Extracción por solventes de cobre: diseño de proceso y diagnóstico de fallas
Cada etapa de extracción bien diseñada transfiere 90–95% del cobre disuelto desde la solución rica (PLS) a la fase orgánica. Ese paso es el que decide la economía entre la lixiviación y la electroobtención: el cobre pasa de un licor diluido y sucio a un electrolito limpio y concentrado, sin consumir el reactivo orgánico, que circula en un lazo cerrado.
Puntos clave
- Un circuito estándar 2E1W1S transfiere 90–95% de cobre por etapa de extracción con relaciones O/A de 1:1 a 1.5:1.
- La elección de oxima — aldoxima o cetoxima — fija la capacidad de carga, la eficiencia de reextracción y el comportamiento frente al crud.
- El mezclador-decantador se dimensiona con tiempo de mezcla de 1.5–3 min, velocidad de decantación de 3–6 m³/m²·h y objetivos de arrastre.
- El crud, la mala separación de fases y el arrastre explican la mayor parte del cobre y del orgánico que se pierde y es recuperable.
- Los ensayos piloto con PLS real reducen el riesgo en número de etapas, relaciones O/A e inventario de orgánico.
Química y equipo
La fase orgánica contiene 7–12% en volumen de una hidroxioxima en un diluyente tipo queroseno. La reacción es reversible y libera ácido al extraer y lo consume al reextraer:
2RH(org) + Cu²⁺(aq) ⇌ CuR₂(org) + 2H⁺(aq)
Un PLS a pH 1.5–2.0 favorece la extracción; el electrolito gastado con 150–180 g/L de H₂SO₄ favorece la reextracción. El equipo casi universal es el mezclador-decantador: un impulsor dispersa las fases para crear área interfacial y la mezcla descarga a un decantador tranquilo donde la gravedad separa. Varias etapas en serie alcanzan la recuperación global que exige el diagrama. En condiciones de diseño la separación supera 99.9%, pero esa cifra se degrada rápido con sólidos en suspensión, crud o deriva química.
Dos corrientes auxiliares cierran el lazo: el refinado, que vuelve a la lixiviación con ácido residual, y el agua de lavado que retira el PLS arrastrado en el orgánico cargado para que cloruros y hierro no lleguen al tankhouse.
Parámetros de proceso críticos
Un diagrama de SX se define por pocos parámetros que interactúan; acertarlos por separado es lo mínimo, acertarlos en conjunto es lo que separa una planta de 95% de recuperación de otra que pierde valor por refinado y purga de electrolito.
| Parámetro | Unidad | Rango típico | Nota de diseño |
|---|---|---|---|
| Relación O/A (extracción) | – | 1:1 a 1.5:1 | Más O/A: más capacidad y más inventario orgánico |
| Relación O/A (reextracción) | – | 1:1 a 1:2 (org:aq) | Fija la ley de cobre del electrolito avanzado |
| Concentración de extractante | vol% | 7–12 | Apuntar a 85–95% de la carga máxima en equilibrio |
| Carga de cobre (orgánico) | g/L Cu | 2–6 | No superar 95% de saturación para proteger la reextracción |
| Eficiencia de etapa | % | 85–95 | 90% es una base de diseño sólida por etapa |
| Tiempo de mezcla | min | 1.5–3 | Por debajo de 90 s el proceso se limita por cinética |
| Velocidad de decantación | m³/m²·h | 3–6 | Usar el extremo bajo con PLS con sólidos |
| Arrastre (orgánico en acuoso) | ppm | <20–50 | Determina el consumo de orgánico y el riesgo en EW |
| Temperatura | °C | 20–40 | Más caliente mejora cinética y separación |
La relación O/A de extracción suele ubicarse entre 1:1 y 1.5:1: más O/A transfiere más cobre por paso, pero agranda el inventario de orgánico, el capital y las pérdidas por arrastre. En reextracción la relación se invierte y, con la ley de orgánico cargado y el O/A de reextracción ajustados, el orgánico agotado debe salir con menos de 1.5–2.5 g/L de cobre. La eficiencia de etapa mide qué tanto de la transferencia de equilibrio se logra: 85–95% en etapas bien mezcladas, con 90% como base conservadora. Pocas etapas grandes y eficientes suelen vencer a muchas pequeñas cuando se suman capital, bombeo e inventario.
