bombas y pulpas transporte

Transporte de Pulpas

Escuela de Ingeniería QuímicaMecánica de Fluidos

Objetivos

Aplicar los principios de la mecánica de fluidos en el planteamiento y resolución de problemas prácticos, relacionados con el transporte de pulpas.

Desarrollar la capacidad basado en conocimientos teórico-prácticos para seleccionar, diseñar y evaluar equipos de impulsión de pulpas.

Temario

GeneralidadesTransporte de pulpas en canalesTransporte de pulpas en tuberíasSistema de bombeo de pulpasSistemas de disipación de energíaConsideraciones generales de diseñoTecnología aplicada a pulpasProblemas operacionales de movimiento de pulpas en larga distanciaSistemas de medición y control en pulpas de larga distancia.

GeneralidadesExisten importantes yacimientos mineros en la cordillera

sobre 2500 metros de alturadifícil accesopoco espacio para instalación de plantas

La tendencia actual es separar el yacimiento del concentrador

Por lo tanto, es necesario diseñar un sistema de transporte adecuado

abastecimiento continuo y confiablecostos de inversión y operación razonable

Generalidades

Las soluciones más habituales para el transporte de productos mineros son

camionesvía férreaandarivelcinta transportadora ytransporte hidráulico

GeneralidadesCamiones

diseño de una red vialchancado primario cerca de los yacimientossistema de protección para el inviernosistema simplecostos en general altos

Vía férreano se utiliza en Sudaméricalas pendientes son altas

Generalidades

Andariveles interesanteproblemas con avalanchas de nieve y vendavaleslimitado si aumenta la producción

Transporte mediante cintarequiere trazados rectosproblemas de acceso en invierno para mantencióncostos de inversión y operación altos

Generalidades

Transporte hidráulico

permite transportar grandes cantidades de sólido a gran distancia y en forma continuael fluido transportante normalmente es aguala planta de molienda debe estar cerca del yacimientoen algunos casos, también el concentradorel sistema más utilizado es transporte hidráulico en presión

GeneralidadesVentajas del transporte hidráulico de sólidos

posibilita desarrollar trazados sinuososse comporta bien en grandes desnivelesadaptable a cualquier topografíamínimo efecto en condiciones climáticas adversaspara gran variedad de productos de la industria mineraen algunos casos permite alejar la planta del yacimiento

Generalidades

Ventajas del transporte hidráulico de sólidos

permite operación continua y comando remotomenores costos de operacióncostos de inversión competitivosrequiere mínima mano de obra, alta productividadmínimo impacto ambiental

Generalidades

Comparación de costos de transporte de sólidos

Transporte mediante andarivel 0,30 - 0,40 US$/Ton x KmTransporte mediante camiones 0,10 - 0,15 US$/Ton x KmCinta transportadora 0,01 - 0,04 US$/Ton x KmTubería 0,001 - 0,01 US$/Ton x Km

Generalidades

Aplicaciones de los sistemas de transporte de pulpa en minería:

Transporte de concentrado desde mina hacia puerto o estaciones ferroviarias (Escondida, Collahuasi, Pelambre, Alumbrera, Andina)Transporte desde la mina al concentrador (Los Bronces/Las Tórtolas, Sewel/Colón, Pelambres/Chacay)Transporte de relaves (Teniente, Andina, La Granja)

Generalidades

Proyectos mineros de transporte de pulpaCompañía Producto Tipo conducción Dimensiones Largo (kms) Producción (KTD) Inicio

Teniente Relaves Canal de concreto ancho : 1,4 m 80 110 1983Disputada Mineral Tubería de acero diámetro : 20" 56 37 1992Escondida Concentrado Tubería de acero diámetro : 6" y 9" 185 4 - 5 1992 - 1995Iscaycruz (Perú) Concentrado Tubería de acero diámetro : 3,5" 25 1 1996Alumbrera (Argentina) Concentrado Tubería de acero diámetro : 7" 240 - 300 3 - 3 1997Collahuasi Concentrado Tubería de acero diámetro : 7" 195 3 1998Andina Relaves Canal de concreto ancho : 1,2 m 87 65 1998

