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Capítulo 6:

 Hidrometalurgia. Elección y diseño del equipo

En extracción se utilizan fundamentalmente columnas, extractores centrífugos y mezcladores sedimentadores. Estos últimos son los más utilizados en metalurgia extractiva, pues parece que son los más adecuados para el trabajo con líquidos algo turbios, requieren menos coste de capital, son fáciles de manejar, tienen gran capacidad sin riesgos de inundación, se pueden observar, controlar y desmuestrar fácilmente todos los flujos sin dificultades ni control especial y el paso de escala es sencillo. Tienen el inconveniente de que necesitan más espacio que las columnas, sobre todo en sistemas con muchas etapas teóricas.

Como para conseguir la extracción completa de un soluto en una sola etapa, es preciso emplear gran cantidad de disolvente, a la hora de realizar esta operación a nivel industrial se hace necesario el empleo de varias etapas que trabajen de forma continua.

La extracción con disolvente en varias etapas la podemos realizar empleado los flujos en contracorriente o en con-corriente, aunque es la primera de ellas la que generalmente se suele emplear.

Los diferentes tipos de equipos existentes para la aplicación de estas técnicas en la industria se congregan en dos grandes grupos:

-        Contactores diferenciales, donde se incluyen las columnas de extracción de contacto continuo.

-        Contactores por etapas, formadas por los mezcladores-sedimentadores.

Aunque de menor importancia, entre los contactores diferenciales se encuentran los extractores centrífugos, que se utilizan en casos en que los tiempos de contacto son muy cortos.

Los del primer grupo se caracterizan por ser más compactos y de menor volumen que los del segundo grupo, ocupan menos espacio horizontal, y retener menor volumen de líquidos. Generalmente se suelen utilizar cuando se necesitan muchos pisos o etapas teóricas. En las columnas de extracción (figura 21) el movimiento de las fases tiene lugar por diferencia de densidades, por lo que el modo de realizar la operación es introduciendo la fase ligera por la parte inferior y la fase pesada por la parte superior de la columna, produciéndose un flujo en contracorriente de las dos fases a través de la columna de extracción, ya que, mientras que la fase ligera tiende a ascender, la fase pesada desciende, dando lugar a un contacto continuo entre estas.

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Fig. 21.- Columna de extracción

Con el fin de facilitar la separación de fases tras el contacto, las columnas poseen unas extensiones en las zonas superior e inferior. La zona de la interfase podrá situarse en la parte superior o en la inferior de la columna, según los casos.

 Como ya decíamos, el contacto de las fases es continuo, teniendo lugar el fenómeno de transferencia de materia a lo largo de toda la columna, debido a un gradiente continuo de diferencia de concentraciones, siendo la altura de columna el parámetro a considerar a la hora de diseñarla.

En definitiva, una vez fijado el problema a estudio, definido el flujo o caudal de los componentes, la relación de caudales entre las fases, y elegido el tipo de columna a utilizar, se debe dimensionar ésta.

Para dimensionar una columna de extracción se han de tener en cuenta:

-        Altura de la columna.

-        Diámetro de la columna.

La altura vendrá definida por el número de contactos necesarios para producir una determinada extracción, purificación, o separación de especies, lo cual, viene definido por el número de pisos teóricos o de unidades de transferencia, y la altura equivalente a un piso teórico o HETP, o la altura de una unidad de transferencia o HTU, según el esquema de cálculo que se adopte.

En cuanto al diámetro, vendrá definido por el caudal de las fases, previamente fijado por las necesidades del proyecto y por características propias del sistema y tipo de columna empleado.

Desde el punto de vista de la operación, lo ideal es que los fluidos se muevan a lo largo de la columna según un esquema de flujos de émbolo, o dicho de otra manera, con un frente plano en toda la sección de la columna.

