Transporte de Pulpa Espesada: Aspectos Clave y Consideraciones de Diseño

ASPECTOS CLAVES EN EL
TRANSPORTE DE PULPAS ESPESADAS
Ray Martinson
[email protected]
S
24 Mayo, 2012
Aspectos Claves en el Transporte de
Pulpas Espesadas
1. Propiedades Básicas de las Pulpas
2. Reología
3. Ensayos a los Relaves
4. Transporte de Pulpas
4.1 Pulpas Sedimentables
4.2 Pulpas Homogéneas (No-Newtonianas)
5. Diseño Hidráulico de Tuberías
6.
Consideraciones Especiales
2
Aspectos Claves en el Transporte de
Pulpas Espesadas
1. Propiedades Básicas de las Pulpas
3
Propiedades Básicas de las Pulpas
S Propiedades Físicas
ü Peso específico de los sólidos y granulometría
ü Contenido de sólidos
ü Forma de las partículas
S Propiedades Químicas
ü Conductividad del agua de proceso
ü pH de la mezcla
S Propiedades Mineralógicas
ü Presencia de arcillas y tipo de arcillas
S Propiedades del Proceso
ü Adición de Floculante
ü Agitación
Propiedades Básicas de las Pulpas
Relaciones Gravimétricas y Volumétricas Básicas
Cv
Cw
ρw
1
Cv =
ρs
− (ρ s − ρ w )
Cw
ρs
Cw =
ρw
+ (ρs − ρ w )
Cv
ρm =
ρw + Cv (ρs − ρw )
Cv: Concentración en volumen
ρs: Densidad del sólido
1
ρw +
ρ w C w (ρs − ρ w )
ρs − C w (ρs − ρ w )
ρm
ρm − ρ w
ρs − ρ w
ρs (ρm − ρ w )
ρm (ρs − ρ w )
1
Cw: Concentración en peso
ρw:
Densidad del agua
ρm: : Densidad de la pulpa
5
Aspectos Claves en el Transporte de
Pulpas Espesadas
2. Reología
6
Relaves Convencionales y Relaves Espesados
Relave Convencional
Condición Turbulenta
Relave Espesado
Condición Laminar
7
Flujo Turbulento o Flujo Laminar?
Régimen Laminar:
Es la condición en que las líneas de flujo se mantienen paralelas e
imperturbadas, sin entremezclarse. Sucede cuando hay alta viscosidad
y/o baja velocidad.
Video 1
Régimen Turbulento:
Condición en la que el flujo es caótico y desordenado. El flujo cambia de
rumbo en forma errática. Sucede cuando hay baja viscosidad y/o alta
velocidad.
Video 2
8
Que es la Reología?
S Reología es la ciencia que estudia el fenómeno de los
flujos viscosos.
S Generalmente definida como las características viscosas
de un fluido o de una mezcla homogénea de sólido y
liquido.
S Viscosidad: Es la resistencia que opone un fluido al
ejercer un esfuerzo cortante en el. Esta resistencia es
proporcional a la velocidad del esfuerzo cortante. Es una
propiedad que se manifiesta en un fluido en movimiento.
9
Relaves Espesados y en Pasta
10
Que es la Viscosidad?
V
Placa Movil
F
τ
dy
y
µ
dv
τ
Placa Estacionaria
Tensión de Corte
F
dV
τ=
∝
A
dy
Viscosidad
Tasa de Corte
dV
τ =µ
dy
S La viscosidad de un fluido µ es la propiedad que relaciona la fuerza
friccional (tensión de corte) con la deformación (tasa de corte).
Que es un Fluido Newtoniano?
Tensión de Corte
dV
τ=µ
=µγ
dY
Reograma
Newtoniano
µ2
µ1 = µ2
µ1
Tasa de Corte
12
Que es un Fluido No-Newtoniano?
Tensión de Corte
τ ≠ µγ
Reograma
Non-Newtoniano
µ2
µ1
µ1 > µ2
Tasa de Corte
13
Que es Tensión de Fluencia (Yield Stress)?
S Tensión de Fluencia - Corresponde a la tensión de corte mínima
Tensión de Corte
necesaria para iniciar un flujo sostenible.
