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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]


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).


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


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:


(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:


(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.


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.


Figura 3 – Aerador de lanças perfuradas.


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.


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.


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


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


Figura 7 – Dispositivos de contactação da polpa com o ar.

(a) Misturador estático. (b) Tubo Venturi.


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).


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).


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.


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.


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.


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.


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.


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.


Figura 13 – Resultado do experimento de Troian et. al. (2015) - Efeito da dosagem de DF 250 no

diâmetro médio de bolha.


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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