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FLOTAÇÃO E PROPRIEDADES DA INTERFACE UNIDADE IV COLUNA DE FLOTAÇÃO E CIRCUITOS Elaboração Cristiane Oliveira de Carvalho Produção Equipe Técnica de Avaliação, Revisão Linguística e Editoração SUMÁRIO UNIDADE IV COLUNA DE FLOTAÇÃO E CIRCUITOS ..........................................................................................................................................5 CAPÍTULO 1 FLOTAÇÃO EM COLUNA ............................................................................................................................................................. 6 CAPÍTULO 2 VARIÁVEIS DA COLUNA DE FLOTAÇÃO ............................................................................................................................. 10 CAPÍTULO 2 CIRCUITO DE FLOTAÇÃO ........................................................................................................................................................ 15 REFERÊNCIAS ...............................................................................................................................................19 4 5 UNIDADE IVCOLUNA DE FLOTAÇÃO E CIRCUITOS A quarta e última unidade ficou reservada para a coluna de flotação e os circuitos básicos de flotação. O capítulo 1 da coluna de flotação explica como o processo de flotação acontece nesse equipamento. Além disso, ressalta as zonas e o que ocorre em cada zona de uma coluna de flotação, assim como cita vantagens e desvantagens de utilizar esse equipamento na flotação. O capítulo 2 expõe as principais variáveis de um processo de flotação em coluna, explicando as mais importantes. O capítulo 3 descreve um pouco dos circuitos de flotação e das etapas (cleaner, rougher e scavenger). Objetivos da Unidade » Estudar as características da coluna de flotação e seu funcionamento. » Entender as variáveis que são importantes no processo de flotação. » Conhecer os circuitos de flotação e a suas etapas. Fluxograma da etapa de flotação convencional de um circuito de flotação da Samarco Mineração. A flotação realizada é catiônica reversa e ocorre em três etapas: células mecânicas da Wemcon (flotação convencional); células mecânicas Outotec e colunas de flotação. Figura 24. Fluxograma da flotação convencional da Samarco. Concentrado final cleaner Rougher Alimentação Scavenger Rejeito final Cleaner da Scavenger Rejeito final Carga circundante Fonte: Silva (2016). 6 CAPÍTULO 1 FLOTAÇÃO EM COLUNA O princípio fundamental do processo de flotação em coluna foi desenvolvido no começo da década de 60 por Boutin e Tremblay, no Canadá, local onde patentearam essa inovação. (LUZ et al., 2010; REIS, 2015; SILVA, 2015). Depois da implantação dessa tecnologia, foram efetuados experimentos em escala de laboratórios e outras perspectivas alternativas desenvolvidas por outros pesquisadores. (LUZ et al., 2010; SILVA, 2015). A implantação industrial da flotação em coluna aconteceu em 1980 em Les Mines Gaspé, também no Canadá. A coluna operou na etapa de flotação cleaner de concentração de molibdenita, sucedeu com êxito um banco de células mecânicas (LUZ et al., 2010; REIS, 2015; SILVA, 2015). As primeiras plantas-pilotos, no Brasil foram desenvolvidas em 1985 no Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDNT), e a implantação em escala industrial aconteceu no ano de 1991. (REIS, 2015) Depois desses avanços, diversas colunas de flotação foram utilizadas no Brasil, e inúmeras pesquisas têm sido desenvolvidas com a finalidade de aprimorar a técnica e alcançar um melhor entendimento sobre a técnica. Todo esse cenário levou à flotação em coluna a ser largamente aceita na indústria mineral, tornando-se relevante técnica para a separação mineral (REIS, 2015). Quadro 2. Colunas intaladas no Brasil. Minério/Mineral Quantidade Ferro 93 Fosfato 35 Cobre 23 Nióbio 5 Chumbo/zinco 4 Grafita 4 Feldspato 3 Talco 2 Prata 2 Total 171 Fonte: Luz et al. (2010). 