Diseño de mezclador-decantador: dimensionamiento, etapas y selección

Un diseño sólido de mezclador-decantador se apoya en dos cifras: 2–3 minutos de tiempo de residencia por compartimento de mezcla y un decantador dimensionado para unos 3–8 m³/h de caudal total de fases por m² de área de sedimentación en servicio de extracción por solventes (SX) de cobre. Con esos dos valores bien fijados quedan definidos el rendimiento de extracción, el comportamiento del arrastre y el costo de capital, antes de que empiece la ingeniería de detalle.

Esta guía está dirigida a ingenieros de proceso y metalurgistas que deben dimensionar, especificar o seleccionar una batería de mezclador-decantador para servicio hidrometalúrgico: sobre todo cobre, aunque la misma lógica aplica a níquel, cobalto, zinc y tierras raras.

Conclusiones clave

• El diseño arranca por el tiempo de residencia: 2–3 minutos por etapa de mezcla es lo típico en sistemas de oxima para cobre.
• El área del decantador se fija con el caudal total de fases por unidad de área, verificada mediante ensayos de laboratorio y piloto.
• La mayoría de los circuitos de cobre necesitan 2 etapas de extracción más 1 o 2 de reextracción para una recuperación y una transferencia de ácido aceptables.
• Una velocidad periférica del impulsor por debajo de unos 3.5 m/s limita el cizallamiento, la formación de crud y el arrastre de orgánico en el refinado.
• Se alcanza una eficiencia de etapa de 85–95% con un mezclado bien diseñado; el piloto confirma el margen.

Qué es un mezclador-decantador y cómo funciona

Es un contactador líquido-líquido por etapas: mezcla dos fases inmiscibles —una acuosa y una orgánica— y luego las deja separarse por gravedad en una zona tranquila. Es un dispositivo de transferencia de masa que contacta, equilibra y separa repetidamente las fases para que un soluto (por ejemplo, iones de cobre) pase de la solución rica (PLS) a la fase orgánica, es decir, a un diluyente que transporta el extractante. Es además una máquina hidráulica: el impulsor tipo bomba-mezclador debe emulsionar las fases y, al mismo tiempo, impulsar el caudal combinado hacia la etapa siguiente. De ahí que su diseño acople química, mecánica de fluidos y geometría del estanque de una forma que las columnas y los contactadores centrífugos no exigen.

El área interfacial —y no solo el tiempo de residencia— gobierna la cinética de extracción: el impulsor debe generar superficie de gota suficiente para la transferencia de masa, sin crear gotas tan finas que luego no coaleszcan con rapidez. La dispersión pasa sobre un bafle hacia el decantador, donde la banda de dispersión se estabiliza, las gotas coalescen y las fases se separan. La fase pesada (normalmente la acuosa) sale por debajo de un bafle de descarga; la ligera (normalmente la orgánica) sale por un vertedero. Cada mezclador-decantador realiza un solo contacto de equilibrio; los circuitos reales apilan varios en cascada en contracorriente, de modo que el orgánico fresco se encuentra con la solución acuosa más pobre y el orgánico cargado con la más rica. Ese arreglo es lo que permite que dos o tres etapas físicas logren recuperaciones que en cocorriente exigirían muchos más contactos.

Parámetros clave de diseño

El diseño se reduce a un puñado de parámetros acoplados, cada uno de los cuales arrastra a los demás. La tabla resume los valores habituales en la práctica del SX de cobre; todas las cifras son valores típicos de la industria y deben confirmarse con ensayos de laboratorio o piloto para su licor y su sistema de reactivos.

Tres de ellos merecen más detalle. Tiempo de residencia: los dos a tres minutos por compartimento son la norma consolidada para la extracción de cobre con oximas, y reflejan la cinética de extractantes tipo LIX 984N y Acorga M5640 en diluyentes alifáticos. Los sistemas de cinética rápida a veces justifican tiempos menores; los reactivos viscosos o modificados pueden exigir más. El volumen se deduce de V = Q × t: un circuito de 500 m³/h de fases combinadas a 2.5 minutos necesita unos 21 m³ de volumen mezclado por etapa, sin contar el espacio libre superior ni el inventario retenido.

