Espesador de pasta: diseño de cono profundo y descarga
El diseño de un espesador de pasta se decide por la profundidad del lecho y el esfuerzo de fluencia de la descarga, no solo por el área de sedimentación: un cono profundo con 6–10 m de lecho en compresión sostiene habitualmente 62–70% en peso de sólidos donde un espesador de alta velocidad del mismo diámetro se estanca en 56–58%. Este artículo explica por qué y cómo dimensionar el recipiente, el rastrillo y las bombas.
Puntos clave
- La profundidad del lecho, no el diámetro, fija la densidad de descarga; la compresión por peso propio hace el desaguado final.
- Especifique el torque del rastrillo al esfuerzo de fluencia del lecho más denso creíble, no solo a la densidad de diseño.
- Ángulos de cono menores a unos 25–30° compactan mal y obligan al rastrillo a arrastrar pasta cuesta arriba.
- Un lecho sobrefloculado sedimenta rápido pero compacta mal; el exceso de polímero eleva la resistencia y bloquea las bombas.
- Dimensione las bombas de descarga con el reograma medido, nunca con datos de agua ni con el porcentaje en peso solo.
Definiciones y frontera del proceso
Un espesador de pasta es un sedimentador gravitacional de cono profundo que acumula un lecho de compresión alto y descarga un flujo sin segregación, capaz de sostenerse. Un cono profundo usa una camisa cilíndrica alta sobre un fondo cónico, de modo que el lecho ocupa la mayor parte del volumen útil y consolida por peso propio. Un espesador de alta densidad es intermedio: conserva cono poco profundo pero añade lecho y mejor floculación, llegando típicamente a 55–62%.
La frontera se traza mejor con reología que con porcentaje en peso. El esfuerzo de fluencia de la descarga mide la tensión que la pasta debe superar antes de fluir y crece abruptamente —a menudo con la cuarta a la sexta potencia de la concentración— al densificarse la red de flóculos. El uso industrial considera descargas bajo 10–15 Pa como relaves espesados convencionales, 20–50 Pa como descarga de alta densidad y 40–100 Pa o más como pasta verdadera que no vuelve a segregar en el depósito. Son rangos típicos a confirmar con ensayos.
Un diseño competente fija cinco cosas en secuencia: el objetivo de sólidos y su ventana de esfuerzo de fluencia, la geometría que hace alcanzable esa densidad (profundidad y ángulo), un régimen de floculación que construya un lecho compactable y no solo rápido, un rastrillo y accionamiento dimensionados para el peor lecho que los operadores puedan crear, y una interfaz de bombeo y disposición dimensionada sobre el reograma.
Parámetros y rangos típicos
| Parámetro | Unidad | Rango típico | Nota de diseño |
|---|---|---|---|
| Concentración de descarga | % p/p | 60–70 (pasta); 55–62 (alta densidad) | Fijada por el servicio aguas abajo y la ventana reológica |
| Esfuerzo de fluencia de descarga | Pa | 30–100 (pasta) | Medido en la curva de flujo a la densidad objetivo; bombeo centrífugo hasta 100–150 Pa |
| Profundidad de compresión | m | 4–10 | La palanca principal sobre la densidad de descarga |
| Profundidad de clarificación | m | 1.5–3.0 | Amortiguación; el rebose suele recircularse |
| Ángulo de cono (desde la horizontal) | grados | 30–45 | Más empinado (45–60°) para relleno y esfuerzos muy altos |
| Flujo específico de sólidos | t/m²/d | 3–10 | Muy por debajo de alta velocidad (10–30); la pasta compra densidad con área |
| Diámetro | m | 6–30 | Sobre 30 m dominan torque y mecánica del rastrillo |
| Dosificación de floculante | g/t sólido seco | 15–40 | Mayor que en alta velocidad; equilibra velocidad y compactabilidad |
| Velocidad de punta del rastrillo | m/min | 2–4 | Más lenta para no perturbar el lecho |
| Torque nominal del rastrillo | kN·m | 2–4× un equipo de alta velocidad equivalente | Nominal al esfuerzo de fluencia del lecho, no a la densidad de diseño |
| Gravedad específica de sólidos | – | 2.6–3.0 | Necesaria para convertir % p/p en concentración volumétrica |
Dos interacciones empujan la economía en direcciones opuestas. El floculante compra velocidad de sedimentación y reduce el diámetro, pero los flóculos grandes y ricos en agua cuestan los últimos 3–5% de densidad e inflan el esfuerzo que el rastrillo debe vencer. La profundidad compra densidad barata (una camisa más alta cuesta mucho menos que una más ancha) pero sube el torque y la carga estructural. El buen diseño resuelve ambas disyuntivas con ensayos de compresión y reología, no con reglas de dedo.