7 COLUNA DE FLOTAÇÃO E CIRCUITOS | UNIDADE IV A relevância desse equipamento pode ser reconhecida pelas melhorias consideráveis dos concentrados alcançados em várias unidades industriais, sendo utilizado em diversos minérios. A isso somam-se as melhorias na performance metalúrgica e uma economia nos dispêndios de capital e de operação. (SILVA, 2005). Esses aspectos têm sido fundamentais para o uso das colunas de flotação, sendo aplicados tanto em projetos recentes como em ampliações industriais (SILVA, 2005). Silva (2015) esclarece que o funcionamento básico de uma coluna de flotação consiste em alimentar a polpa no terço superior do equipamento e inserir o ar na base. Assim, existe o encontro das partículas minerais sólidas, que submergem na polpa, com as bolhas ascendentes. Essas partículas capturadas são arrastadas para uma zona de espuma e, logo após, coletadas. É possível usar água de lavagem contra fluxo de ascendente com o objetivo de impedir o arraste mecânico das partículas finas. Luz et al. (2010) e Santana (2011) esclarecem a célula mecânica convencional em alguns aspectos: geometria (relação altura: diâmetro efetivo), água de lavagem, ausência de agitação mecânica, sistema de geração de bolhas. Figura 25. Coluna de Flotação: (a) esquema e (b) operação. Zona de limpeza Zona de coleta ou recuperação Aerador Ar Não Flotado Alimentação Interface Flotado Água de lavagem Fonte: Adaptada de Luz et al. (2010) e Will (2016). 8 UNIDADE IV | COLUNA DE FLOTAÇÃO E CIRCUITOS Silva (2005) afirma que uma coluna de flotação é dividida em duas zonas diferentes. A zona de recuperação, também conhecida como zona de coleta ou zona de concentração, fica situada entre a interface polpa-espuma e o sistema de aeração. Já a zona de limpeza, nomeada como zona de espuma, está situada entre a interface da polpa – espuma e transbordo. A figura a seguir apresenta um esquema da coluna de flotação, apresentando as zonas formadas no interior da coluna. Na primeira região, zona de recuperação, as partículas alimentadas interagem, em fluxo contra corrente, com as bolhas de ar produzidas e dissipadas pelo aerador instalado na parte inferior da coluna. Logo, as partículas hidrofóbicas que serão aderidas às bolhas de ar são deslocadas até a zona de limpeza, e as partículas hidrofílicas ficarão presas pela base do equipamento. A água de lavagem é acrescentada na zona de limpeza mediante o uso de um chuveiro, podendo ser interno ou externo com o objetivo de reduzir o arraste de partículas de ganga e promover a estabilização da espuma. É importante explicar que o fluxo líquido entre a água de lavagem da camada de espuma e a água do concentrado, referindo-se a velocidade superficial, é conhecido como “bias”. Se o fluxo é descendente, a “bias” é positiva, assegurando que o flotado tenha melhor eficiência na lavagem. Santana (2011) afirma que a configuração vertical da coluna aumenta o rendimento desta, isso porque a zona de lavagem fica por cima da zona de recuperação. Assim, quando existir ação de lavagem, ou quando acontecer o destacamento e a drenagem de partículas hidrofóbicas na interface polpa/espuma, a chance de acontecer a sua recuperação será alta, pois, antes de serem eliminadas, precisarão atravessar toda a zona de recuperação. Nesse equipamento, a trubulência e, consequentemente, a chance de destruir os agregados formados são mais biaxas do que na célula, e é sentida especialmente na transição polpa/ espuma. Luz et al. (2010) explica que as colunas de flotação são diferentes das células mecânicas tanto no design quanto na operação. As pesquisas comparativas do desesmpenho desses equipamentos, executados em escalas piloto, semi-indutrial e industrial alegam considerações no que diz respeito à recuperação, ao teor e ao custo. Silva (2009) cita diversas vantagens da célula de flotação quando comparadas com as células convencionais: » elevação da recuperação das partículas finas e grosseiras por meio de pequenasbolhas de ar e com as dimensões são controladas; 9 COLUNA DE FLOTAÇÃO E CIRCUITOS | UNIDADE IV » fluxo contra corrente, promovendo