Área específica del decantador: el dimensionamiento es un ejercicio empírico de separación de fases. Se parte del caudal total dividido por una carga admisible por unidad de área, y ese valor admisible depende de la rapidez con que la pareja orgánico/acuoso rompe la emulsión. Con licores limpios, los ensayos de banda de dispersión en laboratorio establecen la curva de capacidad y el punto de diseño se elige para que la banda quede en una profundidad estable, habitualmente entre 150 y 350 mm, con margen sobre el anegamiento. Si el licor trae sólidos en suspensión o productos de degradación, la carga admisible baja y el decantador crece.

Potencia y velocidad periférica: juntas definen el entorno de cizallamiento. Hace falta potencia para dispersar las fases y mantener los sólidos en suspensión, pero el exceso de velocidad periférica crea gotas secundarias finas que se van al decantador como arrastre y, con el tiempo, estabilizan el crud. En el SX de cobre se mantiene típicamente en 3.5 m/s o menos, con impulsores axiales tipo bomba-mezclador en lugar de diseños radiales de alto cizallamiento.

Cuántas etapas necesita el diagrama y cómo seleccionar el equipo

El número de etapas lo fija el equilibrio de extracción, no el equipo. El método estándar es gráfico: se traza la isoterma de extracción (carga de cobre en el orgánico frente a concentración de cobre en la fase acuosa) a partir de ensayos de agitación, se superpone la línea de operación definida por la relación O/A y las leyes de alimentación, y se escalonan las etapas teóricas con la construcción de McCabe-Thiele. Una vez conocido el número de etapas teóricas, se divide por la eficiencia de etapa esperada para obtener las etapas físicas. Si la isoterma pide 1.6 etapas teóricas y la eficiencia es 90%, el diseño necesita dos etapas físicas de extracción.

Para un circuito convencional de SX-EW de cobre que trata PLS de lixiviación en pilas o agitada, el diagrama resultante es muy consistente:

• Extracción: 2 etapas en serie (a veces 3 con licores de baja ley o alta acidez), con el orgánico en contracorriente.
• Reextracción: 1 o 2 etapas, donde el orgánico cargado transfiere el cobre al electrolito gastado que retorna de electrólisis.
• Lavado (opcional): 1 etapa para retirar impurezas acuosas arrastradas antes de la reextracción.

Este patrón de «2 de extracción + 1–2 de reextracción» es típico, no universal. Los circuitos de níquel, zinc y tierras raras suelen necesitar más etapas porque sus factores de separación son menores. La regla general: cuanto más cerca está la línea de operación de la isoterma, más etapas se requieren y más sensible se vuelve la recuperación a la eficiencia de etapa.

Reglas de decisión para seleccionar el contactador:

1. Para PLS de cobre limpio y caudal alto (más de ~100 m³/h de fase acuosa) conviene el mezclador-decantador de caja por gravedad: menor costo por unidad de área, buena tolerancia a sólidos y décadas de precedente operativo.
2. Para caudales bajos, corrientes de alto valor o separaciones difíciles (menos de ~20 m³/h o fases que decantan lento) conviene el extractor centrífugo: su separación mecánica reduce el tiempo de residencia y el inventario de orgánico.
3. Con sólidos en suspensión altos (más de 50–100 mg/L a la entrada de SX) conviene el mezclador-decantador con disposición dedicada de manejo de crud, porque las centrífugas se ensucian rápido y los decantadores permiten retiro programado.
4. Para servicio corrosivo de electrólisis de cobre conviene PRFV con revestimiento adecuado, o acero 316L con ladrillo ácido en las zonas calientes: el acero al carbono no resiste ácido sulfúrico caliente con trazas de férrico y cloruro.
5. Cuando las pérdidas de orgánico dominan el costo operativo conviene un decantador mayor con menor carga, porque las pérdidas por arrastre caen de forma aproximadamente exponencial con la residencia de la banda.
6. Con cambios frecuentes de régimen o múltiples fuentes de alimentación conviene un diseño modular con vertederos y bafles ajustables.

