CAMPO TÉCNICO

La presente invención describe una emulsión explosiva, el método de fabricación de la misma, y sus usos en la industria minera, obras civiles, y/o explosiones submarinas.

ANTECEDENTES

En la industria minera se requiere la explosión controlada con el fin de fracturar o fragmentar roca o suelos duros. Las explosiones pueden ser a cielo abierto, en galerías, túneles, o debajo del agua.

Entre las sustancias explosivas más comúnmente utilizadas se encuentran las emulsiones explosivas, que son una mezcla de agua con algún aceite combustible, en las cuales la fase acuosa está compuesta por sales inorgánicas oxidantes disueltas en agua y la fase aceitosa por un combustible líquido inmiscible con el agua del tipo hidrocarbonado. Estas emulsiones explosivas utilizan surfactantes.

Los surfactantes utilizados pueden tener distintos usos. A continuación, se muestra una tabla con usos en general de surfactantes en función de su valor HLB (equilibrio hidrófilo-lipofílico):

Actualmente en la industria se utiliza Emulsión + ANFO (Nitrato de amonio (AN) + algún Combustible derivado del petróleo (FO)).

El documento WO 2012019245, describe un método para producir una emulsión intermedia que comprende una solución oxidante, combustible y emulsionante, que comprende los pasos de (a) mezclar en un micromezclador una solución oxidante con una mezcla de combustible que comprende un combustible y un emulsionante para solubilizar una porción de la solución oxidante en la mezcla de combustible para producir un producto precursor; (b) mezclar el producto precursor obtenido en la etapa (a) usando un micromezclador en una o más etapas sucesivas para formar la emulsión intermedia.

Sin embargo este documento utiliza un micromezclador estático, y la concentración de oxidante:combustible es del orden de 93:7. Esta concentración impide que se pueda usar un ultracizallador ya que la emulsión quedaría con muy alta viscosidad. Además, describe un tamaño de partículas de entre 5,3 y 32 pm, con 5,3 pm como el menor tamaño descrito, (tabla 7). Por lo que no afecta a la presente solicitud, ya que se encuentra en un rango de variables distinto a la emulsión aquí descrita.

El documento WO2012019245A1 , describe (reivindicación 1 ) un proceso para producir una emulsión intermedia que comprende una solución oxidante, combustible y emulsionante, que comprende las etapas de: (a) mezclar en un micromezclador una solución oxidante con una mezcla de combustible que comprende un combustible y un emulsionante para solubilizar una porción de la solución oxidante en la mezcla de combustible para producir un producto precursor; (b) mezclar el producto precursor obtenido en la etapa (a) usando un micromezclador en una o más etapas sucesivas para formar la emulsión intermedia. La emulsión intermedia tiene una viscosidad de al menos 6.000 cP (reivindicación 7), con un tamaño menor a 40 pm (reivindicación 8). Sin embargo, WO2012019245A1 no describe que la viscosidad sea de al menos 4.000 cP, y que se utilice un ultracizallador, como sí lo hace la presente solicitud.

El documento W02007086950A2, describe (reivindicación 1 ) un método para fabricar y suministrar un explosivo en emulsión que tiene una fase de solución oxidante discontinua, una fase de combustible continua y un emulsionante, comprendiendo dicho método: proporcionar un sistema de fabricación de emulsión; transportar una fase de solución oxidante a dicho sistema de fabricación de emulsión a una presión predeterminada; transportar un combustible a dicho sistema de fabricación de emulsión a una presión predeterminada; formar un explosivo en emulsión a partir de dicha fase de solución oxidante, dicho combustible y un emulsionante utilizando sólo una parte de dichas presiones predeterminadas para proporcionar una presión residual utilizable después de la formación de dicho explosivo en emulsión; y utilizar dicha presión residual para suministrar de forma no mecánica dicha emulsión explosiva a una ubicación predeterminada; Menciona viscosidad de al menos 6.500 cP (Ejemplo 1 , y 2). Sin embargo, W02007086950A2 no describe que la viscosidad sea de al menos 4.000 cP; y que se utilice un ultracizallador, como sí lo hace la presente solicitud.