GeneralidadesConsideraciones para el transporte de pulpa

el sistema debe ser capaz de conducir la máxima producción de la faena mineradebe ser flexible para operar en un rango amplio de produccióndebe tenerse en cuenta en su diseño problemas como:

corte de suministro de energía eléctricafalta de aguafallas operacionalestemblores

contar con un sistema de detección de bloqueo y fugas y piscinas de emergencia

GeneralidadesConsideraciones para el transporte de pulpa (cont...)

los accesorios deben tener sistemas stand-by que permitan la mantención y prever problemas de erosión y corrosión.

los operadores deben tener una clara concepción de los problemas que podrían tener en el sistema.

sistema de comunicación confiable y con respaldo

para el diseño, deben realizarse pruebas de laboratorio

el diseño, construcción y operación deben estar completamente de acuerdo a la legislación vigente

Generalidades

Consideraciones para el diseño

para el transporte de minerales a molienda o relaves a los tranque de depósito, son preferibles los canales abiertos a las tuberías

para los concentrados, las líneas gravitacionales presurizadas son la mejor solución (tuberías)

el consumo de agua debe ser lo más bajo posible

Generalidades

Conceptos hidráulicos

tamaño de las partículas sólidasconcentración de pulpaviscosidadvelocidad límitetasa de erosióntasa de corrosiónpérdida de cargaselección de la tuberíabombas, válvulas y selección de disipadores de energía

GeneralidadesCriterios principales de elección de rutas

análisis comparativo de varias rutas

utilizar la máxima pendiente posible, hasta un 15%

análisis simultáneo de permisos y propiedades de terrenos

plataforma de un mínimo de 10 a 12 metros para instalar la tubería

en los cruces de ríos, la tubería debe estar enterrada bajo la profundidad máxima de erosión

Generalidades

Componentes principales del sistema

estación de bombeoestación de disipaciónestación de válvulasestanques de almacenamientoestación terminaltubería

Transporte de pulpa en canales

Para el diseño de canales se consideran dos aspectos principales:

fórmula de Manningconcepto de velocidad límitePara flujo uniforme, la fórmula de Manning es:

32

21 HRS

inQ

×=×

donde:RH : Radio hidráulicoS : área de escurrimienton : coeficiente de rugosidad de Manningi : pendiente del canal


Coeficientes de Manning de los materiales más usuales utilizados en canaletas de pulpa:

Material nHDP 0.011Hormigón 0.013Acero 0.012Madera pulida 0.014Goma 0.012


La velocidad de escurrimiento debe ser mayor que la velocidad límite de depósito, vL.La velocidad límite se puede calcular como:

[ ] 25,0LL 1)-(Shg2F1,25 v ×××××=

donde:FL : parámetro de McElvain y Cave (depende del tamaño y concentración de sólidos)h : alturas : gravedad específica de los sólidos


Otra forma de calcular la vL es mediante la ecuación de Domínguez:

158,0

H

85

5,0

m

msHL R

dρ

)ρ(ρRg81,83 v ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ −××××=

donde:ρs : densidad del sólidoρm : densidad específica de la mezclaRH : radio hidráulico


Normas para el dimensionamiento de canales:

alturas de escurrimiento distintas de la altura crítica para evitar resaltos (turbulencia, aireación y salpicaduras)

número de Froude mayor que 1,1 o menor que 0,9 de manera que el flujo sea abiertamente río o torrente

número de Froude menor que 3,0 porque si la pendiente es muy alta se generan flujos supercríticos con ondas (olas) altas

en minería se utilizan ductos circulares, canales rectangulares y eventualmente trapeciales.

Transporte de pulpa en tuberías

Los factores más importantes para el transporte de pulpa en tuberías son:

velocidad límite de depósitopérdida de carga o resistencia al flujo

La velocidad límite determina la mínima velocidad de flujo de manera que no exista riesgo de depósito y obstrucción de la tubería.