maior probabilidade de adesão do agregado partícula/bolha e condições hidrodinâmicas corretas para o processo na zona de recuperação; » seletividade aumentada quando há a redução do arraste dos minerais de ganga assegurada pelo controle da altura da camada de espuma e da água de lavagem; » oportunidade de unidades de grande porte: projeto, fabricação e operação; » redução do dispêndio de fabricação, pois sua construção é simples; » unidade dominantemente vertical, precisando de espaços menores; » menores dispêndios com operadores, pois seu controle é centralizado; » redução de peças de reposição; » minimização do consumo de energia. Desvantagens também podem ser citadas: » pequena área específica de superfície para transbordo do concentrado; » redução do valor de borda para o transbordo do concentrado, especialmente quando se compara com células mecânicas constituídas de uma coluna somente. Isso pode ser mitigado instalando calhas internas. Essas desvantagens não implicam o uso da coluna. 10 CAPÍTULO 2 VARIÁVEIS DA COLUNA DE FLOTAÇÃO A flotação é um processo com diversas variáveis, e a definição e descrição quantitativa necessitam de muitas pesquisas. Nos dias atuais, já é possível dizer que há um domínio prático significativo nessa área. No entanto, não existe um total conhecimento teórico e prático que compreenda, por exemplo, a possiblidade de presumir uma fórmula adequada de flotação e os resultados práticos alcançados fundamentados em estudos teóricos (SILVA, 2005). Isso está vinculado, especialmente, ao fato de não entender todas as variáveis que influenciam no processo de flotação e as que, se conhecidas, não estão sendo totalmente pesquisadas. Na evolução da tecnologia de flotação em colunas, diversos termos foram inseridos mediante a necessidade de mensurar algumas variáveis operacionais (SILVA, 2015). Essas variáveis podem ter influência relevante sobre o teor e a recuperação do mineral de valor, a qual pode estar inter-relacionada e, desse modo, dificilmente pode ser analisada individualmente. Abaixo são apresentadas as variáveis elementares que têm efeito significativo no processo de flotação por coluna e que são utilizadas em parte para outros equipamentos utilizados no processo (LUZ et al., 2010; SANTANA, 2011; SILVA 2005; e SILVA, 2015). Vazão de ar Essa variável tem um efeito relevante sobre a recuperação do mineral flotado. Está vinculada à velocidade superficial, ao hold up e ao diâmetro médio de bolhas de ar. De acordo com os limites de estabilidade da coluna, a recuperação do material que passa pela flotação é comumente crescente conforme o aumento da vazão de ar, até alcançar o seu valor máximo. O ganho na recuperação é devido ao aumento do número e da área superficial total de bolhas inseridas na coluna. No entanto, um aumento relevante da vazão de ar pode afetar negativamente o processo, por causa da turbulência ou da formação de espuma na zona de recuperação. 11 COLUNA DE FLOTAÇÃO E CIRCUITOS | UNIDADE IV Vazão de água de lavagem Uma relevante modificação da coluna de flotação em comparação às células mecânicas é a inserção de água de lavagem na camada de espuma, elevando a seletividade da flotação. Assim, na coluna verifica-se, geralmente, que a água de lavagem tende a “substituir” a água da alimentação do mineral flotado, sendo distribuída entre essa fração e a fração que volta à seção de coleta. A figura abaixo mostra um esquema dos fluxos de água na célula mecânica e na coluna de flotação. O acréscimo de água tem importantes funções, tais como: » realiza um escoamento descendente de água na coluna (bias), diminuindo a ação do arraste hidráulico de partículas que possam afetar o produto flotado; » ajuda a aumentar a altura e estabilidade da camada de espuma; » diminui a coalescência das bolhas mediante a produção de um leito de bolhas empacotadas. Figura 26. Esquema dos fluxos de água na célula mecânica e na coluna de flotação. Água no flotado Água no flotado Água no não flotado Água de lavagem Água de alimentação Água no não flotado Água de alimentação M M M M Fonte: Luz et al. (2010). Altura da camada de espuma Essa variável é relevante para a seletividade da flotação. Se o arraste hidráulico for considerado intenso, o processo com uma menor camada pode ser mais apropriado, pois a drenagem é realizada perto à interface. 