Por qué manda la profundidad y no el área
En la zona de sedimentación libre la concentración la fija la alimentación. Pero la descarga sale del fondo del lecho de compresión, donde los sólidos forman una red continua y el desaguado avanza solo bajo esfuerzo compresivo. Ese esfuerzo proviene del peso del lecho: aproximadamente la densidad boyante de los sólidos por la profundidad. La concentración de descarga es, por tanto, el punto de la curva de compresión que corresponde al esfuerzo en el fondo: duplicar la profundidad duplica aproximadamente el esfuerzo y la densidad se mueve en consecuencia. El área controla el caudal y la claridad del rebose; la profundidad controla cuán densa puede llegar a ser la descarga.
La consecuencia práctica: los déficits de densidad casi nunca se resuelven recalculando el área unitaria. Si un equipo se estanca en 60% frente a un objetivo de 65%, las opciones honestas son más lecho, más residencia, otra floculación u otro recipiente.
El ángulo de pared importa por la misma razón. En un cono de 30–45°, el lecho se extiende hacia el cono y los sólidos se deslizan suavemente hacia la descarga bajo carga compresiva plena. Con un cono demasiado plano fallan tres cosas a la vez: el lecho efectivo retrocede a la camisa cilíndrica y la pasta pierde profundidad justo donde debía ganarla; el rastrillo debe arrastrar pasta densa por un fondo largo y plano, multiplicando el torque; y la extracción queda donde la compactación es más débil. Un cono profundo con ángulo insuficiente compacta mal por muy alta que sea la camisa, y por eso los proveedores pasan a fondos de 45–60° cuando se exigen 70% o más para relleno.
La misma no linealidad gobierna el accionamiento: como el esfuerzo de fluencia crece abruptamente con la concentración, un lecho 2–3% por encima de la densidad de diseño puede duplicar el torque, y los lechos derivan cuando cambia el mineral o cuando se persigue densidad. El rastrillo debe dimensionarse contra el esfuerzo del lecho atascado, no contra el torque de un día promedio.
Flujo de trabajo en seis pasos
- Fijar el balance y el objetivo. Caudal de sólidos secos, concentración de alimentación y especificación de descarga que el proceso aguas abajo realmente necesita, expresada en % p/p y como ventana de esfuerzo de fluencia (por ejemplo 60–70% y 30–80 Pa). Escriba también la interfaz de disposición —depósito, relleno o filtración—, porque determina la dureza del objetivo reológico.
- Ensayos de compresión y reología, no solo de sedimentación. Programa mínimo: velocidad de sedimentación para el flujo específico; columna de compresión para densidad de equilibrio frente a profundidad; y curvas de flujo (típicamente Herschel–Bulkley) a tres o cuatro concentraciones. Sin curvas de flujo no se puede fijar el torque, dimensionar bombas ni definir la ventana.
- Elegir geometría: diámetro por flujo, profundidad por compresión, ángulo por densidad. Dimensione el área con 3–10 t/m²/d y fije la profundidad desde la curva de compresión para que el esfuerzo del fondo entregue la densidad objetivo con margen. Seleccione el ángulo para que el lecho siga comprimido hasta la descarga: 30–45° en la mayoría de servicios, más empinado para relleno.
- Diseñar el alimentador y la floculación para compactabilidad. Dilución, energía de mezcla suave y, en muchas pulpas, adición por etapas producen flóculos densos que sedimentan adecuadamente y compactan bien. Resista la tentación de dosificar hasta que el ensayo se vea más rápido: el flóculo que sedimenta más rápido suele ser el peor lecho.
- Dimensionar rastrillo y accionamiento por esfuerzo. Calcule el torque de marcha a la profundidad y densidad de diseño y recalcule para el lecho atascado —el más denso y alto que los operadores podrían crear, 2–3% sobre la densidad objetivo—. Nomine el accionamiento a 2.5–3.5× la estimación de marcha y con cilindro de izaje capaz de sacar la jaula completa. Los atajos clásicos del factor K son, como mucho, una comprobación, y subestiman el servicio de pasta.
