Sistemas de Aeradores Utilizados em Colunas de Flotação Aerator Systems Used in Flotation Columns

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1 Sistemas de Aeradores Utilizados em Colunas de Flotação Aerator Systems Used in Flotation Columns Adailton de Fátima Almeida 1 Guilherme Cota Bueno 2 Ludmilla Mithelle De Souza 3 Prof. Idalmo Montenegro de Oliveira 4 RESUMO A flotação utilizada na mineração tem a finalidade de separar partículas minerais que apresentam distintos graus de hidrofobicidade. Para isso, utilizam-se normalmente células mecânicas ou a coluna de flotação como meio para separação. Esse artigo irá revisar o funcionamento e variáveis da coluna de flotação e como os tipos de aeradores e tensoativos empregados nos equipamentos afetam as bolhas geradas. Palavras chave: Flotação; sistemas de aeração; colunas; vazão de ar. ABSTRACT The flotation used in the mining has the purpose of separating mineral particles that have different degrees of hydrophobicity. For this, mechanical cells or the flotation column are usually used as a separation form. This article will review the operation and variables of the flotation column and how the types of aerators and surfactants used in the equipment affect the bubbles generated. Keywords: Flotation; Aeration systems; Columns; air flow. 1 Autor, graduando em Engenharia de Minas pela Faculdade Kennedy; dailton.f49@gmail.com 2 Autor, graduando em Engenharia de Minas pela Faculdade Kennedy; guilherme@infinix.com.br 3 Autor, graduando em Engenharia de Minas pela Faculdade Kennedy; ludmithelle@hotmail.com 4 Professor orientador, docente da Faculdade Kennedy, Doutor em Engenharia Metalúrgica e de Minas. idalmo.oliveira@uol.com.br

2 INTRODUÇÃO A flotação consiste na separação de partículas minerais através da introdução de bolhas de ar a uma polpa mineral. Para isso, utiliza como propriedade diferenciadora o grau de hidrofobicidade dos minerais presentes na polpa. Os minerais hidrofóbicos, ou seja, que possuem afinidade pelo ar, aderem-se as bolhas de ar, formando uma espuma que pode ser retirada por transbordo, já os minerais hidrofílicos, que possuem afinidade com a água, mantêm-se na suspensão mineral. A figura 1 mostra os principais equipamentos de flotação utilizados na mineração: Figura 1 Célula Mecânica e Coluna de Flotação (a) Célula Mecânica (b) Coluna de Flotação (a) (b) Fonte: Aquino et. al (Adaptado) Os dois equipamentos diferem em quatro características principais: forma, turbulência, geração de bolhas e água de lavagem (PENNA et. al., 2003).

3 A coluna de flotação apresenta uma altura muito superior ao seu diâmetro, ao contrário da célula mecânica, que apresenta largura e altura com dimensões próximas. Isso aumenta o tempo de residência do minério dentro da coluna e assim a chance de recuperação do material hidrofóbico. Além disso, a célula mecânica utiliza agitação mecânica para manter a polpa em suspensão e promover contato entre partículas-bolhas, a coluna usa um sistema de contra corrente, em que partículas minerais são alimentadas na parte superior da coluna e as bolhas são geradas na parte inferior. A ausência de agitação mecânica traz como principal vantagem a não coalescência das bolhas e um agregado partícula-bolha estável. Outra diferença é o sistema de geração de bolhas. Na coluna podem existir diversos tipos de aeradores capazes de gerar bolhas de tamanhos variados, que se adequam melhor a cada tipo de minério. Já na célula mecânica o tamanho de bolhas é fixo. Por fim, a coluna de flotação apresenta água de lavagem na parte superior da coluna. Esse dispositivo atua principalmente na limpeza das partículas minerais que são flotadas, retirando os minerais que foram mal coletados ou flotaram por arraste. Esse dispositivo não existe na célula mecânica de flotação. Esse trabalho irá abordar a coluna de flotação, revisando as principais variáveis que influenciam no seu funcionamento, assim como os principais tipos de aeradores utilizados na coluna de flotação. METODOLOGIA Foram avaliados diversos trabalhos publicados referentes a fluido dinâmica dos sistemas de flotação, objetivando apresentar o estado de arte da aplicação desses sistemas de aeradores no âmbito industrial. COLUNA DE FLOTAÇÃO Desde a sua concepção na década de 60, a introdução da coluna de flotação na concentração de diversos minerais tem registrado um grande avanço no setor mineral. O que a difere de outros equipamentos utilizados na flotação, como a célula mecânica e célula pneumática, são os diferentes sistemas de aeração. Um dos principais avanços na utilização das