El documento WO2015043140A1 , describe (reivindicación 1 ) un método para fabricar una emulsión para un explosivo en emulsión, que comprende las etapas de: 1) ingresar todas las fases oleosas en un mezclador de lechada gruesa; 2) controlar la fase acuosa en múltiples etapas del mezclador de lechada gruesa mediante múltiples etapas de división; 3) conectar la última etapa del mezclador de lechada gruesa al mezclador de concentrado; 4) Mezclar la matriz de látex luego con un mezclador de concentrado de múltiples etapas para completar la emulsificación. Sin embargo, WO2015043140A1 no describe una etapa de premezclador, y luego un mezclado en ultracizallador, como sí lo hace la presente solicitud.

De esta forma se reconoce, el problema técnico de proporcionar una emulsión explosiva, de baja viscosidad, reducido tamaño de partícula, penetrabilidad aumentada, que disminuya la utilización de Combustibles derivados del petróleo, y que permita ser utilizado en industria minera, obras civiles, y/o explosiones submarinas.

RESUMEN

La presente invención describe:

Una emulsión explosiva, que comprende: una Solución Oxidante que comprende: i) Nitrato de amonio;

¡i) Agua; y una Solución Combustible que comprende: i i i) Surfactantes; iv) Fuel Oil.

Se describe también un método de fabricación de dicha emulsión que comprende las etapas de: a) Mezclar una Solución Oxidante, con una Solución Combustible; b) Mezclar en mezclador de Pre-mezcla de alta calidad; c) Tecnología de mezclado y desplazamiento; d) Regular Viscosidad.

La emulsión explosiva descrita sirve para ser utilizada en la industria minera, obras civiles, y/o explosiones submarinas.

La emulsión descrita posee propiedades mejoradas tales como: baja viscosidad, reducido tamaño de partículas, penetrabilidad aumentada, disminuye la utilización de Combustibles derivados del petróleo, elimina la formación de bolsas de agua, y mejora la compactación del material explosivo, entre otras.

DESCRIPCIÓN

Producto:

La presente solicitud describe una emulsión explosiva para Voladuras Mineras, obras civiles, y/o explosiones submarinas, más específicamente una emulsión explosiva, aquí llamada ‘Emulsión MIC’, que comprende:

Una Solución Oxidante que comprende: i) Nitrato de amonio en un rango de 65 a 85%. (p/p)

¡i) Agua, en un rango de 10 a 20 %. (p/p)

Una Solución Combustible que comprende: iii) Surfactantes, en un rango de 1 a 4 % (p/p) iv) Fuel Oil, en un rango de 8 a 15 % (p/p). en donde: i) el nitrato de amonio es poroso de baja densidad, con una densidad en un rango de 0,65 a 0,80 g/mL; de preferencia 0,76 g/ml, y se selecciona sin limitación de entre: nitratos de amonio de LD y LR (Baja densidad), ULD (Ultra baja densidad); iii) Surfactantes con un HLB (equilibrio hidrófilo-lipofílico) menor a 7; iv) Fuel Oil, se selecciona sin limitación de entre: fuel oil comercial, fuel oil para vehículos, petróleo, aceites, entre otros.

Características:

La emulsión MIC de la presente posee las siguientes características:

Viscosidad: < 40.000 cps;

Densidad: < 1 ,29 g/cc; Color: Amarillo;

Tamaño de partícula < 10 μm;

Concentración de emulsión/combustible de entre 8/10 a 9/10 de mezcla.

Estas características de la emulsión MIC, otorgan propiedades de penetración en perlas Prill (pequeñas esferas de nitrato de amonio), y solubilidad en agua mejoradas respecto al estado del arte.

Tamaño de partículas y Viscosidad:

El reducido tamaño de partículas de la emulsión MIC, menor que < 10 μm, y su baja viscosidad, permite su penetración al interior de las capilaridades del nitrato de amonio mejoradas respecto al estado del arte.