- Ingeniería de descarga y verificaciones de puesta en marcha. Seleccione el bombeo sobre el reograma y fije una lista de verificación: nivel de lecho calibrado contra medición manual, línea base de torque durante el primer llenado, calidad de flóculo auditada contra referencia de banco, presión de línea registrada desde el día uno y turbiedad de rebose seguida durante la primera semana a densidad plena.
Cuándo la pasta supera al espesador de alta velocidad
| Servicio | Objetivo (% p/p) | Esfuerzo de fluencia (Pa) | Conclusión |
|---|---|---|---|
| Recuperación de agua antes de CCD | 50–58 | <10–15 | Alta velocidad; la pasta agrega costo sin beneficio |
| Descarga espesada centralizada | 55–63 | 15–40 | Espesador de alta densidad; pasta solo si la geometría del depósito lo exige |
| Depósito seco, escala moderada | 62–70 | 40–100 | Espesador de pasta alimentando apilamiento o filtración |
| Relleno hidráulico o en pasta | 68–74 | 80–200 | Cono profundo con bombeo de desplazamiento positivo |
| Relaves muy finos y arcillosos | 45–55 | variable | Espesador más filtración; la pasta suele ser impracticable |
Escenario 1 — el agua es el motor. Compare 55% de alta velocidad contra 65% de pasta con 10,000 t/d de sólidos secos: la pasta deja unos 5,380 t/d de agua en la descarga frente a 8,180 t/d, es decir unos 2,800 m³/d adicionales al circuito. Donde el agua de reposición es escasa, esa diferencia justifica el recipiente más profundo; donde abunda, el equipo de alta velocidad es la respuesta correcta.
Escenario 2 — depósito seco o descarga centralizada a escala moderada. Bajo unas 15,000 t/d de sólidos secos, un solo espesador de pasta que produzca descarga sin segregación suele ser la solución apilable más barata, y el depósito se seca mucho más rápido que con pulpa convencional. Sobre ese tonelaje se multiplican los equipos y suele ganar un espesador de alta densidad alimentando filtración a presión.
Escenario 3 — la descarga alimenta relleno. Las plantas de relleno necesitan 68–74% con reología bombeable, y solo un cono profundo lo alcanza con consumo aceptable de floculante. Es la conclusión más firme de la lista.
Escenario 4 — lavado o CCD. La compresión es irrelevante para la eficiencia de lavado; lo que importa es la razón de lavado por etapa. Mantenga espesadores de alta velocidad en los trenes CCD y trate una propuesta de pasta en CCD como señal de alerta.
Escenario 5 — pulpa fina y arcillosa. Con una fracción alta de lamas, la pasta exige dosis extremas y aun así da densidades marginales; la ruta económica es alta densidad a 55–60% seguida de filtración si se requiere producto apilable.
Qué falla y cómo se corrige
- Densidad estancada bajo el objetivo. 60–62% frente a 66% de diseño. Causa: lecho demasiado somero, flóculos sueltos o una curva de compresión nunca medida que hizo optimista el objetivo. Acción: subir el lecho en pasos de 0.5–1.0 m siguiendo densidad y torque; ajustar la dosis hacia flóculos más cerrados; si no se mueve, repetir los ensayos, porque la solución puede ser un objetivo realista y no más acero.
- Torque en ascenso y disparos tras un cambio de mineral. Sube 50–100% en días con mineral más fino o arcilloso. Causa: el nuevo mineral construye un lecho de mayor esfuerzo a igual % p/p. Acción: levantar rastrillos, bajar el lecho con extracción elevada y recalcular el margen del accionamiento con la nueva curva.
- Lecho sobrefloculado. Flóculos grandes y aguados; las bombas pierden succión y se atascan incluso con lecho normal. Causa: sobredosificación que crea una red elástica que sedimenta rápido pero resiste compactación y flujo en tubería. Acción: bajar la dosis en pasos de 2–3 g/t vigilando densidad, torque y presión, y auditar la planta de preparación, porque el polímero mal madurado lleva a sobredosificar.