4 colunas de flotação é a possibilidade de controlar o tamanho das bolhas, por meio do ajuste das condições operacionais do sistema de aeração e da adição de agentes tensoativos (AQUINO; OLIVEIRA; FERNADES, 2004). Segundo Chaves (2013), fica patente a relação direta entre a eficiência dos equipamentos de flotação e os seus sistemas de geração de bolhas, os quais são partes fundamentais de sua forma construtiva e operacional. Os geradores de bolhas existentes no mercado podem ser mecanismos complexos, com várias partes integrantes ou simples peças estáticas que, por meio de fluxos de misturas de água, ar ou polpa-ar, são capazes de gerar microbolhas responsáveis pelo processo de flotação. Para Luz et. al. (2010), um gerador de bolhas eficiente é aquele capaz de gerar bolhas de 0,5mm a 2,0mm de diâmetro, com velocidade superficial de ar (relação entre a vazão de fluxo de ar na coluna e a área da seção transversal da coluna) entre 1,0 cm/s e 3 cm/s e hold up (percentual de ar presente dentro da coluna em relação ao volume total) de 15 a 20%. Além disso, deve ter manutenção mecânica e operação fácil e ser produzido com materiais resistentes ao desgaste. 1: Os valores da vazão de ar são transformados em velocidade superficial, conforme equação (1) Onde: Jf: Velocidade superficial Qf: Vazão de ar Ac: Seção transversal da coluna O drift flux, desenvolvido por Dobby et. al. (1986), é um modelo matemático empírico que tem por objetivo estimar o diâmetro médio das bolhas de ar em colunas de flotação, baseado essencialmente nos valores do hold up do ar e nas diversas velocidades das fases presentes na coluna. O diâmetro das bolhas é estimado a partir das seguintes equações:

5 (2) (3) para 1 < R eb < 200 (4) para 200 < R eb < 500 (5) (6) Onde: db = Diâmetro médio da bolha; d c = Diâmetro da coluna; Uπ = Velocidade terminal de ascensão das bolhas de ar; µ sl = Viscosidade da polpa; ρ sl = Densidade da polpa; g = Aceleração da gravidade; Re p = Número de Reynolds das partículas; Re b = Número de Reynolds das bolhas; Ԑg = Diferença de densidade entre as fases polpa e ar; J g = Velocidade superficial do ar; J l = Velocidade superficial do líquido. O hold up do ar, definido como a percentagem do volume da coluna ocupado pelo ar, é determinado na seção de recuperação e constitui um parâmetro que depende da vazão de ar, do tamanho das bolhas, da densidade de polpa, do carregamento de sólidos nas bolhas e da velocidade descendente de polpa. Através de sua medida é possível obter o diâmetro de bolha através de modelos matemáticos (Finch & Dobby, 1990). O hold up do ar é calculado conforme a equação 7:

6 (7) Onde: Ԑg= Hold up do ar ΔP = Diferença de pressão entre dois pontos da zona de recuperação (kpa); ρ sl = Densidade da polpa entre esses pontos (g/cm 3 ); L = Distância entre os pontos das medidas de pressão (m); g = Aceleração da gravidade (m/s 2 ). No scale up de colunas industriais, é importante preservar as mesmas condições operacionais de velocidade superficial do ar e diâmetro de bolha utilizada nos testes piloto. SISTEMAS DE AERAÇÃO De acordo com Luz et. al. (2010), em uma coluna, este dispositivo é um componente fundamental para sua operação. Os tipos de aeradores podem ser classificados em internos e externos. Os aeradores internos são equipamentos internos às colunas de flotação, podem ser rígidos e flexíveis, e foram os primeiros e os mais simples a serem utilizados nas colunas de flotação. Os aeradores rígidos, apresentados na Figura 2, são construídos de materiais tais como: cerâmica, aço sinterizado e polipropileno microporoso. Os aeradores flexíveis são construídos de borracha perfurada e tela de filtro. Esses aeradores têm como principal desvantagem o entupimento e a impossibilidade de manutenção quando em operação. Em função disso, a sua utilização está atualmente restrita às colunas piloto. A seguir serão apresentados os tipos de sistema de aeração utilizados em colunas de flotação.

