Cómo seleccionar y dimensionar un espesador de alta capacidad

Para la mayoría de las plantas hidrometalúrgicas, un espesador de alta capacidad bien dimensionado recupera 90–95% del agua de proceso de residuos de lixiviación y relaves ocupando un tercio de la superficie de una unidad convencional del mismo deber. Elegirlo es un compromiso entre caracterización de la alimentación, desempeño del floculante, velocidad de ascenso y densidad objetivo de descarga. Esta guía recorre la lógica de selección y dimensionamiento para diagramas de cobre, oro y zinc, incluyendo residuos de lixiviación, relaves y circuitos de decantación en contracorriente (CCD), y supone que ya dispone de un balance de masa y de una muestra de pulpa para ensayos.

Conclusiones principales

• La selección empieza por la caracterización: distribución de tamaño de sólidos, mineralogía, pH y velocidad de sedimentación.
• La velocidad de ascenso de diseño de las unidades de alta capacidad suele situarse entre 8 y 16 m/h con floculación.
• La densidad de descarga, y no solo el diámetro, gobierna la filtración aguas abajo y el balance de agua.
• Los ensayos de sedimentación en banco o piloto convierten datos de laboratorio en cifras fiables de diseño a escala real.
• Compare las opciones convencional, alta capacidad y pasta frente a superficie, densidad y objetivos de CAPEX.

Qué es y cómo funciona

Un espesador de alta capacidad es un recipiente de sedimentación por gravedad que usa una cámara de alimentación profunda y floculada y una geometría de rastras optimizada para lograr flujos de sedimentación de dos a cinco veces mayores que los espesadores convencionales del mismo diámetro. Comprime pulpa diluida en una descarga densa y produce un rebose clarificado que se recicla como agua de proceso.

calculadora de área de filtro prensa a partir de una prueba de hoja

espesador de pasta

Separación sólido-líquido

El mecanismo es directo. La pulpa diluida se inyecta tangencialmente en una cámara de alimentación donde se mezcla con una solución diluida de floculante —habitualmente una poliacrilamida aniónica— y con licor débil reciclado. La mezcla suave forma flóculos grandes y de sedimentación rápida, que pasan bajo una zona de clarificación. Los sólidos se asientan sobre un lecho de compactación, las rastras lo conducen hacia un cono central de descarga y una bomba de velocidad variable controla el nivel del lecho.

Tres definiciones enmarcan el resto. La cámara de alimentación es una cámara de mezcla con deflectores que dispersa el floculante y disipa la energía de la alimentación para no cizallar los flóculos. El par de rastra es el momento resistente que el accionamiento debe vencer para mover los sólidos asentados, y es la variable operativa más vigilada. Un clarificador es un recipiente de baja carga de sólidos que produce rebose claro pero solo una densidad de descarga modesta, y por eso rara vez sustituye al espesador donde el balance de agua importa.

El atractivo comercial es fácil de enunciar: como el flujo de sedimentación es mayor, un deber dado necesita mucha menos área de clarificación, de modo que el diámetro —y con él el hormigón, la luz del puente y el muro de contención— se reduce drásticamente. Un deber de residuo de 450 t/h que exigiría una carcasa convencional de 25–30 m se resuelve con un recipiente floculado de 14–16 m. El ahorro de capital se compone con el civil: fundaciones menores, rastras más cortas, pares nominales más ligeros. Los contrapesos son igual de reales: el diseño depende mucho de una preparación de floculante fiable y de un acondicionamiento de alimentación estable, y una alimentación muy variable en concentración o mineralogía castiga más a una unidad de alta capacidad porque su área de reserva es menor por diseño.

Parámetros clave de diseño

La velocidad de ascenso es la variable primaria. Es la velocidad ascendente del licor por la zona de clarificación; si el licor sube más rápido de lo que sedimentan los flóculos, los sólidos arrastran y la claridad se degrada. Los residuos de lixiviación de cobre floculados sostienen habitualmente 10–14 m/h, mientras los relaves de oro finamente molidos pueden limitarse a 6–10 m/h.

La densidad de descarga es una cuestión de reología, no solo de sedimentación. Cuando los sólidos del lecho pasan de aproximadamente 55–60 % p/p, el esfuerzo de fluencia sube en pendiente pronunciada, y una unidad diseñada para 58 % p/p puede ser hidráulicamente inalcanzable a 64 % p/p con la misma geometría. La reología de laboratorio y piloto sobre su pulpa real —a pH y temperatura de proceso— es la única base defendible.

El par se especifica con un valor de servicio y un límite de diseño. Los accionamientos pequeños disparan con frecuencia cuando el lecho se opera profundo a propósito para ganar densidad; los sobredimensionados desperdician capital. Regla práctica: fije el límite de diseño en aproximadamente el doble del par de servicio esperado y exija instrumentación de presión de lecho para que los operadores gestionen la compactación en lugar de reaccionar a los amperios. Una instalación moderna debería llevar al menos: nivel o presión de lecho, monitoreo de par con tendencia histórica, medición de densidad de descarga (nuclear o ultrasónica), totalización de floculante ligada al caudal másico de alimentación y turbidez de rebose como aviso temprano de arrastre.