Cómo se configura el circuito
La notación compacta describe la planta: 2E1W1S son dos etapas de extracción, una de lavado y una de reextracción, la configuración más común para PLS de ley media. PLS de alta ley u objetivos exigentes justifican 3E1W1S o 2E1W2S; PLS pobre en clima cálido a veces opera con 1E1S. Las operaciones muy grandes suelen adoptar arreglos serie-paralelo para mezclar varias corrientes de lixiviación sin sobrecargar un solo tren.
- Definir el servicio. Producción anual de cátodos, caudal y ley del PLS y recuperación global requerida.
- Caracterizar el PLS. Cu, ácido libre, Fe, Mn, cloruro y sólidos en suspensión a lo largo de todo el ciclo, incluidos arranque y final de vida.
- Elegir el sistema de extractante. Aldoxima, cetoxima o mezcla, con vol% que deje margen de carga.
- Construir la isoterma y el balance de McCabe–Thiele. Las isotermas de laboratorio dan las etapas teóricas; la eficiencia de 85–95% las convierte en etapas reales.
- Fijar relaciones O/A y leyes de corriente. Iterar hasta que el electrolito avanzado quede en 40–50 g/L de cobre y el orgánico agotado bajo el objetivo.
- Insertar lavado y etapas de guarda. El lavado es un seguro barato: cada mililitro de PLS arrastrado lleva hierro, manganeso y cloruro al circuito de electrólisis.
- Dimensionar y verificar en piloto. Convertir tiempo de residencia y velocidad de decantación en geometría, y confirmar arrastre y separación con PLS real antes del diseño de detalle.
Por qué pierde eficiencia una planta de SX
- Crud. Banda de emulsión gris a negra en la interfase, capas de borra crecientes y mayor reposición de orgánico. Causa: sólidos finos (sílice, arcillas, hierro y alúmina precipitados), residuos de lixiviación y productos de degradación. Solución: retirar sólidos aguas arriba, extraer y tratar el crud con centrífugas, lavado ácido o filtración en lecho de arcilla, y recuperar el orgánico. Prevenir siempre cuesta menos que curar.
- Separación lenta de fases. Tiempos de decantación sobre 60–90 s, interfases turbias y orgánico que pasa al refinado. Solución: verificar la química en laboratorio, bajar la velocidad de punta del impulsor, subir la temperatura hacia 30–40 °C y ampliar la capacidad del decantador.
- Pérdidas por arrastre. Películas de orgánico en las pozas de refinado e inventario que cae más rápido que lo explicable por pérdidas mecánicas. Solución: auditar el arrastre en cada corriente, instalar coalescedores y limpieza por flotación en el refinado, y corregir la hidráulica del mezclador. Pasar de 100 a 50 ppm de orgánico en refinado puede valer cientos de miles de dólares al año.
- Sílice y sólidos. Crecimiento progresivo de crud resistente al retiro normal. Causa: sílice reactiva de minerales con silicatos solubles en ácido, más PLS sin clarificar. Solución: cuantificar la sílice reactiva en los ensayos, añadir separación sólido-líquido aguas arriba y dimensionar para la carga medida.
- Manganeso y degradación oxidativa. Desempeño del extractante que decae en meses y mayor consumo de reactivo. El Mn²⁺ del PLS se oxida a permanganato y ataca la oxima, problema documentado en operaciones del Katanga (RDC) y en algunos depósitos chilenos. Solución: minimizar el arrastre de Mn, evitar oxidantes fuertes, monitorear la fuerza del extractante y elegir la opción más tolerante a la oxidación.
- Hierro al tankhouse. Caída de eficiencia de corriente (cada 1 g/L de Fe cuesta varios puntos), mayor voltaje de celda y más niebla ácida. Solución: aumentar el O/A y el agua de lavado, auditar el arrastre de acuoso en orgánico y controlar la purga para estabilizar el Fe por debajo de 2–4 g/L.
Estos modos interactúan: el crud empeora el arrastre y el arrastre empeora el hierro. Un balance de masa sistemático de cobre, orgánico e impurezas en todo el circuito es más rápido que atacar síntomas uno por uno.
