Diseño de tanques de lixiviación agitados: guía técnica
El dimensionamiento de un tanque de lixiviación agitado empieza por el tiempo de residencia, no por una regla empírica de volumen. A 45–55% de sólidos (p/p), una lixiviación de 24 horas que trate 500 t/d (551 short t/d) de mineral exige unos 700 m³ (24,700 ft³) de volumen de pulpa en trabajo, que en la práctica se cubren con dos o tres tanques agitados mecánicamente en serie, cada uno equipado con un impulsor hidroala dimensionado para la suspensión completa de sólidos.
Criterios de diseño: las conclusiones primero
- El volumen se deriva de la cinética y del tiempo de residencia, nunca de un cubo empírico.
- La velocidad de operación es la velocidad justo suspendida (Njs) más un margen de 15–25%.
- Los impulsores hidroala consumen típicamente 0.6–1.5 kW/m³ en lixiviación de oro y metales base.
- La agitación mecánica conviene por debajo de ~10 m de diámetro; la agitación por aire tipo Pachuca sirve para tanques altos y estrechos.
- Los materiales van del acero al carbono con revestimiento de goma al inoxidable dúplex; la elección la fijan temperatura, acidez y cloruros.
El tanque es simultáneamente reactor y dispositivo de transferencia de masa: debe poner en contacto el reactivo disuelto con superficies minerales recién expuestas, disipar la energía de mezcla sin cizalladura excesiva y mantener la pulpa lo bastante homogénea para que ninguna partícula abandone el recipiente antes del tiempo de residencia de diseño. Un tanque sobredimensionado se paga dos veces, una en acero inoxidable o revestido que no aporta nada metalúrgico y otra en potencia instalada durante toda la vida de la planta. Uno subdimensionado pierde recuperación que ya no se recupera: cada punto porcentual de oro o cobre disuelto que queda en los relaves es ingreso perdido de forma permanente.
Parámetros que gobiernan el dimensionamiento
Todos los parámetros interactúan: subir el contenido de sólidos modifica la reología, lo que cambia Njs y por tanto la potencia absorbida. La tabla debe leerse como un sobre de partida que hay que converger, no como una lista que se rellena de forma independiente.
| Parámetro | Rango típico | Efecto en el diseño |
|---|---|---|
| Contenido de sólidos | 35–55% p/p (CIL de oro 45–50%) | Fija densidad de pulpa, reología y volumen; más sólidos reducen volumen pero elevan Njs |
| Tiempo de residencia | 12–48 h (oro óxido 24–36 h) | Proviene de los ensayos cinéticos; fija el volumen útil total |
| Diámetro del tanque | 8–15 m (26–49 ft) mecánico; Pachuca hasta 12 m | Mayor diámetro baja el costo por m³ pero sube Njs y el tamaño del agitador |
| Relación H/T | 0.8–1.2 mecánico; 2–3 Pachuca | Los tanques altos aprovechan la carga hidrostática pero complican la suspensión y el revestido |
| Intensidad de potencia | 0.6–1.5 kW/m³ hidroala; 1.0–2.0 kW/m³ axial reconvertido | Determina el OPEX y el dimensionamiento de eje e impulsor |
| Velocidad de punta | 3–6 m/s (10–20 ft/s) | Equilibra el deber de suspensión contra la abrasión del revestimiento |
| Temperatura de operación | Ambiente a 80 °C (176 °F) | Gobierna la selección de materiales y las pérdidas por evaporación |
| Demanda de aire/O₂ | 0.5–2.0 m³/min por 100 m³ de pulpa | Define el dispersor y, en Pachuca, el propio principio de agitación |
Tiempo de residencia. El punto de partida es siempre el ensayo cinético: pruebas de botella rodante o de tanque agitado que establecen cómo varía la extracción con el tiempo para ese mineral, esa molienda y ese régimen de reactivos. Si el 90% de la extracción final se alcanza a las 22 horas y las últimas 8 horas aportan solo 0.5 puntos porcentuales, un tiempo de diseño de 24 horas es defendible y 48 horas no lo es.
Volumen útil frente a volumen bruto. El volumen útil suele ser 85–90% del volumen bruto del tanque; el resto cubre el bordo libre para espuma y oscilaciones. Se dimensiona la geometría bruta dividiendo el volumen útil por esa fracción: un error habitual del principiante es comprar un tanque de 700 m³ para un deber de 700 m³.