Sin embargo, en la práctica esto no sucede así y se presentan dificultades en la operación, tales como el llamado fenómeno de “mezcla axial”, que ocurre cuando unas partes de fluido van más deprisa o más despacio que el resto de la masa, e inclusive moverse en sentido contrario a la dirección del flujo del líquido. En este fenómeno se podrían incluir los arrastres de una fase por otra. También se pueden presentar los llamados “efectos de pared” y variaciones en la distribuciones del tamaño de gota. Esto hace que para este tipo de equipos se deba tener especial cuidado a la hora de diseñarlos, teniendo en consideración estas variables, ya que, provocan variaciones entre los resultados de laboratorio y los de planta industrial. Además existen factores de operación adicionales que dificultan aún más su aplicación industrial, como son la presencia de impurezas en la alimentación, aparición de insolubles en la interfase, y composición y caudal de alimentación variables.

Pese a que los fenómenos mencionados anteriormente también se presentan en los equipos del segundo grupo (contactores por etapas), estos son más asimilables, como lo demuestra el caso de la fácil eliminación de insolubles en las fases, lo que hace que estos equipos presenten una ventaja sobre los demás, que consiste en que los resultados obtenidos en laboratorio y planta piloto suelen ser muy parecidos a los de planta industrial, lo que facilita los cálculos para su diseño. Esto hace que los mezcladores-sedimentadores (figura 22) sean actualmente el equipo que presenta mejores garantías de funcionamiento dentro de una planta industrial de extracción con disolventes.

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Fig. 22.- Mezclador-sedimentador

En este tipo de equipos la operación se realiza por etapas discontinuas en las que las fases se mezclan y separan en unidades independientes.

Los mezcladores consisten generalmente en tanques con dispositivos apropiados de agitación, debiendo producir suficiente superficie de contacto durante un tiempo adecuado para que se produzca la transferencia de materia. Dicha superficie se consigue por medio de la dispersión de una fase en la otra, dependiendo, por tanto, del número de gotas formadas por unidad de volumen de fase continua y del tamaño de dichas gotas, y requiere la aplicación de trabajo mecánico por medio de la agitación.

La separación de fases se efectúa por sedimentación en equipos denominados sedimentadores, debiendo tener un tamaño adecuado para que el tiempo de residencia en ellos de la masa sea el mínimo necesario para que las fases se separen. Debe procurarse que tengan una sección recta adecuada, al objeto de evitar turbulencias que impidan u obstaculicen la separación.

Hay varios tipos de mezcladores sedimentadores, siendo lo más corrientes los internos (tipo Winchester) y los externos en que las cámaras de mezcla y sedimentación están separadas. El diseño de los mezcladores sedimentadores externos ha sufrido una amplia evolución, desde los primeros en que todos los flujos (orgánica y acuosa) entre etapas, o en cada etapa (reciclado de orgánica) se hacían con bombas, a los últimos tipos en que todos los flujos se manejan con el mismo agitador, estando todos los pisos al mismo nivel; un tipo intermedio tenía las distintas etapas a diferente nivel y una de las fases fluía por gravedad mientras que la otra se manejaba con bomba.

Los puntos clave del diseño del equipo de extracción se refieren al sistema de agitación del mezclador y al dimensionado del sedimentador. En el mezclador se tiene que lograr una dispersión conveniente de las dos fases orgánica y acuosa, para tener una buena transferencia de materia, sin embargo no interesa pasarse con el fin de evitar los problemas de separación de fases. En función del sistema de agitación se determina la potencia a instalar; para uranio y vanadio se ha visto que el paso de escala se puede realizar manteniendo la potencia por unidad de volumen, medida en recipientes pequeños (100 l.) que dé mezclas semejantes y que tengan semejanza geométrica con el equipo que se vaya a emplear industrialmente, sin embargo esto no es general y para un sistema desconocido hay que estudiar el paso de escala.