Este fenómeno se observó analizando el comportamiento del petróleo frente a la absorción en el nitrato de amonio. Una vez analizado la viscosidad del petróleo, se generaron distintas emulsiones con diferentes viscosidades en rango de 4.000 a 40.000 cps. Siendo esta variabilidad lograda entre una mezcla operativa y una mezcla de formulación.

Estableciendo así un rango óptimo en tiempo de penetración de 10 a 30 segundos, con una capacidad de absorción en los rangos de 8 a 14%, siendo idealmente sobre el 6%.

Se estudió el tiempo de penetración y capacidad de recubrimiento para distintos tamaños de partícula bajo los 10 μm para penetrar dicha capilaridad (Ver FIG 3A y 3B).

En la Figura 3B, se observan los Resultados de análisis de penetración de Emulsión MIC en el Prill. Se observa que con una viscosidad menor que 16.000 cps, las perlas se tornan más oscuras, lo cual indica una penetración mayor de la emulsión MIC.

Por el contrario, para viscosidades mayores, 44.000 cps, las perlas son menos oscuras, lo cual muestra una menor penetración de la Emulsión. En el recuadro de “Referencia de comparación” (Fig 3-B), se observa que la perla con la Emulsion MIC, es más oscura que una perla impregnada con ANFO del arte.

Análisis de tamaño de partículas emulsión MIC:

Para conocer los tamaños de partículas de las emulsiones realizadas, se realizó una toma de imágenes microscópicas y análisis mediante software para calcular dicha distribución.

En las Figuras 4A y 4B se muestran los resultados obtenidos. En la Figura 4A, se muestra una fotografía tomada con microscopio con zoom de 100X. Se establece una línea de calibración para luego ser ingresada a un programa de conteo de partículas. Este programa utiliza un algoritmo de procesamiento de imagen toolbox que permite junto a la referencia escalar, contar cada elemento esférico de dicha foto, logrando así establecer la distribución de tamaño.

En la Figura 4B, se muestra un gráfico de frecuencia y % Acumulado vs tamaño de partícula en rango 1,5 a 5 μm.

El menor tamaño de partícula por ultra cizallamiento reduce el agua que se impregna y disuelve en el prill, por lo que la mezcla en operación tiene mejores propiedades de penetración y recubrimiento. Se observa que la Emulsión MIC penetra mejor en los poros del PRIL y lo recubre mejor que las emulsiones convencionales.

Se realizaron estudios comparativos (ver Figuras 5 a 10) entre la emulsión MIC vs emulsión tradicional ANFO, con el fin de comparar y verificar las propiedades mejoradas de la emulsión MIC por sobre el estado del arte.

Baja viscosidad y capacidad de recubrimiento: Figuras 5 y 6.

Se estudió la capacidad de recubrir el nitrato de amonio poroso comparando a la emulsión MIC vs emulsión del arte.

Se observó que la capa formada por la emulsión MIC, permite proteger al nitrato de amonio poroso, tanto interna como externamente.

Recubrimiento externo: Figura 5

Recubrimiento Interno: Figura 6

Se realizó una revisión del aspecto del ANFO, para verificar la absorción del petróleo del Prill. Se comparó con la mezcla de emulsión MIC con nitrato de amonio LD. (Ver Figura 6)

Los resultados demuestran una distribución homogénea en ambos Prill. Se puede apreciar la capa de emulsión protectora que está en el producto Nitrato LD. Se observa la capacidad de penetración que tiene el petróleo en el nitrato de amonio poroso, para lograr como producto el ANFO.

Dicha Figura 6 permite concluir de forma comparativa, que la capacidad de penetración de la emulsión MIC en los poros del pril, es similar o igual a lo logrado por el petróleo. En las Figuras 7 y 8 se muestran los mismos productos, pero de forma interna, aplicando intensidad lumínica para verificar la homogeneidad de la emulsión MIC y del petróleo en el nitrato LD. Lado izquierdo Emulsión MIC, lado derecho emulsión del arte.

Se puede apreciar la capacidad de penetración de la emulsión MIC en las capilaridades internas del pril de nitrato de amonio LD que permite proteger el producto tanto externa como internamente.