12 UNIDADE IV | COLUNA DE FLOTAÇÃO E CIRCUITOS A camada de espuma pode ser dividida em (Luz et al., 2010): » leito de bolhas expandidas: localizado na parte superior da interface polpa-espuma, e isso é consequência dos choques das bolhas contra a interface, que produzem uma onda de choque e, assim, a coalescência das bolhas; » leito de bolhas empacotada: abrange desde a parte mais elevada da primeira seção até o ponto de inserção da água de lavagem; exibe coalescência moderada e as bolhas têm uma forma esférica; » espuma de drenagem convencional: acontece imediatamente acima do ponto de inserção de água de lavagem. Nessa parte, as bolhas têm uma forma hexagonal e um baixo conteúdo fracional de líquido. Normalmente as colunas industriais possuem camadas de espumas que estão entre 0,5 a 1m. Quando se opera com grandes camadas de espuma, e se o conjunto partícula- bolha romper ou se as partículas hidrofóbicas forem drenadas, essas partículas minerais podem ser recuperadas, porque, antes de serem descartadas, terão que se deslocar por toda a zona de espuma. Tempo de residência O tempo de residência da polpa é um parâmetro restrito numa coluna de flotação. Isso porque é preciso determinar qual fluxo está sendo avaliado: rejeito, concentrado ou interface polpa-espuma. É importante salientar que cada fluxo possui uma curva de distribuição do tempo de residência. Essa curva é fruto dos fatores hidrodinâmicos de transferência de fluxo e também do diâmetro das partículas. Portanto, partículas mais finas exibem uma distribuição do tempo de residência bem semelhante ao da água, enquanto as mais grosseiras exibem um tempo médio de residência bem menor, por causa da sua maior velocidade de sedimentação. Bias Essa variável retrata a fração residual da água de lavagem que corre por meio da coluna e é considerado o principal encarregado pela higienização (rejeição de partículas hidraulicamente arrastadas). O bias será positivo se o fluxo residual for deslocado para baixo, ou melhor, a vazão de lavagem conseguirá substituir a água de alimentação na parcela flotada e possibilitar o deslocamento de uma nova água para a base da coluna de flotação. 13 COLUNA DE FLOTAÇÃO E CIRCUITOS | UNIDADE IV O valor do bias (Qb) é determinado pela diferença entre a vazão de água de lavagem (Qw) e a vazão de água no flotado (Qwf) (SANTANA, 2011; SILVA, 2005). b w wfQ Q Q= − Eq.9 Hold up do ar Essa variável consiste em uma fração volumétrica de ar que contém em certa zona de coluna. O hold up ar é um parâmetro que é influenciado pela vazão do ar, tamanho das bolhas e da velocidade descendente da polpa. É possível, por meio da sua medida, usando manômetros de coluna de água, transdutores ou transmissores de pressão, determinar o diâmetro médio das bolhas aplicando modelos matemáticos. Tamanho das bolhas ar No processo de flotação, é importante determinar o tamanho médio das bolhas e a sua distribuição, por causa da sua ação na eficiência de coleta e no transporte das partículas. O uso de bolhas menores, com maior área superficial, possibilita alcançar níveis mais elevados da cinética de coleta e deslocamento dos sólidos por volume de ar. No entanto, as bolhas com o tamanho excessivamente reduzido manifestam uma velocidade de ascensão pequena, podendo ser menor que a velocidade descendente da polpa, provocando perdas de partículas hidrofóbicas coletadas ao realizar o escoamento do mineralnão flotado. Tamanho das partículas minerais Mesmo não sendo uma variável operacional, o diâmetro de uma partícula age de forma relevante na flotação, interferindo diretamente na liberação e no comportamento cinético e hidrodinâmico das partículas. O processo de flotação em partículas mais grossas