Aspectos Claves en Transporte de Pulpas RM · Relaciones Gravimétricas y Volumétricas Básicas C v C w ... y loop de cañerías mencionados previamente, pero podrían incluir: !

S

ASPECTOS CLAVES EN EL TRANSPORTE DE PULPAS ESPESADAS

Ray Martinson [email protected]

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


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 ρm

Cv = 1 ( )wsw

s

w

Cρ−ρ−

ρρ

ws

wm

ρ−ρρ−ρ

Cw = ( )wsv

w

s

Cρ−ρ+

ρρ

1

( )( )wsm

wms

ρ−ρρρ−ρρ

ρm = ( )wsvw C ρ−ρ+ρ ( )( )wsws

wswww C

Cρ−ρ−ρ

ρ−ρρ+ρ 1

Cv: Concentración en volumen Cw: Concentración en peso

ρs: Densidad del sólido ρw: Densidad del agua

ρm: : Densidad de la pulpa

5


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.

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 1

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?

S  La viscosidad de un fluido µ es la propiedad que relaciona la fuerza friccional (tensión de corte) con la deformación (tasa de corte).

dv

dy y

V Placa Movil

Placa Estacionaria

F

τ

τ

dydV

AF∝=τ

dydV

µτ =

µ

Tasa de Corte Tensión de Corte

Viscosidad

Tasa de Corte

Tens

ión

de C

orte

µ1

µ2

µ1 = µ2

Que es un Fluido Newtoniano?

γµ=µ=τdYdV

Reograma Newtoniano

12

γµ≠τ

Tasa de Corte

Tens

ión

de C

orte

µ2

µ1 > µ2

Que es un Fluido No-Newtoniano?

µ1

Reograma Non-Newtoniano

13

Que es Tensión de Fluencia (Yield Stress)?

S  Tensión de Fluencia - Corresponde a la tensión de corte mínima necesaria para iniciar un flujo sostenible.

Tasa de Corte

Tens

ión

de C

orte

Reograma No-Newtoniano

Tensión de Fluencia

14

Fluido Visco-plástico

S  Tensión de Fluencia > 0

S  Fluido plástico Bingham

Shear rate

She

ar s

tress

γττ Ky +=

Reograma No-Newtoniano

15

Ensayo Reológico en una Pulpa

S  Reograma de relave de cobre

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Tens

ión

de c

orte

en

la p

ared

, τo

(Pa)

Velocidad de Corte, γ (s-1)

Muestra 1

Cp=74,2%Cp=74,1%Cp=71,2%Cp=69,5%Cp=67,6%Cp=65,0%Cp=64,0%

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

Reología Relaves Espesados y en Pasta

100 Pulpa

Convencional (turbulento)

Cake

Concentración de Sólidos (%)

Tens

ión

de F

luen

cia

(Pa)

Pasta (laminar)

Relaves Espesados (turbulento/laminar)

20

18

Reología de Productos Comunes (referenciales)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 10 32

66 80

145 164

360

Tens

ión

de F

luen

cia

(Pa)

19

Otros Factores que Influencian la Reología

S  Efectos Fisicoquímicos

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.

pH 8.6 a 65% pH 6.3 a 65%

20


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 Ingeniería de Detalles

Ensayos de Escala Laboratorio (Muestras Discretas)

Ensayo de Loop de Cañerías (Muestras Discretas)

Pruebas Piloto (Muestras Masivas)

Toda la información requerida debe estar disponible en esta

etapa.

Algunas pruebas pueden ser necesarias si surge información de

proceso nueva.

23

Ensayos Escala de Laboratorio

S  Caracterización del Material S  Granulometría S  Peso específico de las partículas S  Concentración de sedimentación libre y máxima S  Micrografía de las partículas S  Propiedades del líquido (si el medio de transporte no es agua) S  Química del agua

S  Caracterización de la Pulpa S  pH S  Reología S  Comportamiento coloidal de la pulpa y arcillas S  Ensayos de descenso (Slump ) S  Abrasividad (Número de Miller) S  Desgaste de tubería (Corrosión y Erosión)

24


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


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.