Comparación con emulsiones tradicionales:

Con el fin de demostrar la capacidad de penetración de la emulsión MIC en el prill, se realizó una comparación entre la emulsión MIC versus una emulsión tradicional.

Los resultados muestran una mayor penetración en el prill de la emulsión MIC vs la emulsión del arte, (ver Figuras 9 y 10).

Las Figuras 9 y 10, muestran una comparación entre la emulsión MIC versus la emulsión tradicional. Ambas emulsiones fueron pintadas con un trazador de color de rosado, con la idea de apreciar mejor la capacidad de penetración de los productos. Se observa, especialmente en la figura 10, que la emulsión MIC penetra en las perlas Prill de mejor manera, ya que la perla del lado derecho (impregnada con emulsión MIC), es más oscura que la perla del lado izquierdo (Impregnada con emulsión del arte). Este efecto de penetración mejorado se debe al tamaño de partícula de la emulsión MIC, menor al tamaño de partículas del estado del arte. Esto permite demostrar que la emulsión MIC tiene una capacidad de penetración mejorada, superior a la capacidad de penetración de las emulsiones del arte.

Los resultados descritos en la presente demuestran que el reducido tamaño de partícula y baja viscosidad de la Emulsión MIC, permiten una penetración en las capilaridades y poros mejorada respecto a la emulsión del estado del arte.

Entre las ventajas de la emulsión MIC, puede mencionarse que a diferencia de las emulsiones que actualmente se utilizan en la industria las que requieren de Emulsión + ANFO (Nitrato de amonio (AN) + Combustible derivado del petróleo (FO)), la presente emulsión MIC, permite usar solo: Emulsión MIC + Nitrato de Amonio (PRIL), eliminando la necesidad de contar con Combustible derivado del petróleo. Otra ventaja es que a diferencia de las emulsiones convencionales que tienen viscosidades entre 90.000 y 110.000 cps obligando a utilizar presiones de transporte de entre 180 y 200 PSI, la Emulsión MIC tiene viscosidad entre 4.000 y 40.000 cps, por lo que solo necesita presiones de transporte de entre 60 y 100 PSI, reduciendo considerablemente los requerimientos de tamaño y potencia para las bombas impulsoras.

Actualmente, en los pozos con alto contenido de agua se emplean mezclas en torno a 70% de emulsión y 30% de ANFO, para proteger el ANFO del agua del pozo. En cambio, en los mismos pozos la Emulsión MIC permite usar 55% de emulsión MIC y 45% de nitrato de amonio poroso, reduciendo la cantidad necesaria de emulsión mejorando el rendimiento en tronadura por pozo, sobre todo pozos húmedos.

Otro beneficio observado de la presente emulsión MIC, es que en el balance de oxígeno de la reacción química de la explosión, se busca obtener valores negativos cercanos a cero, ojalá cero, pues los valores negativos liberan compuestos orgánicos, mientras que los valores positivos liberan gases tóxicos NOx (Óxidos de Nitrógeno) prohibidos en la minería. La Emulsión MIC permite tener balances de oxígeno negativos más cercanos a cero comparado con el arte previo.

A continuación, se presenta una tabla comparativa para exhibir las ventajas técnicas de la Emulsión MIC por sobre las Emulsiones Tradicionales.

TABLA COMPARATIVA MÉTODO DE FABRICACIÓN.

La presente solicitud, también describe un método de fabricación de la Emulsión MIC explosiva antes descrita. (Ver Figura 2).

El método de fabricación comprende las etapas de: a) Mezclar una Solución Oxidante, con una Solución Combustible; b) Mezclar en mezclador de Pre-mezcla de alta calidad; c) Tecnología de mezclado y desplazamiento; d) Regular Viscosidad;

En donde:

En la etapa a):

La Solución Oxidante comprende: i) Nitrato de amonio en un rango de 65 a 85% (p/p);

¡i) Agua, en un rango de 10 a 20 % (p/p);

La Solución Combustible comprende: iii) Surfactantes, en un rango de 1 a 4 % (p/p); iv) Fuel Oil, en un rango de 8 a 15 % (p/p);

La mezcla se realiza en un pre-emulsionador, durante un tiempo de entre 2 a 30 minutos, con un RPM en un rango de 390 a 3000 rpm.