Convencional, alta capacidad o pasta

Las tres familias se solapan, pero cada una tiene un nicho económico claro. El espesador convencional es un recipiente de gran diámetro y bajo flujo que tolera mal acondicionamiento y entrega densidad moderada; el de pasta es un recipiente de lecho profundo y alto par que maximiza la densidad para depósito en seco o relleno subterráneo. El de alta capacidad queda entre ambos, y la respuesta correcta depende del balance de agua, la superficie y el proceso aguas abajo.

• En retrofits con paradas cortas se prefiere alta capacidad, porque su diámetro pequeño y su rastra ligera encajan en carcasas existentes o en layouts congestionados.
• En circuitos CCD se prefiere alta capacidad, porque las velocidades de ascenso altas mantienen favorable la relación de agua de lavado y el tren compacto reduce el costo de contención por etapa.
• Para relaves en depósito seco se prefiere pasta, porque entrega 62–70 % p/p de descarga que filtra o se apila sin exceso de polímero.

Regla práctica de selección: si necesita recuperar agua rápido y barato, elija alta capacidad; si necesita sólidos transportables o apilables, elija pasta; si tiene terreno abundante y objetivos de rebose tolerantes, el convencional puede seguir ganando por simplicidad. Muchas plantas acaban teniendo ambos: una unidad de alta capacidad en el lavado de residuos y una de pasta en el depósito de relaves. En trenes CCD, la densidad de descarga de cada etapa fija la relación de agua de lavado, de modo que el desempeño del espesamiento se propaga directamente a la recuperación de metal en la etapa siguiente: una etapa que pierde 3–4 puntos de densidad cuesta más agua de lavado o más pérdida soluble de lo que el espesador ahorró en capital.

Por qué rinde mal y cómo corregirlo

1. Claridad de rebose pobre. Arrastre visible con sólidos suspendidos por encima de 200 mg/L indica floculación incompleta: dosis baja, agua de dilución insuficiente o energía de mezcla excesiva que cizalla los flóculos. Verifique la concentración de la solución madre, suba la dilución a al menos 10:1 agua-polímero y reduzca la turbulencia antes de aumentar la dosis.
2. Densidad de descarga bajo el objetivo. Descarga estancada en 48–52 % p/p frente a un diseño de 58–60 %: el lecho se extrae más rápido de lo que compacta. Baje la velocidad de la bomba de descarga, suba el punto de consigna de nivel en pasos pequeños y observe el par subir hasta la banda esperada.
3. Consumo alto de floculante. Dosis por encima de 35–40 g/t sin ganancia de claridad: solución envejecida o mal mezclada, carga iónica equivocada para la mineralogía o picos de sólidos que enmascaran la demanda real. Rehaga la práctica de preparación, repita ensayos de jarra con variantes de carga y dosifique en proporción a los sólidos medidos, no al caudal.
4. Disparos de par y arenado. Picos cíclicos sobre el límite de diseño con material grueso acumulado: partículas gruesas y rápidas están evitando el lecho y compactando en el cono. Confirme el desempeño de ciclones o molino, aumente temporalmente la velocidad de rastra y evalúe una etapa de remoción de gruesos aguas arriba.
5. Islas de lodo. Se forma un montículo estable descentrado y las rastras pasan por encima: distribución asimétrica o cámara de alimentación obstruida. Inspeccione y limpie la cámara, verifique la geometría de la tubería y alterne el sentido o el perfil de velocidad de rastra.
6. Deriva del instrumento de nivel. Lecturas de presión de lecho que no coinciden con los grifos de muestreo ni con la tendencia de par: boquillas parcialmente cegadas por incrustación o gruesos. Retrolave con calendario, cruce con muestras manuales semanales y calibre contra el par como indicador secundario.
7. Incrustación en circuitos de agua dura. Yeso o carbonato restringiendo canaletas y líneas de descarga a pH superior a 8. Ajuste el pH donde el diagrama lo permita, añada lavado ácido al plan de mantenimiento y especifique canaletas que puedan limpiarse con barra.