Aldoxima o cetoxima
| Propiedad | Aldoxima | Cetoxima |
|---|---|---|
| Capacidad de carga | Alta | Moderada |
| Cinética de extracción | Rápida | Más lenta; puede exigir otra etapa |
| Reextracción | Requiere electrolito de alta acidez; suele modificarse | Fácil a acidez moderada |
| Selectividad Cu/Fe | Muy alta (≥2000:1 típica) | Alta, menor que aldoxima |
| Separación de fases | Buena con modificador; pobre sin él | Muy buena |
| Estabilidad oxidativa (Mn) | Moderada a buena | Buena |
| Uso típico | PLS de alta ley y gran caudal | PLS pobre, muy ácido o sucio |
La decisión es condicional. Para PLS sobre 3–4 g/L de cobre y gran tonelaje conviene una aldoxima modificada: más cobre por etapa y menor inventario para igual producción de cátodos. Para PLS pobre, muy ácido o con sílice y sólidos —casos de Zambia y RDC— conviene cetoxima o una mezcla 1:1 tipo LIX 984N, porque la facilidad de reextracción y la buena separación superan la menor fuerza. En alimentaciones con manganeso manda la tolerancia a la oxidación, no la capacidad de carga. En la práctica las mezclas se han vuelto el valor por defecto pragmático, y los proveedores ajustan la proporción contra el PLS real del cliente.
Qué muestran los datos de planta
Las cifras siguientes son compuestos ilustrativos de auditorías y puestas en marcha anonimizadas; son representativas del sector, no atribuibles a un cliente identificado.
Una operación de óxidos en Atacama (Chile) con 3E1W2S sobre PLS de 5 g/L Cu mantiene 92–94% de eficiencia por etapa y más de 96% de recuperación global, transfiriendo 4.1–4.4 g/L Cu al orgánico con 11 vol% de extractante. Una planta del Copperbelt zambiano con PLS más pobre y más sílice opera 2E1W1S con 88–91%, brecha atribuible casi por completo a sólidos y crud. En Sonora (México) una auditoría midió 68 ppm de orgánico en refinado contra un objetivo de 25 ppm; corregir la cizalla del mezclador y la carga del decantador la bajó a 22 ppm, con un ahorro estimado de 380 m³ de orgánico al año. Un proyecto en Mongolia comparó 2E1W1S con 2E1W2S: la etapa extra de reextracción subió el electrolito de 38 a 45 g/L Cu y redujo el área del tankhouse cerca de 12% para igual tonelaje. Y en Katanga (RDC), la centrifugación dedicada de crud recuperó cerca de 70% del orgánico atrapado y bajó la reposición de 6.5 a 3.8 L por tonelada de cátodo en seis meses.
El patrón es consistente: las plantas que miden arrastre e interfase con frecuencia y presupuestan recursos reales para el crud operan a 1–2 puntos de la recuperación de diseño; las que lo tratan como tarea menor lo pagan de forma continua.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre extracción por solventes y electroobtención?
La extracción es purificación y concentración: mueve Cu²⁺ de un PLS diluido a un electrolito limpio mediante un portador orgánico. La electroobtención es recuperación: con ánodos insolubles y cátodos de acero inoxidable o cobre, deposita cátodo de grado LME. La electroobtención no podría operar económicamente sobre PLS crudo porque el hierro, el cloruro y el manganeso arruinarían la eficiencia y la calidad.
¿Cuántas etapas de extracción necesita un circuito?
La mayoría usa dos etapas de extracción en configuración 2E1W1S, que supera 96% de transferencia global con 90% de eficiencia por etapa. El número real sale de la isoterma y de McCabe–Thiele: PLS de alta ley puede justificar tres etapas y alimentaciones pobres a veces operan con una. Diseñe siempre con etapas reales, no de equilibrio.
¿Qué causa el crud y cómo se trata?
Es una emulsión interfacial estabilizada por sólidos finos —sílice, arcillas, hierro precipitado—, productos de degradación y a veces materia biológica. Se trata con remoción de sólidos aguas arriba, retiro dedicado de crud y procesamiento por centrífugas, lavado ácido o filtración en lecho de arcilla para recuperar el orgánico atrapado.