En la etapa b)

La mezcla obtenida de la etapa a) se mezcla nuevamente ahora utilizando un ultracizallador, durante un tiempo de entre 2 a 30 minutos, con un RPM en un rango de 390 rpm a 3000 rpm; o hasta obtener un tamaño de partícula menor que 10 μm. En la etapa c) (tecnología de mezclado y desplazamiento)

La mezcla obtenida de la etapa b) en impulsada con una bomba de cavidad progresiva, transportando la mezcla por un sistema de enfriamiento, hasta llegar a la siguiente etapa de regulación de la viscosidad.

En la etapa d) (Regulación de la viscosidad)

En esta etapa se regula la viscosidad por medio de Mezcladores estáticos, hasta alcanzar una viscosidad en el rango de 4.000 a 40.000 cps. Finalmente, la mezcla aquí llamada ‘emulsión MIC’ obtenida, es bombeada hasta los silos de almacenamiento.

DIAGRAMA DEL MÉTODO DE FABRICACIÓN.

En la Figura 2, se muestra el diagrama del método descrito en la presente solicitud. Este método sigue la estructura tradicional de la fabricación de emulsiones en plantas continuas (método tradicional del estado del arte: Figura 1).

En los métodos tradicionales (figura 1), al mezclador ingresan la solución oxidante y combustible previamente mezclados, se realiza la agitación y corte final de la emulsión para salir de este como producto final.

En cambio, en el presente método de fabricación (Figura 2), el mezclador funciona como un pre-mezclador. Entregando una pre-emulsión de alta calidad y homogeneidad. Luego esta pre-emulsión se ingresa al ultracizallador para obtener la Emulsión MIC, como producto final.

Este método de fabricación permite obtener la Emulsión MIC, con las características físicas mejoradas de baja viscosidad, densidad, reducido tamaño de partículas, penetración y protección mejoradas del Prill antes descritas.

EJEMPLOS

Cinética de movimiento en pozos con agua:

De acuerdo a lo presentado, este método de fabricación permite obtener una Emulsión explosiva que presenta una buena fluidez frente a pozos con agua. Para analizar esta característica de fluidez, se realizó una comparación simulando pozos con agua, siendo estos cargados de forma vaciada sobre un barreno o también conocido como producto vaciable, que solo son utilizados en pozos secos.

En las Figuras 11 , 12, y13, se presentan fotos de los resultados de las pruebas de vaciado.

La Figura 11 , muestra una Emulsión tradicional presentando dificultades para fluir y generando bolsas de agua, problemas de estancamiento, baja fluidez, pérdida de continuidad de la columna.

La Figura 12, muestra la Emulsión MIC, con buena capacidad de fluidez y sin generar bolsas de agua, favoreciendo la cinética de reacción de la columna al ser iniciada, con alta fluidez, sistema hidrófobo, alta compactación de la columna.

La Figura 13, muestra la Emulsión tradicional (lado izquierdo) Vs Emulsión MIC (lado derecho). Se observa el lado izquierdo que la columna presenta bolsas de agua, en cambio en lado derecho la columna no presenta bolsas de agua.

Se observó que la Emulsión MIC permite cargar pozos con agua siendo vaciados en este. Esto permite la reducción de los tiempos de carguío mejorando la productividad en terreno.

BENEFICIOS

Aplicaciones y Beneficios de Emulsión MIC.

Beneficios:

Los Beneficios de la presente emulsión MIC explosiva son:

Alta capacidad de fluidez.

Capacidad de penetración.

Protección externa e interna al nitrato de amonio poroso para zonas húmedas.

Fácil manipulación en terreno.

Reduce la tendencia de calibración de los camiones debido a solo requerir dos materias primas (Emulsión más nitrato poroso).

Puede ser vaciada en pozos con agua en mezclas 50/50 y 55/45.

Reduce las presiones de bombeo en los camiones hasta en un 50%. No requiere anillo de agua para ser bombeada.