Reograma No-Newtoniano
Tensión de
Fluencia
Tasa de Corte
14
Fluido Visco-plástico
S Tensión de Fluencia > 0
τ =τ y + K γ
Shear stress
S Fluido plástico Bingham
Reograma No-Newtoniano
Shear rate
15
Ensayo Reológico en una Pulpa
S Reograma de relave de cobre
Muestra 1
220
Tensión de corte en la pared, τ o (Pa)
200
180
160
140
Cp=74,2%
Cp=74,1%
120
Cp=71,2%
100
Cp=69,5%
Cp=67,6%
80
Cp=65,0%
60
Cp=64,0%
40
20
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
Velocidad de Corte, γ (s-1)
16
Típicas Pulpas Viscosas
§ Arcillas - cuando hay presentes arcillas minerales la pulpa
tiende a se muy viscosa.
§ Pastas y relaves espesados
§ Generalmente las pulpas finas y de baja
sedimentabilidad tienen viscosidad alta, la que
domina el comportamiento dinámico de la pulpa.
17
Tensión de Fluencia (Pa)
Reología Relaves Espesados
y en Pasta
Pasta
(laminar)
Cake
Relaves Espesados
(turbulento/laminar)
100
Pulpa
Convencional
(turbulento)
20
Concentración de Sólidos (%)
18
Reología de Productos Comunes (referenciales)
400
360
Tensión de Fluencia (Pa)
350
300
250
200
145
164
150
100
50
66
80
32
0
10
0
19
Otros Factores que Influencian la Reología
S Efectos Fisicoquímicos
pH 8.6 a 65%
pH 6.3 a 65%
S Ciertos aditivos pueden incrementar o disminuir las pérdidas de carga
en una conducción, al afectar la Tensión de Fluencia o la Viscosidad de
la mezcla.
S La interdependencia de las variables implica que su efecto es difícil de
cuantificar sin realizar ensayos.
S No hay modelos que permitan predecir la reología de una pulpa sin
hacer ensayos.
20
Aspectos Claves en el Transporte de
Pulpas Espesadas
3. Ensayos a las Pulpas
21
Cuando se Requieren Ensayos?
S La información requerida para el diseño de cualquier
sistema de transporte de pulpa esta basado en el
conocimiento del comportamiento de ella.
S Los ensayos son costosos.
S Los ensayos reducen riesgo.
S Es responsabilidad del diseñador balancear entre
Información Requerida versus Riesgo
22
Fases de un Proyecto y Ensayos
Conceptual
Pre Factibilidad
Factibilidad
Ingeniería Básica
Ensayos de Escala Laboratorio
(Muestras Discretas)
Ensayo de Loop de Cañerías
(Muestras Discretas)
Pruebas Piloto
Ingeniería de Detalles
Toda la información
requerida debe estar
disponible en esta
etapa.
Algunas pruebas
pueden ser necesarias
si surge información de
proceso nueva.
(Muestras Masivas)
23
Ensayos Escala de Laboratorio
S Caracterización del Material
S
S
S
S
S
S
Granulometría
Peso específico de las partículas
Concentración de sedimentación libre y máxima
Micrografía de las partículas
Propiedades del líquido (si el medio de transporte no es agua)
Química del agua
S Caracterización de la Pulpa
S
S
S
S
S
S
pH
Reología
Comportamiento coloidal de la pulpa y arcillas
Ensayos de descenso (Slump )
Abrasividad (Número de Miller)
Desgaste de tubería (Corrosión y Erosión)
24
Ensayos Escala de Laboratorio
S Ensayos Reológicos
S Elaborados usando un viscosímetro rotatorio, un viscosímetro tubular
o un loop de cañería. Para un trabajo más preciso, es preferible
realizar los ensayos con varias configuraciones/tamaños de modo de
validar las mediciones (las curvas de comportamiento resultante
deben ser coincidentes en la zona laminar).
S Para ensayos en viscosímetro rotacional se deben eliminar los datos
que corresponden a las siguientes condiciones:
§
Flujo no del todo desarrollado (bajas tasas de corte)
§
Presencia de vórtices de Taylor (altas tasas de corte)
S En el caso de viscosímetro tubular y loop de cañerías, se deben
descartar los puntos de operación en régimen turbulento.
