transporte hidráulico

Transporte hidráulico de sólidos

Mecanica de Fluidos II

Transporte hidraulico de sólidos

Generalidades

El transporte hidráulico de sólidos, constituye una

operación ampliamente utilizada desde hace varios

años en numerosas industrias y especialmente en el

campo de la minería


Generalidades

– permite transportar grandes cantidades de sólido a gran distancia y en forma continua

– el fluido transportante normalmente es agua

– la planta de molienda debe estar cerca del yacimiento

– en algunos casos, también el concentrador

– el sistema más utilizado es transporte hidráulico a presión


Generalidades

– posibilita desarrollar trazados sinuosos

– se comporta bien en grandes desniveles

– adaptable a cualquier topografía

– mínimo efecto en condiciones climáticas adversas

– para gran variedad de productos de la industria minera

– en algunos casos permite alejar la planta del yacimiento


Generalidades

– permite operación continua y comando remoto

– menores costos de operación

– costos de inversión competitivos

– requiere mínima mano de obra, alta productividad

– mínimo impacto ambiental


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

Por tubería o canales 3 a 20 veces c.t.i. Por barco fluvial 4 a 8 veces c.t.i. Por tren 8 a 30 veces c.t.i. Por camión 80 a 100 veces c.t.i.


Aplicaciones en minería

– Transporte de concentrado desde mina hacia puerto o estaciones ferroviarias

– Transporte desde la mina al concentrador

– Transporte de relaves



Material transportado (año puesta marcha)

Longitud recorrida

(Km)

Diámetro tubería

(pulg)

Capacidad (millones ton/año)

CARBÓN: - Ohio, EE. UU. (1957) 174 10 1.3 - Arizona, EE.UU. (1970) 440 18 4.8 - Arkansas EE.UU. (1979) 1668 38 25.0 - Utah, EE.UU. (1981) 290 24 10.0 - Francia 10 15 1.5 - Polonia 203 10 - - Rusia 61 12 1.6 Canadá 805 24 12.0




Longitud recorrida

(Km)

Diámetro tubería

(pulg)


CONCENTRADOS DE FIERRO: - Tansmania, Australia ( 1967) 86 9 2.3 - Nueva Zelandia (1971) 10 8 y 12 2.0 - México (1974) 48 8 1.8 - México (1976) 32 8 2.1 - México (1976) 27 10 1.5 - Brasil (1977) 400 20 13 - África 266 16 4.0 - India 58 20 y 22 10




Longitud recorrida

(Km)

Diámetro tubería

(pulg)


NCENTRADOS DE COBRE Bouganville , Indonesia (1972) 27 6 1.0 EE.UU. ( 1974) 17 4 0.4 Japón 64 8 1.0 Alumbrera, Argentina (1997) 240-300 7 1.1 Isacruz , Perú (1996) 25 3,5 0.4

CO-----




Longitud recorrida

(Km)

Diámetro tubería

(pulg)


CALIZAS FOSFATOS Y OTROS - Inglaterra (1964) 92 10 1.7 - Colombia (1971) 27 7 1.5 - Brasil 114 10 2.2 - Trinidad 10 8 0.6 - África del Sur 35 6 y 9 1.1 - EE.UU. 116 6 0.4


Aplicaciones en Chile

nivel (msnm) Minera

partida descarga

Largo (Km)

diámetro tubería (pulg)

caudal (m3/hr) material Sólidos

(%)

Collahuasi 4400 0 200 7 111 pulpa de concentrado 60

Escondida Línea 1 3084 0 170 9 296 pulpa de

concentrado 65

Escondida Línea 2 3159 0 179 6 y 7 125 pulpa de

concentrado 65

Pelambres 1600 0 120 7 141 pulpa de concentrado 60

Andina Línea 1 3000 1100 21,5 4 inicio

2,5 finalMax 27

pulpa de concentrado 48

Andina Línea 2 3000 1100 21,5 4 inicio y

3 final 38,2 pulpa de concentrado 48

Andina Línea 3 3000 1100 21,5 6 124 pulpa de

concentrado 48

Disputada 3500 1000 56 20 y 24 2300 pulpa de mineral

50 a 60


Descripción del proceso

El sólido debe poder mezclarse y separarse fácilmente.