- Presión oscilante y marcha en seco de las bombas. La descarga oscila y la pasta surge y luego gotea. Causa: bomba seleccionada con cartas de agua o solo con % p/p, con la curva real cerca del punto de bloqueo. Acción: reseleccionar sobre el reograma medido —desplazamiento positivo o alto empuje para el rango alto— y añadir enclavamiento por densidad.
- Arenado y tunelización en el cono. Acreción dura localizada, picos de torque y oscilaciones de densidad. Causa: la fracción gruesa cortocircuita del alimentador al fondo antes de flocular, o un perfil de rastrillo que no transporta la cola gruesa. Acción: revisar dilución del alimentador, verificar clasificación aguas arriba y confirmar ángulo y perfil: el arenado es un problema de geometría más veces que de dosis.
- Turbiedad de rebose tras la puesta en marcha. Días claro y luego turbio persistente. Causa: el nivel del lecho subió por la zona de clarificación persiguiendo densidad, o un vuelco del manto tras un pico de alimentación. Acción: alarma dura de nivel alto con reducción de caudal y tratar la zona de clarificación como amortiguador, no como estanque de pulido.
Cuánto cuesta
Cifras indicativas de presupuesto de suministro, con supuestos: 3,000–15,000 t/d de sólidos secos, servicio de relaves, suministro FOB sin aranceles, flete, fundaciones ni infraestructura eléctrica. El paquete de equipos (recipiente, rastrillo y accionamiento, alimentador, planta de floculante e instrumentación) para un espesador de pasta de 18–25 m suele ubicarse en US$2.5–5.0 millones, aproximadamente 1.5–2.5 veces el de alta velocidad equivalente; la prima es acero de camisa, torque y ingeniería del cono. Las fundaciones suelen añadir 30–60%, y el bombeo de desplazamiento positivo o alto empuje suma US$0.5–1.5 millones en tramos largos.
En operación, el floculante a 15–40 g/t y US$2.5–4.0/kg entregado cuesta US$0.04–0.16 por tonelada de sólido seco, el mayor consumible y el de más palanca de optimización. La potencia de accionamiento de un equipo de 18–26 m va de 90 a 250 kW; a US$0.10/kWh y 8,000 horas son US$70,000–200,000 al año, y el bombeo de descarga suma bastante más que en un circuito de alta velocidad.
Datos de campo indicativos (anonimizados)
Compuesto ilustrativo de experiencia de puesta en marcha, no atribuible a un cliente. Cono profundo de 22 m sobre relaves de oro, 4,800 t/d de sólidos secos y objetivo de 65%: subir el lecho de 4.2 a 7.5 m llevó la densidad de 61.5% a 66.8%, con el esfuerzo de fluencia pasando de 28 a 68 Pa, ya en territorio de pasta. La dosis se recortó de 28 a 21 g/t tras corregir la planta de preparación, sin pérdida de claridad. El torque de marcha se estabilizó en 18–24% del nominal, validando el margen de 3× especificado por esfuerzo de fluencia.
Preguntas frecuentes
¿Qué esfuerzo de fluencia debe buscarse?
Como ventana, no como número: típicamente 30–80 Pa en la descarga para pasta apilable, suficientemente ancha para absorber la variación del mineral y suficientemente baja para las bombas. Un buen diseño fija esa ventana en ensayos y la mantiene con control de nivel de lecho y dosificación.
¿Qué profundidad de lecho se necesita?
La suficiente para que el esfuerzo por peso propio en el fondo entregue la densidad objetivo sobre la curva de compresión: en relaves suele ser 4–10 m. No hay profundidad universal; los ensayos de compresión dan la respuesta y la camisa se compra con 1–2 m de margen.
¿Se puede convertir un espesador de alta velocidad en pasta?
A veces, para objetivos modestos. Aumentar lecho y mejorar la floculación puede llevar de 55% a 60–62%, pero el cono poco profundo, el accionamiento y el perfil del rastrillo limitan más. Las conversiones mayores rara vez son económicas; un cono profundo construido a propósito alcanza 62–70% con mucha más fiabilidad.
¿Por qué las bombas deben dimensionarse sobre el reograma?
La pasta es un fluido con esfuerzo de fluencia: en flujo laminar el gradiente de presión incluye un término directo que las cartas de agua nunca capturan, y una bomba seleccionada con equivalencia de agua puede quedar corta en cientos de kilopascales al caudal de diseño. Solo la curva de flujo medida permite una selección honesta.