Los parámetros que influyen en la velocidad límite son:

granulometría de las partículas sólidasdensidad relativa de las partículas sólidasdiámetro de la tuberíaconcentración de sólidos de la mezclainclinación de la tuberíapH de la pulpa


Los modelos tradicionales para predecir la velocidad límite son:

Fórmula de Voccadlo y Sagoo

donde, W : velocidad de sedimentación de las partículas

Fórmula de McElvain y Cave

en que:[ ] 3

1WDg1)-(SC8,4 v VL ×××××=

[ ] 21

1)-(SDg2F v VL ××××=

)C,(d F V50L f=

Gráfico de Mac-Elvain y Cave

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

0,01 0,10 1,00

D50 [mm]

F LCv = 30%Cv = 20%Cv = 10%Cv = 5%


Adicionalmente, desde el punto de vista empírico, se ha encontrado que:

vL [m/s] Granulometría1.5 5% + 65#2.1 15% + 65#2.4 20% + 65#2.7 25% + 65#


La relación entre la resistencia de una pulpa y el agua varía de acuerdo al % de sólidos de la pulpa del modo siguiente:

log J

log V

CV1

CV3CV2

VL

aguaCV1 < CV2 < CV3


Se define la diferencia unitaria de pérdida de carga, Φ, como:

donde:Jm : pérdida de carga de la pulpaJ0 : pérdida de carga del aguaCv : concentración de sólidos en volumen

y es función de las siguientes variables:granulometría de la partículasdensidad relativa de la partículasdiámetro de la tuberíavelocidad de flujo

0

0m

JCvJ - J Φ

×=


Para flujo en tuberías, se emplea la expresión de Darcy:

donde λ es el coeficiente de fricción y depende del número de Reynolds y de la rugosidad de la tubería

2gDV - λ J

2

×= ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

DεRe,λ λ


Existen varios modelos para predecir la pérdida de carga, todos basados en el parámetro adimensional Φ,

Método de Durand

Método de Newitt

Método de McElvain y Cave

5,1

d2

DgCv

176 Φ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

××

×=

3v1)(SWDg1.100 Φ −×××

×=

0mL J1,1 J V1,3 V si ×=⇒×>

Sistemas de bombeo de pulpas

a

b c

d

Características hidráulicas para definir un sistema de transporte de pulpa:

Carga estática de succión : distancia vertical entre a y b.Pérdida de entrada : 0,5 veces altura de velocidad de succiónPérdida de carga en la succión : pérdida entre a y bAltura estática de descarga : distancia vertical entre c y dPérdida de carga en la descarga : pérdida de descarga entre c y dPérdida de salida : altura de velocidad de descargaPresión requerida en punto de descarga : depende del tipo de descarga

Sistemas de bombeo de pulpas

Los tipos de bomba más usuales son:

bombas centrífugasbombas de desplazamiento positivobombas especiales

Bombas centrífugas

Corresponden a una adaptación de la bomba de agua corriente, con modificaciones para resistir

la presiónla carga extra por el peso de la pulpalos problemas mecánicos de los sellos

son las más utilizadas en plantas de beneficio

la altura de impulsión máxima no más allá de 60 m.

para bombas en serie, la presión final no debe ser superior a 700 psi

Bombas centrífugas

la velocidad periférica del rodete impulsor estálimitada a 25 m/s (600 a 1800 RPM), para minimizar el desgaste

Los impulsores y carcazas deben estar revestidos interiormente por:

fundas de goma sintética,poliuretano o aleaciones niqueladas o acero al manganeso

debe considerarse la pérdida de eficiencia debido a los sólidos

Bombas centrífugas

Corrección de las curvas característicaslas curvas entregadas por el fabricante corresponden al funcionamiento de las bombas con agua pura.el factor de corrección es el siguiente:

donde:H : altura de impulsión de la bombaHw : altura de impulsión de agua puraHR : factor de corrección

HRH H w=

Bombas centrífugas

Modelo de McElvain y Cave para determinación de HR

El modelo propone la siguiente ecuación:

donde:20

C K - 1 HR v×=

( )50dS,K K =

Bombas centrífugas

Determinación de K McElvain y Cave

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.01 0.1 1.0 10.0

8.005.004.00

3.002.55

2.00

1.80

1.25

1.10

SK

D50 [mm]