No deben existir riesgos, como por ejemplo taponamiento de la cañería debido a interacciones entre las partículas, trayendo como consecuencia aglomeración de ellas.

El sólido a transportar no debe reaccionar ni con el fluido transportante ni con la tubería.


Descripción del proceso

El desgaste y ruptura que sufren las partículas durante el transporte no deben tener efectos adversos para el proceso posterior de ellas.

La cantidad de fluido transportante debe ser adecuada


Fuerza impulsora

Transporte gravitacional


Fuerza impulsora

Transporte por bombeo


Variables

Dependiente del sólido a transportar• granulometría• densidad• forma• dureza


Variables

Dependiente del fluido transportante

• Densidad

• viscosidad


Variables

Dependiente de la instalación

• diámetro interno de la cañería

• longitud

• desnivel

• rugosidad interna

• ángulos de inclinación de la tubería

• singularidades (estrechamiento, codos, etc.)


Variables

Dependiente de la mezcla

• concentración de sólidos en volumen y en peso

• densidad de la mezcla


Variables

Dependiente del sistema

• tonelaje de sólidos a transportar

• velocidad de flujo

• perdida de carga


Consideraciones para el transporte de pulpa

el sistema debe ser capaz de conducir la máxima producción de la faena minera

debe ser flexible para operar en un rango amplio de producción

debe 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

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


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


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


Criterios para 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


Regímenes de flujo

Flujo de sólidos en suspensión homogénea

Las partículas sólidas viajan a la misma velocidad del fluidono existe gradiente de concentración local ni de granulometríacomportamiento hidráulico de la mezcla es muy similar a la de un fluido puro.


Regímenes de flujo



Regímenes de flujo


y

D

Vm Vml

h

y

VmlVm


Regímenes de flujo

Flujo de sólidos en suspensión heterogénea

los sólidos se mantienen en suspensión pero las partículas más pesadas tienden a caer pero sin llegar al fondo de la tubería

Se forma un gradiente vertical de concentraciones y granulometrías


Regímenes de flujo



Regímenes de flujo


y

D

Vm Vml

y

h

VmVm

TUBERIA CANAL


Regímenes de flujo

Flujo de sólidos con arrastre de fondo

Las partículas más pesadas son transportadas, ya sea a saltos, rodando o deslizandose por el fondo de la tubería viajando a una velocidad menor que la del fluidoLas partículas más finas se mantienen en suspensión, viajan a la misma velocidad del fluido


Regímenes de flujo

Flujo de sólidos con arrastre de fondo


Regímenes de flujo

Flujo de sólidos con depósitos de fondo

Si el flujo es débil, las partículas más pesadas de la fase sólida se depositan sobre el fondo de la tubería o canal, Presentándose un lecho fijo de sólidos o un tren de dunas a baja velocidad por la parte inferior del ducto y una nube de partículas arrastradas y/o suspendidas por encima de éstas.


Regímenes de flujo


El flujo con depósito estable de fondo, se presenta generalmente a bajas concentraciones y tamaños de sólidosLas dunas móviles son usuales en espectros granulométricos anchos y concentraciones importantes.Poco aconsejable trabajar en este régimen de flujo.


Regímenes de flujo



Características del transporte hidráulico de sólidos.

Carencia de una teoría bien desarrollada

Aleatoriedad en la fijación de las variables de estudio

Obtención de modelos matemáticos que predicendel comportamiento global de un sistema de transporte hidráulico de sólidos


Características del transporte hidráulico de sólidos.