25
Ensayos Escala de Laboratorio
S Ensayo de Descenso (Slump)
S Provee una indicación de la Tensión de Fluencia de la pulpa, pero no
provee suficiente información para caracterizar el comportamiento de
flujo de la pulpa.
S Es buena para efectuar control de calidad de la pulpa.
S No es adecuado para el diseño de conducciones.
69,7% - 10 Pa
74,4% - 100 Pa
72,6% - 30 Pa
76,3% - 300 Pa
26
26
Ensayos de Loop de Cañerías
S Propósito
S Observe el comportamiento de la pulpa
S Determinar la velocidad de depósito
S Verificar la transición entre flujo laminar y turbulento
S Verificar las pérdidas por fricción en flujo laminar
S Establecer las pérdidas por fricción en régimen turbulento
S Establecer los parámetros de derrateo de bombas
S Investigar las condiciones de reinicio de la tubería
27
Ensayos de Loop Escala de Laboratorio
S Loop de Cañerías Pequeño
28
Pruebas de Loop Piloto
29
Ensayos Piloto
S Generalmente efectuados para etapas de ingeniería de Factibilidad.
Permite recopilar información adecuada para el diseño de detalles.
S Generalmente los propósitos de estos ensayos son:
S Evaluar el comportamiento del flujo de la pulpa para un período de
tiempo extenso para investigar variaciones del proceso y del
mineral.
S Evaluar el rendimiento de nuevos equipos de proceso y/o
instrumentación considerada en el diseño.
S Los ensayos piloto incluirán aspectos de los ensayos de laboratorio
y loop de cañerías mencionados previamente, pero podrían incluir:
S
Ensayos de comportamiento de espesamiento y floculantes
S
Ensayos de depositación en canaletas
S
Pruebas de transporte en canaletas.
30
Ensayos Piloto
S Ensayos de gran escala:
S Ofrece la oportunidad de hacer ensayos en línea con la
producción de pulpa.
S Esto permite investigar mas fácilmente la sensibilidad a la
agitación en la pulpa.
S Los ensayos a gran escala ofrecen la oportunidad de investigar
la problemática relacionada de la segregación en régimen
laminar.
S Usualmente efectuados en conjunto con ensayos de
depositación de larga duración.
31
Ensayos - Resumen
S Los ensayos a las pulpas entregan información
importante que resultará en un diseño exitoso y confiable
de los sistemas de transporte de pulpas espesadas.
S Se debe observar especial cuidado en el diseño de las
pruebas a ejecutar, su propósito, el equipamiento e
instrumentación necesaria.
S Toda la instrumentación debe ser calibrada antes,
durante y después de los ensayos.
32
Aspectos Claves en el Transporte de
Pulpas Espesadas
4. Transporte de Pulpas
4.1 Pulpas Sedimentables
4.2 Pulpas Homogéneas
33
Aspectos Claves en el Transporte de
Pulpas Espesadas
4.1 Pulpas Sedimentables
34
Pulpas Sedimentables - Conceptos
S Características de las pulpas sedimentables:
S El flujo depende de la turbulencia para mantener en suspensión a los
sólidos y así poder transportarlos dentro del flujo.
S Los sólidos están asimétricamente distribuidos en la sección transversal.
Hay un incremento en la concentración de sólidos hacia el fondo de la
conducción.
S A bajas velocidades las partículas sedimentan en el fondo de la
conducción y llegan a formar un depósito estacionario.
S Como regla general: Una pulpa con partículas predominantemente mayores
a 75 µm se comportará como pulpa sedimentable.
35
INESTABLE
Velocidad de Suspensión Completa
Velocidad de Depositación, Vdep
Perdida de Carga Unitaria
Pulpa Sedimentable – Regímenes de Flujo
OPERACION NORMAL
PULPA
SEDIMENTABLE
SEUDO FLUIDO
AGUA
ALTO CONSUMO DE ENERGIA
ALTA ABRASION
Velocidad Media
36
Derrateo de Bombas
Las mezclas sólido-liquido afectan adversamente el comportamiento de las
bombas centrífugas:
S Contenido de sólidos
S Reología o viscosidad de la pulpa
Es decir cuando se bombea una pulpa:
S La bomba genera menos altura (TDH) y
S Es menos eficiente energéticamente que cuando bombea agua.