Bombas centrífugas

Modelo de Sillgren para determinación de HRel modelo propone la siguiente ecuación:

donde:Cp : concentración de la pulpa en pesoCd : coeficiente de arrastre

este modelo permite trabajar con pulpas de hasta 20% en volumen

0,25d

0,70,7p

C1)(SC0,32

- 1 HR−××

=

Bombas centrífugas

Otros aspectos importantes de considerar en el diseño de un sistema de bombeo son:

el punto de funcionamiento de la bomba debe ser estableel estanque debe tener un tiempo de residencia superior a un minuto para pulpas sin espumade dos a tres minutos para pulpas con fuerte espumaciónla forma del estanque debe evitar embanques, formación de torbellinos o succión de espumael montaje de la bomba no debe tener bolsas de aire en su interiordeben considerarse las normas de mantención dadas por el fabricante

Bombas de desplazamiento positivo (pistón)

Se utilizan para impulsión de pulpas a grandes distancias o con fuertes diferencias de nivel

se logran presiones de hasta 3.000 psi

tienen alta eficiencia de bombeo (90%)

pueden tomar carga por encima de las condiciones de trabajo (partida rápida)

la velocidad de flujo se limita a 4 m/s

tienen alto costo de instalación y mantención

Clasificación

Clasificación de las bombas según el tamaño de partícula:

Tamaño de partícula Tipo de Bomba MaterialMalla 3/8" (10 mm) Bomba dragadora Acero, Mn, otras aleaciones

Bomba arena y grava Fe duro revestido de gomaimpeler cerradopartículas redondeadas

Malla 8 (2,5 mm) Bombas de arena Revestida en goma o poliuretanoImpeler cerrado

Malla 16 (1 mm) Bomba de pulpa Revestida en goma o poliuretanoImpeler abierto Aceros especialesBomba de desplazamiento positivo

Control de velocidad

El control de velocidad es importante debido a las variaciones que se producen en la fase pulpaLos métodos más utilizados son:

poleas en Vacoplamientos hidráulicosacoplamientos magnéticosmotores de velocidad variable (los más utilizados)motores embobinadoaccionamiento de embrague

Sistemas de disipación de energía

Cuando se dispone de energía exceso para el transporte (sobra altura de carga), se debe liberar el flujo excedente.

El sistema más utilizado es el de anillos de disipación de energía

Estos anillos se introducen en el interior de la tubería provocando estrechamientos y ensanches bruscos.

Se fabrican de un injerto de material cerámico fundido sobre una matriz metálica


Anillo de disipación de energía


Anillo de disipación de energía

se pueden disipar hasta 50 - 60 m de pulpa

velocidades al interior del anillo de 32 - 35 m/s

la pérdida de presión en el orificio, es:

41

2

dQK H ×

=


Disposición de los anillos

Anillos variablesAnillos fijos

son permanentes en la línea con pérdida de carga constante

la pérdida de carga se regula mediante una válvula de control


Anillo variable

Válvula de control

Anillo disipador


Cavitación en anillos disipadores

debido a que la presión en los anillos disminuye fuertemente, aumenta el peligro de cavitación

para evitar esto, en las estaciones disipadoras, el sistema se recubre con goma o poliuretano

los anillos con mayor peligro de cavitación se ubican al final de la estación (a veces se diseñan con diámetros mayores)

Consideraciones generales de diseñoCaracterización del sólido a

transportarVariables:

Densidad del sólidoGranulometría del sólidoForma de las partículasVelocidad de sedimentaciónConcentración de sólidosDensidad relativa de la pulpaTemperatura de la pulpaViscosidad de la pulpapH

Consideraciones generales de diseño

Rangos de flujo

El caudal requerido para un flujo dado es:

dondeTMSPH : toneladas métricas de sólido transportadas por horaCp : concentración de sólidos en pesoS : densidad relativa del sólido

