado turbio y PDT en ascenso. Causa: gotas cizalladas por debajo del tamaño de sedimentación. Remedio: reducir la velocidad del impulsor en pasos de 5–10%, repitiendo la prueba de probeta cada vez, y detenerse donde la eficiencia de extracción se conserve pero el PDT se recupere.
2. Corregir la relación O/A y la continuidad de fase. Síntoma: interfaces erráticas y diferencias entre etapas. Causa: deriva de la relación que invierte la continuidad. Remedio: recalibrar instrumentos de caudal, restablecer la operación orgánico-continua en el mezclador y alarmar desviaciones superiores a ±5%.
3. Retirar sólidos finos antes del sedimentador. Síntoma: crecimiento semanal de la capa de lodo. Causa: sólidos que llegan en el PLS o se forman en circuito. Remedio: pulir la alimentación (filtros de arena o clarificación), fijar el nivel de interfaz más bajo para desnatar crud de forma deliberada y lavar las paredes del sedimentador con un programa definido.
4. Desnatar y tratar el crud con programa. Síntoma: banda interfacial oscura estable con retención de orgánico. Causa: crud maduro que actúa como estabilizador de emulsión. Remedio: retiro físico y luego lavado o centrifugado del crud para recuperar el orgánico atrapado antes de disponerlo.
5. Subir y sostener la temperatura. Síntoma: oscilaciones estacionales o diurnas del PDT. Causa: aumento de viscosidad a baja temperatura. Remedio: objetivo de 30–40 °C estables dentro de los límites de inflamabilidad del diluyente, aprovechando el balance térmico del circuito de lixiviación cuando sea posible.
6. Instalar internos de coalescencia en el sedimentador. Síntoma: PDT aceptable en pruebas pero arrastre persistente a escala. Causa: camino de sedimentación efectivo corto o arrastre superficial. Remedio: baffles, rejas y paquetes de láminas que calman el flujo y promueven la coalescencia.
7. Reconstruir el inventario de orgánico. Síntoma: historial crónico de arrastre con orgánico degradado. Causa: productos de oxidación acumulados e impurezas disueltas. Remedio: purgar y reponer una fracción del orgánico, añadir tratamiento con arcilla o lavado ácido donde corresponda, y reestablecer la línea base.

Sea cual sea la corrección, cierre el lazo con los mismos instrumentos que encontraron el problema: PDT a diario, ensayos de arrastre semanales y potencia de mezcla de forma continua. Las correcciones aplicadas sin una nueva línea base no se pueden defender en una revisión presupuestaria, y las correcciones parciales que parecen exitosas durante un mes suelen recaer cuando la carga de sólidos o la temperatura vuelven a derivar.

Una nota solo de experiencia de campo: el recorte modesto de RPM del punto 1 suele ser la acción de mayor retorno de toda la secuencia. En una planta típica, recortar 20–30% la potencia de mezcla recupera solvente al circuito en semanas; el orgánico que se va con el refinado es inventario que ya se compró, y cada litro que vuelve es un litro de reposición que no se compra.

¿Cuánto cuesta el solvente perdido por arrastre?

La aritmética es incómoda, y por eso vale la pena hacerla por escrito. Tome un tren de SX de cobre ilustrativo con 100 m³/h de refinado que sale del sedimentador de extracción con 100 ppm (volumétrico, ~80 mg/L gravimétrico con un orgánico de 0,80 g/cm³) de orgánico arrastrado. Eso son 10 L/h, o 240 L/día, o unos 87 m³ de orgánico por año operativo a 8.400 h. Con un costo ilustrativo de orgánico entregado de 1,50 USD/L, la pérdida es de unos 131.000 USD al año, antes de contar el costo de disposición del refinado oleoso, el riesgo de cátodo por orgánicos disueltos en las plantas de SX-EW y la exposición de seguridad del aceite en las superficies de las canchas. Escale la estimación linealmente con el caudal y con el nivel de arrastre; una planta de 500 m³/h a 200 ppm enfrenta una exposición anual de siete cifras.

La tabla usa deliberadamente un precio conservador y excluye costos ocultos: disposición de crud, mayor riesgo de incendio y rechazos de cátodo por quemado de orgánico durante la electroobtención. En auditorías revisadas, los costos ocultos igualan con frecuencia la factura visible de solvente. La conclusión no es sutil: el arrastre es una fuga de utilidad con una solución de plomería directa, y el retorno de un solo conjunto de correcciones de velocidad de mezcla y nivel de interfaz suele medirse en meses.

Cómo se ve una corrección exitosa en la práctica

El siguiente caso compuesto es ilustrativo y se armó a partir de patrones típicos, no de un cliente identificado. Un circuito de SX de cobre que trata 150 m³/h de PLS en mezcladores-sedimentadores convencionales reportaba pérdida persistente de orgánico: los ensayos de refinado mostraban 180 ppm de arrastre orgánico en acuoso frente a un objetivo de 50 ppm, y el tiempo de desagregación había derivado de 60 s a 140 s en dos años.

El diagnóstico siguió la secuencia descrita. Los ensayos de sólidos en la interfaz mostraron una capa de lodo dominada por yeso fino y sílice; los registros de temperatura mostraron operación invernal a 17 °C frente a 35 °C de diseño; y una encuesta de potencia encontró mezcladores consumiendo 3,4 kW/m³ frente a una intensidad típica de diseño de 2,0 kW/m³. La respuesta fue deliberadamente poco heroica: velocidad de impulsor reducida 18%, temperatura elevada y sostenida a 32 °C, instrumentación de relación O/A recalibrada tras detectar una deriva de ±15%, y un programa mensual de desnate de crud.

En seis semanas los resultados ilustrativos fueron: arrastre de 180 a 40 ppm; PDT de 140 a 55 s; y compras de reposición de orgánico unas 35% menores que el mismo trimestre del año anterior. No se compró ningún equipo de capital. Toda la intervención fue medición, ajuste y mantenimiento, que es exactamente por lo que empezó en la primera semana en lugar de esperar un ciclo presupuestario. La lección se generaliza: el arrastre en mezcladores-sedimentadores rara vez es una falla de causa única, y las plantas que se recuperan más rápido son las que corrigen primero las variables baratas y verifican cada paso con números antes de pasar al siguiente.

Preguntas frecuentes

¿Qué nivel de arrastre es aceptable en SX de cobre?

La mayoría de los operadores trabaja con menos de 50 ppm de orgánico en acuoso en el refinado como objetivo saludable, con 50–100 ppm indicando que la mezcla, la temperatura o los sólidos requieren atención. Por encima de 200 ppm las pérdidas de solvente se vuelven materialmente significativas y la calidad de la electroobtención está en riesgo. El acuoso en orgánico se mantiene típicamente por debajo de unos cientos de ppm para limitar el arrastre de ácido e impurezas al circuito de reextracción.

¿Bajar las RPM del mezclador siempre reduce el arrastre?

Bajar la velocidad del impulsor reduce el cizallamiento de gotas y normalmente mejora la desagregación, pero no es incondicional. La cinética de extracción necesita área interfacial, así que recortar demasiado sacrifica transferencia de masa y eficiencia de etapa. El método correcto es un ensayo escalonado: reducir en incrementos de 5–10%, reensayando tiempo de desagregación y eficiencia en cada paso, y quedarse en la velocidad más baja que conserve la transferencia de masa.