Número de tanques en serie. Varios tanques en serie aproximan el flujo pistón, lo que acorta el tiempo total necesario para una extracción dada y aporta redundancia para el mantenimiento de agitadores. Los circuitos CIL de oro usan habitualmente 6–8 tanques; las lixiviaciones ácidas simples, 3–5. Cuatro a seis tanques es un valor por defecto defendible cuando la cinética es desconocida pero el mineral probablemente sea refractario.
Potencia de agitación y velocidad justo suspendida
La respuesta honesta es: la suficiente para mantener suspendida la partícula más gruesa más un margen, y ese número sale de la velocidad justo suspendida, no de recetas de potencia por volumen. Njs es la velocidad mínima del impulsor que evita que alguna partícula permanezca quieta en el fondo más que un instante; se calcula con la correlación de Zwietering a partir de la velocidad de sedimentación, la diferencia de densidades, la viscosidad de la pulpa, el tipo y diámetro de impulsor y la geometría del tanque. En la práctica se calcula o se ensaya Njs para la partícula más desfavorable y se opera a 1.15–1.25 × Njs. Operar por debajo, aun de forma intermitente, permite que se forme un lecho de arena que abrasa el revestimiento, aísla partículas del reactivo y puede crecer hasta enterrar el agitador.
La intensidad de potencia es el dato que más se especifica en los pliegos de compra, y con razón: escala directamente el OPEX.
- 0.6–1.0 kW/m³ — impulsores hidroala de flujo axial en lixiviaciones de oro óxido o cobre bien comportadas con P₈₀ inferior a 150 µm.
- 1.0–1.5 kW/m³ — molienda más gruesa, mayor contenido de sólidos o servicios que exigen dispersión de gas.
- 1.5–2.5 kW/m³ — pulpas de altos sólidos y alta viscosidad, biooxidación o transferencia gas-líquido intensiva.
Para pasar de intensidad a potencia de motor se multiplica por el volumen bruto de pulpa y se añade 15–20% por factor de servicio y ensuciamiento del impulsor. Un tanque de 350 m³ a 1.0 kW/m³ necesita unos 350 kW absorbidos, es decir un motor de 400–450 kW, que a 0.10 USD/kWh y 95% de disponibilidad cuesta cerca de 330,000 USD por tanque y año. Por eso no debe especificarse potencia «por seguridad»: cada kilovatio excedente se paga durante décadas.
La velocidad de punta merece la misma atención. Por encima de unos 6 m/s (20 ft/s) acelera el desgaste del revestimiento y puede deflocular los finos aguas abajo en los espesadores. Cuando la suspensión exige velocidad alta conviene un hidroala de mayor diámetro girando más despacio: el diámetro escala fuertemente la capacidad de suspensión y la velocidad de punta escala el desgaste. Un hidroala de cuatro paletas y 3.2 m de diámetro a 45 rpm da una punta cercana a 4.5 m/s, cómodamente dentro de la banda aceptable para un tanque revestido en goma.
Procedimiento de dimensionamiento en ocho pasos
- Tiempo de residencia desde la cinética. Añada 10–20% por ineficiencia de escalamiento y cortocircuito entre tanques. Es el número más determinante del diseño.
- Volumen útil requerido. Multiplique el caudal másico de sólidos por la dilución para obtener caudal volumétrico de pulpa y luego por el tiempo de residencia. Para 500 t/d (551 short t/d) de mineral con SG 2.7 al 48% de sólidos, la densidad de pulpa es de unos 1.45 t/m³, es decir unos 344 m³/h (121,500 ft³/h); 24 horas de residencia exigen por tanto unos 8,260 m³ de volumen útil total.
- Número de tanques. Divida el volumen total por un volumen útil unitario que mantenga el diámetro en la banda de 8–15 m y H/T cercano a 1.0, típicamente 350–600 m³ por tanque. Seis tanques de 1,380 m³ brutos cada uno sirven al ejemplo; tres tanques mayores reducen capital pero concentran el riesgo.
- Tipo y número de impulsores. Un hidroala de cuatro paletas bombeando hacia abajo sirve hasta unos 5 m de profundidad de líquido; por encima se usan dos o tres impulsores por eje separados aproximadamente un diámetro.
- Njs y velocidad de operación. Aplique Zwietering para la partícula de diseño más gruesa, multiplique por 1.15–1.25 y verifique que la punta quede bajo el límite de desgaste del revestimiento.
