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Revista Pensar Engenharia, v.6, n.1, Jan. 2018
Sistemas de Aeradores Utilizados em Colunas de Flotação
Aerator Systems Used in Flotation Columns
Adailton de Fátima Almeida1
Guilherme Cota Bueno2
Ludmilla Mithelle De Souza3
Prof. Idalmo Montenegro de Oliveira4
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; [email protected] 2 Autor, graduando em Engenharia de Minas pela Faculdade Kennedy; [email protected] 3 Autor, graduando em Engenharia de Minas pela Faculdade Kennedy; [email protected] 4 Professor orientador, docente da Faculdade Kennedy, Doutor em Engenharia Metalúrgica e de Minas. [email protected]
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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. 2004 (Adaptado)
Os dois equipamentos diferem em quatro características principais: forma, turbulência,
geração de bolhas e água de lavagem (PENNA et. al., 2003).
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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
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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.
Os valores da vazão de ar são transformados em velocidade superficial, conforme equação
1:
(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:
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(2)
(3)
para 1 < Reb < 200 (4)
para 200 < Reb < 500 (5)
(6)
Onde:
db = Diâmetro médio da bolha;
dc = Diâmetro da coluna;
Uπ = Velocidade terminal de ascensão das bolhas de ar;
µsl = Viscosidade da polpa;
ρsl = Densidade da polpa;
g = Aceleração da gravidade;
Rep = Número de Reynolds das partículas;
Reb = Número de Reynolds das bolhas;
Ԑg = Diferença de densidade entre as fases polpa e ar;
Jg = Velocidade superficial do ar;
Jl = 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:
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(7)
Onde:
Ԑg= Hold up do ar
ΔP = Diferença de pressão entre dois pontos da zona de recuperação (kPa);
ρsl = Densidade da polpa entre esses pontos (g/cm3);
L = Distância entre os pontos das medidas de pressão (m);
g = Aceleração da gravidade (m/s2).
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.
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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.
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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.
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Figura 4 – Sistema SlamJet
SLAMJET
Coluna
Distribuidorde Gas
SistemaSlamJet®
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.
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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
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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
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.
BBCC
DP MV
AD
RE
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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).
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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 micro-
venturi
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).
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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 micro-
venturi, 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.
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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.
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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.
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