En el dimensionado del sedimentador las magnitudes a definir son: el área unitaria y el tiempo de residencia. El área unitaria se puede determinar en el laboratorio por el ensayo hidrometalúrgico dinámico realizado considerando diferentes escalas, tomando el valor del flujo máximo para anchuras de interfases de 10-15 cm. Para el uranio y vanadio los valores corrientes son de 1 galón/min. pie cuadrado en otros sistemas pueden ser muy diferentes.

La profundidad del sedimentador depende de consideraciones de hidráulica y de inventarios de fases. Debe ser suficiente  para que en los cambios de nivel de la interfase no pase una de las fases en las conducciones de la otra. También se tiende a tener poca profundidad de fase orgánica y reducir la inversión debida a la misma, en sistemas en que el metal en cuestión es caro se tiende por el contrario a tener poca fase acuosa y reducir el inventario debido al retenido de metal. Las alturas que se encuentran en aplicaciones hidrometalúrgicas están comprendidas entre 10 y 60 cm. para orgánica y entre 60 cm. y 2 m. para acuosa.

En las necesidades de área y volumen del sedimentador influyen mucho la temperatura, naturaleza de las fases líquidas, intensidad de mezcla y dispersión, y sobre todo la continuidad de esta. Las dispersiones de líquido acuoso en un medio orgánico continuo son las más fácilmente separables; para lograr esta continuidad se recicla a veces orgánica del sedimentador al mezclador del propio piso.

En casos en los que los tiempos de contacto son muy cortos, se utilizan los menos conocidos “extractores centrífugos” (figura 23), pertenecientes al grupo de los contactores diferenciales. Este tipo de equipos son muy poco utilizados, y su uso se reduce a la industria farmacéutica para la producción de antibióticos, en el que el producto se puede descomponer y es preciso realizar una operación rápida. Otro caso lo tenemos en la extracción del Uranio en las soluciones de ácido fosfórico procedentes de la descomposición de los fosfatos minerales con ácido sulfúrico para la producción de fertilizantes. La causa por la que se recurrió a estos equipos se debía al uso del ácido octilpirofosfórico (OPPA) con un gran poder de extracción para el Uranio en muy pequeñas concentraciones, pero con el inconveniente de que se descomponía en presencia de ácidos, por lo que los tiempos de contacto debían ser muy cortos.

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Figura 23.- Extractor centrífugo

El diseño de estos aparatos es muy especializado y no existe mucha información publicada sobre ellos, siendo, además, de un precio muy elevado.

En la tabla 3, podemos ver diferentes tipos de equipos utilizados industrialmente en la extracción con disolventes.

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Dada la gran amplitud de material disponible, se hace difícil poder realizar una elección clara del equipo sin realizar previamente una evaluación comparativa entre sus características y las deseables en la operación a realizar. Se deben tener en cuenta una serie de factores, de entre los cuales podemos destacar:

-        Número de etapas.

-        Capacidad de flujo.

-        Tiempo de residencia.

-        Relación de flujo de fases.

-        Propiedades físicas.

-        Sentido de la transferencia de materia.

-        Dispersión de las fases y volumen de retención.

-        Cinética de extracción.

-        Presencia de sólidos.

Como conclusión, se debe conocer la eficiencia de los equipos para poder evaluarlos, dimensionarlos y fijar sus condiciones de operación. Existe un índice de efectividad definido por la relación de caudal de flujo máximo y el volumen de una etapa teórica. En el caso de columnas, la relación usada es entre el caudal de inundación y la altura de una unidad de transferencia (HTU), que representa la eficiencia de transferencia por unidad de contactor. De esta forma, se pueden comparar los diferentes contactores. Cuando mayor es este índice, mejor es su funcionamiento, siempre y cuando, para realizar la comparación, se utilicen los mismos sistemas de extracción.

Además de los criterios técnicos descritos, han de tenerse en consideración los factores económicos, que son los que en última instancia van a decidir el problema.

Como resumen de lo dicho, podemos emplear en el estudio primario del problema de la selección del equipo, el siguiente diagrama de la figura 24.

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