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×=

sm3

S1 - 1 -

C1

3.600TMSPH Q

p


Para el caso de sistemas restringidos, se debe manipular el % de sólidos de manera de mantener constante el caudal

el caudal mínimo estará dado para una mínima producción y S y Cp máximos

el caudal máximo estará dado para una máxima producción y S y Cp mínimos

los caudales mínimos transportables quedan definidos por la velocidad mínima de sedimentación


Zona de trabajo sistema de transporte

Tonelajemínimo

Tonelajeoperación

Tonelajemáximo

Concentraciónmínima

Concentraciónoperación

Concentraciónmáxima

Caudal mínimo

Caudal operación

Caudal máximo Punto deoperación

Cp

TMSPH


Selección del tipo de ducto de conducción

Para conducción en presióntransporte horizontaltransporte a altura

La tubería debe ser de acero


Selección del tipo de ducto de conducción

Para conducción gravitacional

Consideracionesel trazado por tubería para un mismo sistema es menor que el trazado por canaletael costo de la canaleta es mucho menor que el de tubería

Referenciapara conducciones mayores de 200 L/s, y para trazados por canaleta el doble que por tubería, se recomienda tuberíapara caudales menores que 200L/s, conducción en presión

Selección del tipo de bomba

Existen dos tipos de bombaBombas centrífugas de pulpaBombas de desplazamiento positivo

Bombas centrífugas de pulpaeficiencias sobre 60%presiones hasta 700 psi (en serie)duración de elementos desgastables hasta 1000 horas.

Selección del tipo de bomba

Los aspectos importantes son:costosaltura de impulsión

El sistema con bombas centrífugas es más económico

las bombas de desplazamiento positivo son convenientes para:

grandes alturas de impulsiónpulpas extremadamente viscosas

Selección del tipo de tubería

Los tipos más utilizados son:

Acero comerciales el más utilizadose fatiga sobre 28.000 psialto desgaste y corrosión interna y externa

aceros de alta resistenciase fatiga sobre 65.000 psialto costo

Selección del tipo de tubería

Los tipos más utilizados son (Contin):

Plásticaspueden ser de PVC, polipropileno, polietileno, HDP, etc..fáciles de instalarpresiones menores que 100 a 200 psi

Acero revestido de polietilenose busca resistencia a la corrosión y soportar altas presiones

Válvulas de pulpa

Dada las características abrasivas de la pulpa, no es conveniente utilizar válvulas de laberinto, de mariposa o de compuerta (de agua)

la selección se basa en dos factoressi actúa como estrangulamiento ocomo válvula de corte

Válvulas de pulpa

Válvula Pinch

mangas de goma flexible que reduce su área de flujo mediante pinzas o aire comprimidola precaución es que se usen con una coraza metálica exterior para absorber las sobrepresiones y no entren en resonancia

Válvulas de pulpa. Continuac

Válvula de bolaespeciales para flujos viscosos o con sólidos en suspensión

Válvulas de conosimilares a las de bolapero cuentan con un sello hidráulico que permite reducir el torque

Problemas operacionales en canales

El depósito en el fondo local provoca formación de ondas superficiales (desborde)

aumenta el riesgo de embanques mayores

también se forman resaltos hidráulicos, lo que aumenta el área y disminuye el caudal.

hay riesgo de caída de animales y gente

si el canal es por excavación, para velocidades mayores de 4 m/s, se sigue profundizando.

Problemas operacionales en tuberías de pulpa

desgaste de líneas de pulpa (abrasión mecánica y electroquímica)

fenómeno de migración (por cortes de flujo)

vaciado de pulpa (drenaje de la línea)

Sistemas de medición y control

Tuberías a presiónla instrumentación más adecuada es la no obstructiva (externa o parte de ella)

Las variables más importantes son:caudal de pulpa (o velocidad)densidad de pulpapresión relativa o absoluta


Medición de caudal de pulpaflujómetros magnéticosmedidores ultrasónicos

Densidad de pulpadensímetros de absorción radiactiva o ultrasónicapesaje de un ramal de la línea


Canaletasmedición de nivelespHtemperatura de la pulpa

Medición de nivelesultrasónica

bombas y pulpas transporte

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