Buena resistencia a las bajas temperaturas.

Proporciona continuidad de columna en pozos.

Aplicaciones.

La emulsión MIC descrita en la presente, se puede aplicar sin limitación en: industria minera, voladuras mineras, voladuras civiles, y explosiones submarinas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE FIGURAS

Figura 1 : Diagrama de método Tradicional. Etapa 1 ) Mezclar una Solución Oxidante(1), con una Solución Combustible(2); Etapa 2) Mezclar en Reactor de Mezclado(3); Etapa 3) Bomba de desplazamiento(4); Etapa 4) Regular Viscosidad(5).

Figura 2: Diagrama de método Modificado. Etapa a) Mezclar una Solución Oxidante, con una Solución Combustible; Etapa b) Mezclar en mezclador de Pre-mezcla de alta calidad; Etapa c) Tecnología de mezclado y desplazamiento; Etapa d) Regular Viscosidad.

Figura 3-A: Se observa que la capilaridad del nitrato de amonio tiene un mínimo de 4 μm, permitiendo definir los tamaños requeridos para que la emulsión MIC fluya correctamente.

Figura 3-B: Se observan los Resultados de análisis de penetración de Emulsión MIC en el Prill.

Figura 4-A: Se observa fotografía de tamaño de partículas. Esta imagen se utiliza para calcular la distribución de tamaño de partículas utilizando procesamiento de imagen.

Figura 4-B: Se observa la distribución de tamaño de partículas. Ejemplo de Distribución de tamaño de partículas bimodal en el rango 1 ,5 a 5 μm.

Figura 5: Apariencia del nitrato de amonio LD en mezcla de la emulsión MIC al 12%.

Figura 6: Lado izquierdo: prill con emulsión MIC. Lado derecho: prill con emulsión tradicional con petróleo. Se observa que en el prill del lado izquierdo la tonalidad es más clara, indicando que requiere menos petróleo que la emulsión tradicional.

Figura 7: Apariencia interna del nitrato de amonio LD (Baja Densidad). Lado izquierdo: mezcla de MIC, vs lado derecho: emulsión tradicional con petróleo. Se observa que en el lado izquierdo con emulsión MIC, la tonalidad es más clara, indicando que posee penetrabilidad mejorada y así requiere menos petróleo que la emulsión tradicional.

Figura 8: Imagen del Producto Nitrato Prill LD en mezcla homogénea con MIC lado izquierdo y Petróleo lado derecho.

Figura 9: Imagen del Producto Nitrato Prill LD en mezcla homogénea con MIC lado izquierdo y Nitrato Prill LD lado derecho con emulsión tradicional. Se observa en imagen a color que el prill lado izquierdo es rosa, mientras que el lado derecho es gris, demostrando la penetrabilidad mejorada de la emulsión MIC versus emulsión tradicional.

Figura 10: Intensidad lumínica posterior para verificación de penetración de la emulsión MIC en los poros del nitrato de amonio Prill LD. Se observa lado Izquierdo con emulsión MIC tonalidad más clara que el lado derecho. Esto demuestra la penetración de la emulsión MIC, que así requiere menos petróleo que la emulsión tradicional lado izquierdo.

Figura 11 : Emulsión tradicional presentando dificultades para fluir y generando bolsas de agua. Se observa la cinética de vaciado, se observan; Alta viscosidad-problemas de estancamiento-Baja fluidez-Pérdida de continuidad de columna.

Figura 12: Emulsión MIC, buena capacidad de fluidez y sin generar bolsas de agua, favoreciendo la cinética de reacción de la columna al ser iniciada. Se observa que el producto MIC: Baja viscosidad-Alta fluidez- Alto contenido de orgánico- Sistema hidrófobo- Baja densidad y fluidez-Alta compactación de columna.

Figura 13: Se observa: columna a la izquierda: Emulsión tradicional Vs Columna a la derecha: Emulsión MIC. Se observa que la columna de la izquierda (emulsión tradicional) presenta bolsas de agua. En cambio, la columna de la derecha (emulsión MIC) no presenta bolsas de agua.