7 Figura 2 Aerador rígido microporoso. Fonte: Manuais de divulgação, 2001 Luz et. al. (2010), afirma que os primeiros aeradores externos, apresentados na Figura 3, utilizados nas colunas industriais, consistiam basicamente de lanças perfuradas com orifícios de 0,9 mm, revestidos com materiais resistentes ao desgaste, tais como cerâmica ou carbeto de tungstênio. O princípio de funcionamento desses aeradores baseia-se na passagem do fluxo de água e ar sob pressão a uma velocidade supersônica pelos orifícios da lança. A entrada da mistura na coluna acarreta um alívio de pressão que propicia a formação de bolhas no tamanho adequado. Esses aeradores apresentam, como principais vantagens, à possibilidade de remoção, inspeção e substituição dos injetores com a coluna em operação e a geração de bolhas menores e mais uniformes. Embora esses aeradores representem um positivo avanço tecnológico, são de difícil operação e apresentam frequentes entupimentos devido à obstrução dos furos das lanças pelas impurezas contidas na água. Em função disso, os aeradores que utilizam mistura ar-água sob pressão vêm sendo substituídos por aeradores que utilizam somente ar.

8 Figura 3 Aerador de lanças perfuradas. Fonte: Manuais de divulgação, 2001 Para Luz et. al. (2010), os aeradores que utilizam somente ar, tipo SlamJet, apresentados na Figura 4, consistem basicamente de um tubo simples com um orifício na extremidade, revestido de cerâmica para proteção contra desgaste. O princípio de funcionamento é similar ao anterior, no qual as bolhas são formadas através da passagem de ar pelo orifício a uma velocidade supersônica. Cada aerador é composto de um mecanismo automático de proteção que bloqueia a entrada de polpa na falta do fluxo de ar. Esse tipo de aerador, além de apresentar as vantagens dos aeradores que utilizam a mistura ar-água, é de fácil operação e possuem menor probabilidade de entupimento. Entretanto, geram bolhas de diâmetro superior às obtidas com os de lanças perfuradas. Como alternativa para reduzir o tamanho das bolhas, pode ser adicionada água para competir com o ar na passagem pelo orifício da lança e agentes tensoativos.

9 Figura 4 Sistema SlamJet SLAMJET Sistema SlamJet Coluna Distribuidor de Gas Fonte: Manual de operação CPT Segundo Luz 2010, mais recentemente no ano de 2005, novos sistemas de geração de bolhas foram introduzidos nas colunas industriais. Esses sistemas consistem em dispositivos capazes de contactar a polpa com o ar em condições de elevado cisalhamento ou cavitação. Para isso, parte da polpa da fração não-flotada é succionada da base da coluna por meio de uma bomba centrífuga e alimentada em misturadores estáticos ou tubos Venturi (cavitation tube). A elevada condição de turbulência gera microbolhas e aumenta o contato efetivo partícula-bolha. Em seguida, a polpa aerada é injetada na coluna (ALM), acima do ponto de sucção (PS), conforme figura 5.

10 Figura 5 Montagem tipica de um sistema de recirculação Fonte: Catálogos ERIEZ (2010) (Modificado) Estes sistemas de aeração têm desempenhado um papel importante na recuperação de partículas finas e ultrafinas de diversos minerais, tais como nióbio, fosfato, ferro. As vantagens destes tipos de sistemas de aeração estão relacionadas a maiores probabilidades de coleta melhorando as taxas de colisão de partícula-bolha, maiores produções de concentrados, menores custos de reagentes dentre outras. A figura 6 mostra uma montagem detalhada de aeração externa na recuperação de partículas finas e ultrafinas, são sistemas de fácil operação, pois as válvulas antes dos aeradores possibilitam a remoção para possíveis manutenções, sem precisar parar o processo. Parte da polpa não flotada é reciclada, retornando para coluna através de uma bomba centrífuga (BC) acoplada a base da coluna, seguindo para um anel de distribuição de polpa (DP) passando pelos vários misturadores estáticos ou tubos Venturi (MV). Através de um anel de distribuição (AD), o ar