- Deflectores, dispersor e internos. Configuración estándar: cuatro deflectores de pared, cada uno de 1/12 del diámetro, separados de la pared. Si la transferencia de oxígeno limita la cinética, añada un dispersor anular o de tubería bajo el impulsor y revise la retención de gas.
- Materiales de construcción. Resuelva con la lógica de la sección siguiente: cloruros, pH, temperatura y abrasión eligen entre acero revestido, 316L, dúplex y FRP.
- Accionamiento, sello y mantenimiento. Sello mecánico o de pozo seco adecuado al servicio, plataforma o puente de acceso y, sobre todo, capacidad de inspeccionar y cambiar impulsores sin vaciar el tanque, porque la disponibilidad del agitador gobierna la del circuito.
Los pasos 2 a 4 iteran: elegir menos tanques y más grandes cambia Njs, lo que cambia el número de impulsores y la longitud del eje, lo que puede devolverlo a más tanques pequeños. Prevea al menos un ciclo completo de iteración y ciérrelo con datos de planta piloto, no con supuestos.
Agitación mecánica o por aire, y selección de materiales
La agitación mecánica es la opción por defecto: suspende sólidos gruesos con fiabilidad, desacopla la suspensión del suministro de gas y permite controlar con precisión la potencia independientemente de la demanda de oxígeno. El tanque Pachuca —recipiente cilíndrico alto con tubo central de aire comprimido que agita y oxigena a la vez— sigue siendo competitivo en situaciones concretas. Sus virtudes son la simplicidad mecánica, sin equipos rotativos en la pulpa ni sellos sumergidos, y el suministro gratuito de oxígeno. Sus costos son mayor energía de aire comprimido por unidad de mezcla, a menudo 2–3 veces la energía específica de un agitador mecánico para el mismo deber, peor suspensión de partículas gruesas o densas y gestión de espuma en la superficie libre.
Elija agitación mecánica cuando los sólidos sean gruesos o densos, el costo de energía domine el OPEX, necesite adición escalonada de reactivos o control por tanque, o los tanques sean anchos y poco profundos (H/T inferior a ~1.5). Elija aire cuando el mineral sea fino y fácil de suspender, el emplazamiento favorezca una huella alta y estrecha (H/T de 2–3), la región carezca de capacidad de mantenimiento para grandes accionamientos, o la demanda de oxígeno coincida con el caudal de aire necesario para circular. También existe un híbrido pragmático: agitación mecánica para la suspensión y oxígeno dispersado para la química, porque optimizar un solo equipo para ambas tareas suele comprometer las dos.
En materiales, las variables decisivas son pH, cloruros, temperatura y abrasividad. El acero al carbono revestido en goma domina la cianuración de oro: el licor cianurado es casi inocuo para la goma, las pulpas son abrasivas y el acero revestido es la estructura estanca más barata por metro cúbico; su límite térmico ronda 80–90 °C (176–194 °F). El 316L sirve en servicio neutro a ligeramente ácido con menos de 200 ppm de cloruro; por encima de ese nivel y con temperatura elevada aparecen picadura y corrosión en rendijas. El dúplex 2205 y el superdúplex se justifican en licores ácidos con cloruros, con 2205 generalmente seguro hasta cloruros moderados y pH mayor que 2. El FRP y los laminados duales cubren lixiviaciones con H₂SO₄ o HCl, con la abrasión como factor limitante y un techo térmico que depende de la resina.
Un principio que conviene decir sin rodeos: la superficie de desgaste es el revestimiento, no la camisa. Especifique calidad, dureza y detalle de juntas del revestimiento con el mismo rigor que la camisa, y exija calificaciones de soldador y de aplicador de goma en la orden de compra. La corrosión de la camisa detrás de un parche de revestimiento fallido ha terminado con más tanques que las fallas de agitador.
Fallas en servicio, costos y un ejemplo resuelto
La mayoría de los problemas se remonta a un puñado de causas, ordenadas aquí por frecuencia de campo.
- Arenado con lecho creciente en el fondo. Causa: operar por debajo de Njs tras un cambio de dureza o molienda, un impulsor de menor diámetro instalado como repuesto o una potencia que deriva por desgaste. Solución: restituir diámetro y velocidad de diseño, reverificar Njs y añadir detección de sólidos en el fondo para que el operador vea el lecho antes de que entierre el impulsor.