Hm
Factor de altura = H R =
Hw
Factor de eficiencia = ER =
ηm
ηw
37
Derrateo de Bombas Centrifugas
Altura
Hw
Hr = Hm
Water
Hw
Hm
Slurry
Eficiencia
Flujo
Ew
Water
Em
Slurry
Er = Em
Ew
Flujo
38
Aspectos Claves en el Transporte de
Pulpas Espesadas
4.2 Pulpas Homogéneas – No Newtonianas
39
Pulpas No-Newtonianas – Regiones de Interés
Gradiente de Presiones
Pulpa
Flujo Turbulento
Agua
Velocidad
de Transición
Flujo Laminar
Zona de
Transición
Velocidad Media de la Pulpa
40
Velocidad de Transición
5.0
4.0
3.5
Slatter
Wilson-Thomas
3.0
Water
2.5
Ecuación de Buckingham
2.0
1.5
Vcrit = 26
1.0
5,64
Gradiente de Presiones (kPa/m)
4.5
Diameter: 200 mm
Hydraulic roughness: 40 um
d 85 : 100 um
Yield stress: 80 Pa
Plastic viscosity: 0.07 Pa.s
Density: 1700 kg/m³
0.5
τy
ρm
.
Slatter and Wasp
0.0
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
Velocity media de la pulpa (m/s)
41
Transición Laminar/Turbulento
S Método de la Intersección
S Calcular la curva de flujo laminar (ec. de Buckingham)
S Calcular la curva de flujo turbulento (usar diferentes modelos)
Pérdida Unitaria (kPa/m)
S Intersección de las dos curvas
a
Lamin
r
Velocidad (m/s)
42
Derrateo de Bombas
S Walker and Goulas (1984)
S Basado en datos experimentales
S Mediciones en un rango amplio
S Utiliza el Número de Reynolds como base.
Relación de Altura y Eficiencia
1.00
Relación de Altura
0.95
0.90
Sobre 106, el
efecto es leve
0.85
0.80
0.75
0.70
Relación de Eficiencia
0.65
Bajo 3 x 105 muy importante
0.60
10,000
100,000
Entre 3 x 105 y
106 se hace
relevante
1,000,000
10,000,000
Número de Reynolds de la Bomba
100,000,000
43
Pulpas No Newtonianas - Diseño
S Para un determinado tamaño de tubería
S Determinar la velocidad de transición
S Es el flujo laminar o turbulento?
S Calcular las pérdidas por fricción
S Determinar las condiciones de trabajo de la bomba
S Evaluar el derrateo de la bomba
S Método de Walker and Goulas
S Seleccionar la mejor combinación de tuberías, bombas y
potencia y contenido de sólidos, para satisfacer los
requerimientos del proyecto.
44
Aspectos Claves en el Transporte de
Pulpas Espesadas
5. Diseño Hidráulico en Tuberías
45
Proceso de Diseño de un Sistema
Diseño Hidráulico
Definir/Evaluar el
Sistema de
Conducción
Ensayos a las
Pulpas
Calcular la Altura
de Bombeo
Especificar Equipos
de Bombeo
Documento de Criterios
de Diseño
Control del
Sistema
PFD
Definición de las
Condiciones de
Operación
INICIO
P&ID
Documento de
Descripción del Sistema
Documentos para
Compra
Diseño de
Detalles
Documentación Formal del Diseño
46
Selección del Diámetro de la Tubería
S El diámetro de la tubería se elige de modo que la
velocidad de flujo sea mayor que:
S La velocidad de depositación (régimen turbulento)
S La velocidad de transición laminar/turbulento.
S Las conducciones por tuberías se diseñan generalmente
evitando la operación en régimen laminar, debido al
riesgo de la segregación de partículas.
47
Línea Piezométrica
Nota: Las Líneas de Energía
y Piezométrica se dibujan
para un flujo dado.