11 comprimido também é injetado nestes aeradores obtendo a mistura ar/polpa, onde forças cisalhantes agem dispersando as bolhas melhorando o contato partícula-bolha. A mistura partícula-bolha obtida é introduzida próxima à base da coluna (RE), e as bolhas sobem através da zona de coleta da coluna, possibilitando a recuperação de partículas hidrofóbicas. Figura 6 Esquema de Aeração Externa em uma coluna industrial AD DP MV RE BC Fonte: Catálogo Eriez (Modificado) Os misturadores estáticos conforme figura 7 (a) são tubos recheados com placas metálicas instaladas a 45º em relação ao eixo, enquanto os ventures conforme figura 7 (b) consistem de tubos com uma redução de diâmetro na região central, sendo responsáveis pela contactação da polpa com o ar. A utilização desses aeradores tem permitido a obtenção de níveis mais elevados de recuperação do mineral de interesse na fração flotada e uma redução no consumo de ar e de reagentes coletores. Os tubos de cavitação usados industrialmente em aeradores externos são fabricados de uma variedade de materiais, incluindo carbeto de tungstênio, poliuretano, cerâmica e aço, fornecendo durabilidade e eficiência.

12 Figura 7 Dispositivos de contactação da polpa com o ar. (a) Misturador estático. (b) Tubo Venturi. Fonte: Manuais de divulgação, 2001 De acordo com o artigo de Troian et. al. (2015), onde foram realizados estudos de avaliação online da distribuição de tamanho de bolhas geradas por um sparger tipo tubo poroso e um micro-venturi, acoplados em uma coluna de flotação minipiloto automatizada, os efeitos da dosagem de espumante DF250 (éter metílico de polipropilenoglicol) e da vazão de ar no tamanho de bolha e no holdup, influenciaram fortemente o diâmetro médio de bolha para ambos os spargers; Entretanto o micro-venturi foi mais eficiente do que o tubo poroso, por dispersar o ar mais finamente e com menores dosagens de espumante. O sistema experimental utilizado por Troian et. al. (2015) para determinação do tamanho de bolha, foi o mesmo descrito nos trabalhos de Oliveira et. al. (2011) e Pompeo et. al. (2013).

13 Figura 8 Esquema do experimento de Troian et. al. (2015) Fonte: Troian et. al. (2015) (A) Montagem experimental para determinação do tamanho de bolha (B) Câmara de geração de bolhas com sparger tipo tubo poroso (C) Câmara de geração de bolhas com sparger tipo microventuri De acordo com Troian et. al. (2015) o tamanho de bolha foi determinado online e de modo dinâmico, ou seja, durante o ensaio a dosagem de tensoativo foi modificada para valores pré-determinados (escalonado) e monitorou-se o tamanho de bolha produzido. Para Troian et. al. (2015) as medidas de tamanho de bolha, no experimento, apresentaram um comportamento similar tanto para o tubo poroso quanto para o micro-venturi. Os incrementos na dosagem de espumante de 0 a 154,8 mg/l resultaram numa redução gradual no diâmetro de bolha, com patamares definidos, desde 3,45 mm até 1,25 mm. O aumento da vazão de ar não teve reflexo no tamanho de bolha não teve reflexo no tamanho de bolha; entretanto, observou-se um aumento no hold up (Figura 10).

14 Figura 9 Resultado do experimento de Troian et. al. (2015) - Variação do tamanho de bolha para diferentes dosagens de DF250 com sparger do tipo tubo poroso. Fonte: Troian et. al. (2015) Figura 10 Resultado do experimento de Troian et. al. (2015) - Variação do hold up para diferentes dosagens de DF250 com sparger do tipo tubo poroso. Fonte: Troian et. al. (2015) A Figura 11, resultado do experimento de Troian et. al. (2015), apresenta o histórico do tamanho de bolha para diferentes dosagens do espumante DF250 para o micro-venturi. O microventuri, no experimento, apresentou bolhas desde 2,72 mm até 0,45mm para dosagens de espumante de 0 até 44,2 mg/l. Como observado no tubo poroso, o aumento da vazão de ar não teve reflexo no tamanho de bolha, apenas no aumento do hold up, conforme ilustrado na figura 12.