- Desgaste rápido del revestimiento en impulsor y fondo. Causa: velocidad de punta sobre el límite del revestimiento, sobretamaño extraño en la alimentación o un radio de fondo que dirige el impacto. Solución: bajar la punta con un impulsor mayor, clasificar la alimentación e inspeccionar espesores en paradas programadas.
- Caída de oxígeno disuelto o de reactivo con caudales de gas normales. Causa: dispersor obturado por incrustación o lodo, o gas que rodea el impulsor sin cizallarse. Solución: limpiar o rediseñar el dispersor y confirmar que el gas se corta bajo el impulsor.
- Fugas de sello y fallas de reductor. Causa: sello inadecuado al servicio y desalineación del eje tras asentamiento de fundación. Solución: sello de pozo seco o mecánico correctamente calificado, monitoreo de condición y relevamiento de fundaciones.
- Corrosión bajo revestimiento o en cordones de soldadura. Causa: cloruros sobre el umbral de la aleación a la temperatura de operación, o rendijas en juntas y boquillas. Solución: ajustar la aleación al análisis real del licor y especificar detalle sin rendijas en la próxima fabricación.
- Espumado y arrastre de pulpa hacia el manejo de gas. Causa: molienda fina, altos sólidos, reactivos tensoactivos o inyección excesiva. Solución: aumentar el bordo libre, añadir control de espuma o duchas de lavado y revisar el supuesto de volumen útil del paso 2.
En costos, las cifras son rangos presupuestarios ilustrativos para 2026, con tanques de 350–600 m³ y fabricación convencional: 1,500–2,500 USD por m³ bruto para estructura y revestimiento, más 400–700 USD por kW instalado de accionamiento, eje e impulsor; las versiones en inoxidable o dúplex cuestan 1.6–2.5 veces más; un Pachuca baja a 900–1,600 USD por m³ pero exige compresores. La energía domina el costo de largo plazo: a 0.10 USD/kWh, un agitador de 400 kW consume unos 330,000 USD de electricidad al año, de modo que sobredimensionar la potencia un 30% añade en silencio cerca de 100,000 USD por tanque y año.
Ejemplo ilustrativo. Mineral de oro óxido de 500 t/d (551 short t/d), 92% de extracción a 22 horas, P₈₀ de 75 µm, 48% de sólidos, SG 2.7. Tiempo de diseño 24 h; caudal de pulpa 345 m³/h; volumen útil total 8,280 m³. Seis tanques de 1,380 m³ brutos (1,200 m³ útiles al 87%), 11.5 m (37.7 ft) de diámetro, 12.5 m (41 ft) de altura de líquido y H/T de 1.09. A 1.0 kW/m³ serían 1,380 kW absorbidos por tanque, cifra que obliga a iterar: a esa escala resulta más típico 0.7 kW/m³ (unos 970 kW) con dos impulsores, y el equipo pasaría a ocho tanques de ~1,000 m³ brutos. Impulsores: dos hidroalas de cuatro paletas por eje, el inferior de 4.2 m (13.8 ft), partícula de diseño de 1 mm y punta de 4.3 m/s (14 ft/s); cuatro deflectores de 0.96 m, sello de pozo seco y aire a ~1.0 m³/min por 100 m³ de pulpa.
Preguntas frecuentes
¿Qué tiempo de residencia debo usar para dimensionar un tanque de lixiviación?
Derívelo de ensayos cinéticos de botella rodante o de tanque agitado para su mineral, molienda y sistema de reactivos; nunca de una cifra genérica de la industria. Tome el tiempo en que la extracción incremental deja de ser rentable y añada 10–20% por ineficiencia de escalamiento y cortocircuito entre tanques. En minerales de oro óxido suele quedar entre 24 y 36 horas; los servicios refractarios y de metales base pueden ser más largos o más cortos según la mineralogía.
¿Cuánta potencia necesita un tanque agitado por metro cúbico?
La intensidad típica de potencia absorbida es 0.6–1.0 kW/m³ en lixiviaciones de molienda fina con impulsores hidroala, sube a 1.0–1.5 kW/m³ en servicios más gruesos o con dispersión de gas y llega hasta 2.5 kW/m³ en alta viscosidad o biooxidación. El método riguroso es calcular la velocidad justo suspendida para su peor partícula y añadir margen, usando la intensidad solo como comprobación de orden de magnitud.