26

69,7% - 10 Pa 72,6% - 30 Pa

74,4% - 100 Pa 76,3% - 300 Pa

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


4. Transporte de Pulpas

4.1 Pulpas Sedimentables

4.2 Pulpas Homogéneas

33


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

Velo

cida

d de

Dep

osita

ción

, Vde

p

Velo

cida

d de

Sus

pens

ión

Com

plet

a

Velocidad Media

Per

dida

de

Car

ga U

nita

ria

PULPA SEDIMENTABLE

AGUA

INESTABLE OPERACION NORMAL ALTO CONSUMO DE ENERGIA

ALTA ABRASION

SEUDO FLUIDO

Pulpa Sedimentable – Regímenes de Flujo

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.

w

mR H

HH ==alturadeFactor

w

mRE η

η==eficienciadeFactor

37

Derrateo de Bombas Centrifugas

Flujo

Altura

Hm

Hw Water

Slurry

Hr = Hm Hw

Flujo

Eficiencia

Em

Ew Water

Slurry

Er = Em Ew

38


4.2 Pulpas Homogéneas – No Newtonianas

39

Pulpas No-Newtonianas – Regiones de Interés

Flujo Laminar

Zona de Transición

Flujo Turbulento

Velocidad de Transición

Agua

Pulpa

Velocidad Media de la Pulpa

Gra

dien

te d

e Pr

esio

nes

40

Velocidad de Transición

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0

Velocity media de la pulpa (m/s)

Gra

dien

te d

e P

resi

ones

(kP

a/m

)

Water

Slatter

Wilson-Thomas

Slatter and Wasp

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

.26Vm

ycrit ρ

τ=

5,64

Ecuación de Buckingham

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) S  Intersección de las dos curvas

Velocidad (m/s)

Pér

dida

Uni

taria

(kP

a/m

)

Laminar

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.

43

0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00

10,000 100,000 1,000,000 10,000,000

Rel

ació

n de

Altu

ra y

Efic

ienc

ia

Relación de Altura

Relación de Eficiencia

Sobre 106, el efecto es leve

Entre 3 x 105 y 106 se hace relevante Bajo 3 x 105 muy importante

100,000,000 Número de Reynolds de la Bomba

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


5. Diseño Hidráulico en Tuberías

45

Diseño Hidráulico

Proceso de Diseño de un Sistema

Documentación Formal del Diseño

Definición de las Condiciones de

Operación

Calcular la Altura de Bombeo

Especificar Equipos de Bombeo

PFD

P&ID

Definir/Evaluar el Sistema de Conducción

Control del Sistema

Documentos para Compra

Documento de Descripción del Sistema

INICIO Diseño de Detalles

Ensayos a las Pulpas

Documento de Criterios de 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

Pérdida en Válvula

Pérdida en entrada

ALT

UR

A TO

TAL

DE

BO

MB

EO

(TD

H)

ALT

UR

A E

STA

TIC

A

Car

ga H

idrá

ulic

a (h

)

P = ρgh

Altura de Velocidad

V2/2g

Nota: Las Líneas de Energía y Piezométrica se dibujan para un flujo dado.

Todo en términos de metros de pulpa!

Línea Piezométrica

48

49

ALT

UR

A TO

TAL

DE

BO

MB

EO

(TD

H)

Cho

ke H

ead

50

ALT

UR

A TO

TAL

DE

BO

MB

EO

(TD

H)

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

S Flujo

Altu

ra d

e Im

puls

ión

(met

ros)

Curva de operación del sistema

H E

stát

ica

Curva de Trabajo de Bomba Centrifuga

Punto de Operación

Q

H

Curva de Operación de Bombas


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

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)

75%

100%

125%

150%

175%

200%

225%

250%

275%

300%

325%

350%

375%

400%

0 500 1000 1500 2000 2500 3000Absorbed Energy (kJ/m3)

Percen

t of Fully She

ared

Wall She

ar Stress (%)

35.1%

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

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

0 20 40 60 80 100 120 140

Yield Stress (Pa)

Velo

city

(m/s

)

Vtrans6"

Typical Copper Tailings Turbulent Flow

Laminar Flow

dP/dL < 1.5 kPa/m dP/dL > 1.5 kPa/m

58

.26m

ytransV ρ

τ=

Reología de Diseño

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

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

63% 65% 67% 69% 71% 73% 75%

Tensión de Fluencia (Pa)

Concentración en peso (Cp)

Tensión de Fluencia de Bingham vs CpFully Sheared

� � � � � � � � � � �

� � � � � � � � � � � � � � � � �

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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

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