15 Figura 11 Resultado do experimento de Troian et. al. (2015) - Variação do tamanho de bolha para diferentes dosagens de DF250 com sparger do tipo micro-venturi. Fonte: Troian et. al. (2015) Figura 12 Resultado do experimento de Troian et. al. (2015) - Variação do hold up para diferentes dosagens de DF250 com sparger do tipo micro-venturi. Fonte: Troian et. al. (2015) Troian et. al. (2015) concluiu que o diâmetro médio de bolha foi fortemente influenciado pela dosagem de espumante para ambos os spargers; entretanto o micro-venturi foi mais eficiente do que o tubo poroso, pois dispersa o ar mais finamente e com menores dosagens de espumante. As medidas de hold up indicaram que devem ser mantidas concentrações de espumante superiores à concentração crítica de coalescência (CCC) para reduzir a coalescência das bolhas após a sua geração.

16 Figura 13 Resultado do experimento de Troian et. al. (2015) - Efeito da dosagem de DF 250 no diâmetro médio de bolha. Fonte: Troian et. al. (2015) RESULTADOS, DISCUSSÕES E CONCLUSÕES Conclui-se que a eficiência dos equipamentos de flotação está diretamente relacionada aos sistemas de aeração, sendo um dos seus principais componentes e desempenhando um papel fundamental no processo de flotação. Atualmente os aeradores mais empregados na indústria são os internos, tipos lança, e os do tipo externo, composto de sistema de recirculação de parte da polpa não flotada, utilizando misturadores estáticos ou tubos de cavitação dinâmica. Em visitas realizadas recentemente, em duas unidades de concentração industrial de nióbio e fosfato, verificou-se que os sistemas de aeração externa, mais conhecidos como retrofit, têm desempenhado um papel importante na recuperação de partículas finas e ultrafinas, pois possuem maior probabilidade de coleta melhorando as taxas de colisão de partícula-bolha.

17 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AQUINO, J. A; OLIVEIRA, M.L; FERNANDES, TRATAMENTO DE MINÉRIOS, 4ª Edição revisada, CETEM-MCT, RJ, capítulo Flotação em coluna, ARAÚJO, CAMILA et al. Belo Horizonte MG. Fev MANUAL PARA APRESENTAÇÃO DE TRABALHOS ACADÊMICOS. Disponível em: ademicos_soebras_fev_2013_mireille-andamento.pdf Acesso em 20 de Outubro de DOBBY, G. S., et al. ESTIMATION OF BUBLE DIAMETER IN FLOTATION COLUMNS FROM DRIFT FLUX ANALYSIS. Canadian metallurgical quarterly, Canadian Institute of Mining and Metallurgy, Pergamon Press, v. 27, nº. 2, 1990, p Eriez Minerals Group Flotação Brasil Ltda. FOLDER DE DIVULGAÇÃO. Belo Horizonte: ERIEZ, Disponível em Acesso em 19 de Maio de FINCH, J. A., DOBBY, G. S., COLUMN FLOTATION. 1. ed. Ontario: Pergamon Press, p. LUZ, Adão Benvindo da; SAMPAIO, João Alves; FRANÇA, Silvia Cristina Alves. TRATAMENTO DE MINÉRIOS. 5. ed. Rio de Janeiro: CETEM/MCT, p. Disponível em: dao,%20sampaio%20e%20silvia.pdf Acesso em 23 de Maio de MASSI, LUCIANA. Setembro de FUNDAMENTOS E APLICAÇÃO DA FLOTAÇÃO COMO TÉCNICA DE SEPARAÇÃO DE MISTURAS. Disponível em: Acesso em 20 de setembro de NATURALTEC Tratamento De Água. FLOTAÇÃO E FLOTADORES. Disponível em: Acesso em 26 de Setembro de PENNA, Ronaldo. ESTUDO COMPARATIVO ENTRE DOIS SISTEMAS DE AERAÇÃO DE COLUNA DE FLOTAÇÃO. Revista escola de minas, Vol. 56, no. 3. Ouro Preto, Janeiro de Pag Disponível em: Acesso em 23 de Maio de RUBIM, CRISTIANE. Abril Revista TAE. O TRABALHO DA FLOTAÇÃO E AERAÇÃO. Disponível em: Acesso em 19 de Setembro de 2016.

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