Dimensionamiento paso a paso

El cálculo siguiente usa datos anonimizados de un deber de residuo de lixiviación de cobre, en base seca, % p/p y unidades SI. Supuestos: peso específico de sólidos 2.8, densidad del licor 1.0 t/m³ y velocidad de ascenso de diseño 12 m/h confirmada por ensayos.

espesador frente a filtro prensa

cálculo del área de espesamiento

1. Definir el deber. Alimentación de 450 t/h de sólido seco al 26 % p/p, a espesar hasta 60 % p/p de descarga. La masa de pulpa es 450 / 0.26 = 1,731 t/h, con 1,281 t/h de agua.
2. Convertir a caudal volumétrico. Volumen de sólidos 450 / 2.8 = 161 m³/h; el agua aporta unos 1,281 m³/h. El caudal total de alimentación es aproximadamente 1,442 m³/h (unos 8,900 US gpm).
3. Dimensionar el área por velocidad de ascenso. Área requerida = 1,442 ÷ 12 = 120 m². Con un margen de diseño de 25 % por picos de alimentación y efectos térmicos estacionales: 150 m², que corresponde a 13.8 m de diámetro, por lo que se selecciona una carcasa estándar de 14 m.
4. Verificar la hidráulica de descarga y rebose. Al 60 % p/p, la masa de descarga es 450 / 0.60 = 750 t/h con 300 t/h de agua. El agua de rebose es 1,281 − 300 = 981 t/h, lo que da un flujo de rebose de 981 / 150 = 6.5 m/h, cómodamente dentro de la capacidad de clarificación de una alimentación bien floculada. La densidad de la pulpa de descarga es de aproximadamente 1.66 t/m³, así que el deber de la bomba es 750 ÷ 1.66 ≈ 452 m³/h, lo que confirma una bomba de desplazamiento positivo o centrífuga de servicio pesado.
5. Especificar la demanda de floculante. A 20 g/t de sólido seco, la demanda de polímero activo es 450 × 20 = 9 kg/h. Dosificado al 0.025 % p/p son 36 m³/h de solución diluida, lo que fija la planta de preparación y el presupuesto de agua de dilución.
6. Fijar par e instrumentación. Para una carcasa de 14 m rastrillando un lecho de 2–3 m a esta carga, especifique un par de servicio de 250–300 kN·m con límite de diseño cercano a 600 kN·m, transmisores de presión de lecho y capacidad de izaje de rastra de al menos 300 mm.

El resultado —un recipiente de 14 m en lugar de una unidad convencional de unos 25 m— es el corazón económico del ejercicio: tanque menor, menos contención, rastras más cortas y menor costo instalado para la misma recuperación de agua.

Costos. Todo lo siguiente es un rango típico a confirmar con oferta y ensayos. El suministro de equipo para una unidad de 12–16 m en acero al carbono con partes húmedas revestidas suele caer en 0.6–1.5 millones USD; el costo instalado, incluyendo tanque, accionamiento, bombas, planta de polímero y obra civil, llega habitualmente a 2.5–3.5 veces el suministro. Frente a un espesador convencional de igual deber, use un índice relativo de CAPEX de 0.7–0.9. El OPEX lo dominan floculante y energía: a 20 g/t y 3–5 USD por kilogramo de poliacrilamida aniónica puesta, una alimentación de 450 t/h consume unos 160–230 USD por hora de operación en polímero, habitualmente 60–75 % del OPEX del espesador. La potencia del accionamiento es modesta (30–75 kW instalados para la rastra, más el bombeo de descarga) y el mantenimiento promedia 2–4 % del suministro de equipo por año.

Caso de proyecto (anonimizado). Un proyecto de residuo de lixiviación de cobre en Sudamérica ilustra lo que entrega una unidad bien especificada. El residuo proviene de un circuito de lixiviación agitada a pH cercano a 1.8, con P80 alrededor de 45 µm, lo que lo hace una alimentación moderadamente exigente pero bien floculable. Punto de servicio instalado: 38 t/h de sólido seco al 24 % p/p, espesado a 58 % p/p, con sólidos suspendidos en rebose consistentemente bajo 200 mg/L. La unidad seleccionada fue de 12 m de diámetro con 4.5 m de pared lateral, elegida tras ensayos de sedimentación que mostraron una velocidad de ascenso sostenible cercana a 11 m/h con 25 g/t de floculante. Resultados medidos en los primeros doce meses: disponibilidad mecánica 96 %, densidad de descarga promedio 57.5 % p/p frente al objetivo de 58 %, consumo de floculante 23–27 g/t según variación estacional y par de rastra en torno al 55 % del límite de diseño. La claridad permitió reciclar directamente al área de lixiviación, recuperando unos 100 m³/h de agua de proceso del circuito.

Preguntas frecuentes

¿Qué velocidad de ascenso debo usar para residuo de lixiviación de cobre?

La mayoría de los residuos de cobre, moderadamente gruesos y floculables con poliacrilamida aniónica, sostienen velocidades de diseño de 10–14 m/h. Los residuos más finos o ricos en arcilla pueden limitarse a 6–10 m/h. Los ensayos de sedimentación a pH y temperatura de proceso deben fijar siempre la cifra final, con un margen de diseño de 20–30 % por picos y variación estacional.

¿Cuánto floculante consume un espesador de alta capacidad?

La dosis típica es de 10–40 g de poliacrilamida aniónica activa por tonelada de sólido seco, con residuos de cobre y oro habitualmente en 15–30 g/t. El polímero se dosifica como solución al 0.025–0.05 % p/p con dilución fuerte. El consumo depende mucho más de la calidad del flóculo y de la precisión del control de dosis que del tamaño del recipiente.