Arrastre, separación de fases y modos de falla

El arrastre —gotas de orgánico en el refinado o fase acuosa en el orgánico cargado— es el mayor costo oculto de un circuito mal dimensionado. El orgánico perdido en el refinado es reactivo comprado que sale de la planta; la fase acuosa arrastrada al electrolito lleva cloruro, sílice y hierro que degradan la calidad del cátodo. Ambos fallos se originan en el comportamiento de separación de fases en el decantador, por lo que este debe tratarse primero como dispositivo de coalescencia y después como estanque de retención.

La física es simple pero implacable: la velocidad de ascenso de una gota sigue un comportamiento tipo Stokes, de modo que reducir a la mitad el diámetro cuadruplica aproximadamente el tiempo de separación. Un mezclador que cizalla el orgánico en gotas de 200 µm en lugar de 600 µm exige alrededor de nueve veces más área de sedimentación para el mismo arrastre. Ese es el significado práctico del límite de velocidad periférica. El crud —la capa interfacial pegajosa de sólidos, orgánico y gotas finas que forman la sílice coloidal, las arcillas y los productos de degradación— frena aún más la separación y estrecha la ventana de operación estable; su manejo por espumado, lavado en caliente o tratamiento dedicado es un dato de diseño, no un añadido.

Un caso documentado en un productor de cobre (cifras anonimizadas e ilustrativas) muestra el apalancamiento: al ensanchar el decantador un 20% y bajar la velocidad periférica de 4.1 a 3.2 m/s, el circuito redujo el arrastre de orgánico en el refinado de ~120 ppm a menos de 50 ppm, recuperando orgánico por varios cientos de miles de dólares al año a los precios habituales de reactivo. Tómense como orientativas —cada circuito tiene su propia economía—, pero el mecanismo es universal.

Diagnóstico de fallas, en orden:

1. Baja eficiencia de etapa: ley de cobre en el refinado por encima del diseño y cierre de McCabe-Thiele que ya no cuadra → energía de mezcla insuficiente, deriva de la concentración de reactivo o residencia erosionada por mayor caudal → verificar velocidad y variador del impulsor, analizar la composición del orgánico y repetir ensayos con los lotes actuales.
2. Orgánico en el refinado: brillo visible o más de 50 ppm en el estanque de refinado → exceso de velocidad periférica, banda de dispersión delgada o decantador anegado → bajar a 3.5 m/s o menos y revisar el bafle de entrada por cortocircuito.
3. Acuoso en el orgánico: cloruro o hierro en aumento en el electrolito, orgánico cargado turbio → interfaz demasiado baja o crud que estabiliza la banda → ajustar la interfaz con el vertedero acuoso y reforzar el lavado.
4. Acumulación de crud: capa interfacial estable de 100–300 mm que no rompe → sólidos coloidales o finos de arcilla → instalar o restaurar el espumado, enviar el crud a lavado en caliente o centrífuga y mejorar la clarificación aguas arriba.
5. Inversión de fases: el mezclador pasa súbitamente a fase acuosa continua con agitación violenta → deriva de la relación O/A o selección de impulsor incompatible con la fase continua deseada → corregir el lazo de control de O/A y amortiguar los picos de alimentación.
6. Inestabilidad de vertederos: la interfaz oscila entre etapas con contaminación cruzada periódica → geometría de vertedero incorrecta para las densidades reales → recalcular con densidades medidas a la temperatura de operación.
7. Falla acelerada de revestimiento: ampollas o grietas en los primeros años → incompatibilidad química con ácido caliente → revisar los materiales contra temperatura, acidez y cloruros reales y migrar a un sistema de PRFV o revestimiento probado.