Altura de
Velocidad
Pérdida en entrada
Carga Hidráulica (h)
ALTURA TOTAL DE BOMBEO (TDH)
ALTURA ESTATICA
V2/2g
P = ρgh
Todo en términos de metros
de pulpa!
Pérdida en Válvula
48
49
ALTURA TOTAL DE BOMBEO (TDH)
50
Choke Head
ALTURA TOTAL DE BOMBEO (TDH)
Choke Station
Línea Piezométrica
S La Línea Piezométrica resulta una importante
herramienta para el entendimiento gráfico del
funcionamiento de un sistema de transporte por tuberías.
S L a gráfica de la Línea Piezométrica permite una rápida
identificación de:
S Sobrepresiones en la tubería
S Condiciones de vacío en la línea, que pueden llevar a
problemas .
S Operación del sistema cuando opera con agua
empaquetada.
S Permite visualizar posibles problemas de cavitación y
NPSH.
52
Altura de Impulsión (metros)
Curva de Operación de Bombas
Curva de operación
del sistema
Curva de Trabajo de Bo
m
ba Centrifuga
H
H Estática
Punto de Operación
Q
Flujo
S
Aspectos Claves en el Transporte de
Pulpas Espesadas
6. Consideraciones Especiales
6.1 Reducción Reológica por Agitación
6.2 Segregación en Régimen Laminar
6.3 Reología de Diseño
54
Reducción Reológica por Agitación
S La floculación crea estructuras de cadenas con los finos de la
pulpa
S La acción de agitación rompe los enlaces, liberando agua
atrapada.
S Esto resulta en una reducción de la reología de la pulpa.
S Este fenómeno se denomina Reomalaxis (generalmente
irreversible).
Agitación
55
Reducción Reológica Inducida por Agitación
400%
Percent of Fully Sheared Wall Shear Stress (%)
375%
35.1%
350%
325%
300%
275%
250%
225%
200%
175%
150%
125%
100%
75%
0
500
1000
1500
2000
Absorbed Energy (kJ/m3) 2500
3000
S Importantes implicancias en el diseño de:
S Sistemas de descarga de espesadores (reología mas adversa)
S Sistemas de conducción en presión, tuberías y bombas
S Sistemas gravitacionales (muy sensible a los cambios reológicos)
56
Segregación en Régimen Laminar
S Operación en Régimen Laminar
S La pulpa se segregará (los gruesos se ubicarán en el fondo)
S Para evitar los problemas de la segregación en régimen
laminar:
S Operar en régimen turbulento
S O bien operar con un gradiente de presión mayor a 1,5
kPa/m.
57
Segregación en Régimen Laminar
8.0
Typical Copper Tailings
Turbulent Flow
Vtrans = 26
7.0
τy
.
ρ
Vtrans
6" m
6.0
Laminar Flow
Velocity (m/s)
5.0
4.0
3.0
2.0
dP/dL < 1.5 kPa/m
dP/dL > 1.5 kPa/m
1.0
0.0
0
20
40
60
80
100
120
140
Yield Stress (Pa)
58
Reología de Diseño
Tensión de Fluencia de Bingham vs Cp
Fully Sheared
200
180
)
a
P
(
a
i
c
n
e
u
l
F
e
d
n
ió
s
n
e
T
160
140
120
100
80
60
40
20
0
63%
65%
67%
69%
71%
73%
75%
Concentración en peso (Cp)
S Es muy importante establecer una envolvente de reología para
el diseño de cada sistema:
S La reología máxima define la transición de laminar a turbulento
S La reología mínima define la máxima perdida de carga en régimen
turbulento
59
Gran Conclusión
“El convencimiento final es que el concepto clave
para el diseño de sistemas de transporte de
relaves espesados, que operen de modo
confiable se basa, no en la selección de
materiales exóticos o el diseño de equipos
especiales, sino que en el entendimiento y control
del entorno de la pulpa”
Edward Wasp
60
ASPECTOS CLAVES EN EL
TRANSPORTE DE PULPAS
ESPESADAS
Gracias
Ray Martinson
[email protected] 61