reduz a recuperação, pois há uma ineficiência da liberação e um menor tempo de residência das partículas por causa da ação da gravidade no transporte de sólidos na coluna de flotação. Quando as partículas são mais finas, é comum observar um maior grau de liberação e uma tendência do tempo médio de residência estar bem próximo ao da fase líquida. No entanto, o processo de flotação de partículas mais finas tem desvantagens como o maior dispêndio com moagem, o arraste de partículas de ganga, tendo como consequência 14 UNIDADE IV | COLUNA DE FLOTAÇÃO E CIRCUITOS uma perda na seletividade e redução na eficiência de coleta, podendo interferir na recuperação do mineral. Na coluna de flotação, essas desvantagens podem ser mitigadas por meio da redução do arraste de ganga, pela existência de água de lavagem da espuma e a melhora da recuperação de partículas finas, pela elevada eficiência do sistema de aeração. 15 CAPÍTULO 2 CIRCUITO DE FLOTAÇÃO O desempenho de um circuito de flotação de certo minério depende de diversos fatores, entre os quais é possível mencionar: – as condições químicas da polpa (concentrações de reagentes, pH, taxa de aeração etc.); – as condições físicas da célula (agitação, suprimento e distribuição de ar, nível da polpa etc.); – o arranjo ou a distribuição física das células dentro do circuito (tamanho de células em cada banco, como é feita a interconexão entre os bancos etc.) (SILVA, 2016, p.23). Dentre os fatores citados acima, as condições químicas merecem atenção especial, pois, se não forem bem atendidas e controladas, o desempenho do circuito não será adequado. Alguns fatores impedem que a eficiência de separação na flotação seja completa. Entre esses fatores, é possível citar: » os tempos de residência finitos, não possibilitando a remoção completa das partículas hidrofóbicas no interior da polpa; » os reagentes usados não são completamente seletivos para certa superfície mineral; » o arraste de partículas hidrofílicas junto à espuma é provocado pela turbulência necessária para que as partículas permaneçam em suspensão. Dessa forma, nunca será possível remover completamente partículas de ganga do concentrado e vice-versa. A fim de melhorar a eficiência do processo, o concentrado e o rejeito são submetidos a estágios de flotação. As características fundamentais dos minérios exige que o circuito de flotação seja único para cada material, buscando máximos teores e recuperação do mineral útil. Esses circuitos são caracterizados por possuírem fluxos de carga circundante, retornando o rejeito em operações de limpeza cleaner e concentrados em operações de recuperação scavenger. As etapas de recuperação tendem a reaver o máximo possível dos minerais valiosos que permaneceram no rejeito. Enquanto isso, as etapas de limpeza buscam minimizar o teor de minerais contaminantes. 16 UNIDADE IV | COLUNA DE FLOTAÇÃO E CIRCUITOS Luz et al. (2010) explica que a flotação, assim como todo o processo de concentração, não consegue alcançar o teor e a recuperação requeridos em um único estágio. De forma genérica, realiza-se a primeira flotação conhecida como rougher, conseguindo um concentrado pobre e um rejeito que possui teores de minerais valiosos. Então o concentrado é relavado em uma flotação conhecida como cleaner, em que se produz um concentrado final e um rejeito com teor alto. O rejeito rougher também passa por outra flotação denominada como scavenger, alcançando um rejeito pobre (rejeito final) e um concentrado que une todos os minerais valiosos que se encontravam no rejeito rougher. Esse concentrado obtido na etapa scavenger é pobre para ser considerado um produto final. O rejeito cleaner e o concentrado scavenger ainda contêm minerais valiosos e, por esse motivo, retornam à célula rougher. Um resumo desse circuito está representado na figura abaixo. Figura 27. Circuito de Flotação. CLEANER ROUGHER SCAVENGER Rejeito final Rej. Rej. Cleaner Rouger CONCENTRADO ROUGER CONCENTRADO SCAVENGER CONCENTRADO FINAL Alimentação Nova Fonte: Luz et