Costo de capital y ejemplo de dimensionamiento

Las decisiones de diseño inciden en el CAPEX por tres canales: volumen de estanques (mezclador más área y profundidad del decantador), materiales de construcción y complejidad de internos. Los datos publicados son escasos y específicos de cada sitio, así que los rangos siguientes son ilustrativos para un tren de SX de cobre convencional y deben tomarse solo como orden de magnitud, con cotizaciones de proveedor para cualquier proyecto real.

Se deducen dos reglas. Primera: como domina el área del decantador, suele ser rentable cambiar un poco de volumen de mezcla por una dispersión más limpia y de mejor sedimentación mediante un impulsor más suave. Segunda: el escalamiento de materiales no es lineal; pasar de PRFV a 316L puede duplicar el costo del envolvente y el acero con ladrillo ácido queda en medio, así que la evaluación de corrosión debe resolverse temprano con análisis reales de licor.

Ejemplo de dimensionamiento en primera pasada (valores típicos ilustrativos; un proyecto real debe confirmarlos con ensayos de laboratorio y piloto):

1. Definir el servicio: 120 m³/h de PLS de cobre con 2.0 g/L Cu y relación O/A de 1:1. Caudal total de fases Q = 120 + 120 = 240 m³/h.
2. Fijar la residencia: t = 2.5 min. V = Q × t = 240 × (2.5/60) = 10 m³ de dispersión por etapa; especificar ~12 m³ nominales para dejar espacio libre y margen de arranque.
3. Revisar el impulsor: con 1.2 kW/m³ se instalan unos 14 kW por mezclador. En un mezclador de 2.6 m de diámetro, un impulsor de 1.2 m a 90 rpm da N·π·D = (90/60) × 3.14 × 1.2 ≈ 5.7 m/s, demasiado alto; con 65 rpm y 1.4 m se obtiene ≈ 4.8 m/s, que se afina con datos de proveedor hasta quedar por debajo de ~3.5 m/s. Por eso la velocidad periférica se verifica, no se supone.
4. Dimensionar el decantador: con una carga admisible de 4.5 m³/h·m⁻², A = 240 / 4.5 ≈ 53 m² por etapa. Se elige 12 m × 4.5 m (54 m²) con 1.0 m de profundidad de líquido, lo que da unos 3.4 min de residencia en el decantador sobre el caudal total.
5. Confirmar la banda: a esa carga se asume una banda estabilizada cerca de 250 mm, dentro de la ventana de 150–350 mm. Si los ensayos muestran más de ~300 mm a 4.5 m³/h·m⁻², se amplía el área o se suaviza el mezclado; el margen aquí es un seguro barato.
6. Cerrar etapas y materiales: si la isoterma pide 1.8 etapas teóricas, con 90% de eficiencia se especifican 2 etapas de extracción más 1 de reextracción. Para 30–40 °C y pH 1.8–2.0 en el PLS, se especifican envolventes de PRFV con revestimiento viniléster, o 316L en contacto con orgánico con zonas de ladrillo ácido para el electrolito caliente.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es el tiempo de residencia típico en un mezclador-decantador?

Cada compartimento de mezcla se dimensiona para 2–3 minutos de residencia al caudal total de fases en el SX de cobre, con 2.5 minutos como punto medio habitual. Los sistemas de cinética lenta o los orgánicos viscosos pueden necesitar 3–4 minutos, mientras que los sistemas de oxima rápidos y calientes a veces justifican menos. El decantador añade su propia residencia, a menudo 15–40 minutos sobre el caudal total según la carga de área y la profundidad. El valor se confirma con ensayos de botella y de dispersión antes de congelar el volumen del mezclador.

¿Cuántas etapas necesita una planta de SX de cobre?

Un circuito convencional de SX-EW usa 2 etapas de extracción más 1 o 2 de reextracción, y a veces una etapa de lavado. El número exacto sale de la construcción de McCabe-Thiele sobre la isoterma medida, dividida por la eficiencia de etapa, típicamente 85–95% en sistemas de oxima. Los licores de baja ley, alta acidez o muchas impurezas a veces justifican una tercera etapa de extracción. Como cada etapa física es un estanque completo, equivocarse por una etapa de más en el diseño es mucho más barato que reacondicionar después.