al. (2010). Possivelmente, pode ser preciso utilizar diversos estágios de recleanig, como a fluorita grau ácido que possui teores de contaminantes (SiO2 e CaCO3) aceitáveis muito baixos e necessita de 4 a 6 estágios se cleaning consecutivos. A ocorrência de uma partícula mineral valiosa ao passar para o concentrado da flotação depende do êxito de uma cadeia de acontecimentos que não são dependentes: » a partícula mineral precisa entrar em contato com o coletor; » o coletor precisa adsorver sobre a superfície da partícula mineral; 17 COLUNA DE FLOTAÇÃO E CIRCUITOS | UNIDADE IV » a partícula coletada precisa colidir com a uma quantidade de bolhas de ar considerável para deixá-la leve até conseguir flutuar; » a partícula mineral não deve desprender-se das bolhas ao longo do trajeto ascendente; » a partícula mineral deve se manter na espuma e verter para a calha de concentrado. Na prática, não é possível garantir que somente uma máquina industrial consiga realizar todo o trabalho. Portanto, é preciso usar um banco de células de forma a elevar a probabilidade de que todos esses acontecimentos independentes ocorram com êxito. Dentro do conjunto de células ocorre a circulação da polpa, e isso é realizado por meio da diferença de nível entre as células e a alimentação em um nível elevado em relação a descarga, de forma que os rejeitos escoem nesse sentido. É preciso que exista essa diferença de nível entre a descarga de uma bancada e a alimentação da próxima para que seja possível escoar o rejeito. Enquanto a circulação da espuma é realizada por meio das calhas, as espumas são abrigadas numa calha e seguem para o próximo estágio. Essas calhas possuem jatos de água que realizam o ajuste da diluição da espuma e auxiliam no deslocamento da calha abaixo. No entanto, o que realmente faz com que o movimento aconteça é a depressão próxima ao rotor que suga a espuma para o interior da célula. Figura 28. Vista superior de um banco de célula. Calhas Dosadores de reagentes Tanque de reagentes 1 3 2 1 4 5 Fonte: Adaptado de Luz et al. (2010). 18 UNIDADE IV | COLUNA DE FLOTAÇÃO E CIRCUITOS Os números vistos na figura acima representam cada operação realizada no circuito de flotação e quantas células participam dessa operação: » número 1 – 3 cleaner (2 células); » número 2 – 2 cleaner (2 células); » número 3 – 3 cleaner (2 células); » número 4 – rougher (4 células); » número 5 – scavenger. A figura abaixo mostra um fluxograma com circuito completo de flotação e consta (LUZ et al., 2010, p. 488): (I) adensamento da alimentação, feito em ciclone desaguador; (II) condicionamento com depressor ou ativador; (III) condicionamento com coletor; (IV) flotações rougher, cleaner e scavenger; (V) desaguamento do concentrado em filtro a vácuo; (VI) bombeamento do rejeito para um espessador; (VII) desaguamento do rejeito por espessamento. Figura 29. Circuito completo de flotação. Cl R SC Excesso de água Alimentação nova Torta água água Coletor Depressor Água para recirculação p/ disposição Fonte: Luz et al. (2010). 19 REFERÊNCIAS BROD, Emanuela Reis. Circuito alternativo para flotação de minério de ferro. 2012. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Minas) – Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2012. CHAVES, A. P. Flotação: o estado da arte no Brasil Ed: Signus – Apoio: Clariant. São Paulo SP 2006 (Coleção: Teoria e prática do tratamento de minérios; V4). CHAVES, Fábio Almeida. Seleção de sistemas de transportes industriais para um projeto de mineração em superfície: mineroduto,caminhões fora de estrada e transportadores de correia. 2015. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). Universidade Santa Cecília, Santos, 2015. LUZ, A. B.; Sampaio, J. A.; FRANÇA, S. C. A. Tratamento de minérios. 5. ed. Rio de Janeiro: CETEM/ CNPq, 2010. 932 p. NASCIMENTO, Herynson Nunes. Caracterização tecnológica de materiais estéreis com elevado teor de PPC e P da Mina de Alegria da Samarco Mineração S.A. 2014. 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