Los estudios aludidos se centraron en tres parámetros :

velocidades límites de depósito (VL)

pérdidas de carga en mezclas sólido-líquido o coeficiente de manning

tasas de desgaste.


Velocidad límite de depósito.

Mínima velocidad de flujo para que no exista riesgo de depósito y obstrucción de la tubería



Los parámetros que influyen en la velocidad límite son

Granulometría de las partículas sólidas

densidad relativa de las partículas sólidas

diámetro de la tubería

concentración de sólidos de la mezcla

inclinación de la tubería

pH de la pulpa



En menor grado, VL también depende de:

factor de forma de las partículas sólidas

temperatura de la mezcla



Influencia de la granulometría

( d "v" 0.8 4.050L

→α )

( ) mallas 65 % "v" 0.4 2.0L

→+α

( )50

0.2 0.080

L dd α v

→



Influencia de la granulometría



Influencia de la densidad relativa de los sólidos

Es nula para partículas boyantes

Aumenta con la densidad relativa entre el sólido y el líquido.

( ) 1-s "v" 0.5 3.0L

→α



Influencia de la densidad relativa de los sólidos



Influencia del diámetro de la tubería

Crece con el diámetro de la tubería

para tuberías de pequeño diámetro

para tuberías de gran diámetro

D "v" 0.5 3.0L

→α

D "v" 0.4 2.0L

→α



Influencia del diámetro de la tubería



Influencia de la altura de escurrimiento en un canal

Escasos en canales

Mas importante que la altura de escurrimiento es la altura critica

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



Influencia de la altura de escurrimiento en un canal

número de Froude mayor que 1,1 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



Influencia de la concentración de la mezcla

puede crecer, ser constante o decrecer con la concentración de sólidos en la mezcla

depende del tipo de sólido que se transporte y del rango de concentraciones




Entre un 10 a un 25 % la velocidad límite crece con la concentración.

Sobre un 30% en volumen, la velocidad límite empieza a decrecer suavemente con un aumento de la concentración

bajar VL parece no ser una buena política, por riesgos de obstrucción de difícil refluidización es mayor en una pulpa a gran concentración que en una a baja concentración.

Cv "v" 0.3 2.0L

→α



Influencia de la inclinación de la tubería o del canal

no existe influencia para un fluido puro.

en mezclas sólido-líquido influye en la formación de dunas sobre el fondo de la tubería




(VL ) : velocidad límite de la tubería horizontal

(VL)m:velocidad límite máxima (para contrapendientes del orden de 30°.

(VL )a : velocidad límite de la tubería vertical ascendente, ella corresponde a la velocidad de sedimentación de la partícula de mayor tamaño del espectro granulométrico




para trabajar con contrapendientes es necesario mayor velocidad de flujo

el incremento puede alcanzar valores de hasta un 15%.

Pocos estudios experimentales.

La pendiente de los canales es del orden de 1% al 3%, no existe influencia sobre la velocidad límite


Pérdida de carga en tuberías

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

CV1

CV3CV2

VL

aguaCV1 < CV2 < CV3

log J

log V



El aumento de velocidad para una velocidad dada, implica un aumento en la energía gastada en mantener las partículas sólidas en suspensión.

El aumento de velocidad homogeniza la suspensión y la mezcla tiende a comportarse como un líquido puro.



Al producirse depositación, el choque de las partículas contra la pared provoca una disipación muy fuerte de energía, y la perdida de carga aumenta considerablemente aunque la velocidad de flujo disminuya



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

J CvJ - J Φ =



Deficiencias entre los estudios realizados

no consideran la distribución granulométrica de las partículas sólidas

no toman en cuenta la influencia del ángulo de inclinación de la tubería



Deficiencias entre los estudios realizados (cont.)

el parámetro Jm está dado en metros de agua y para el análisis de lineas gravitacionales debe transformarse a metros de pulpa

no se considera el efecto de pulido que provocan las partículas sólidas en la tubería, disminuyendo notablemente la perdida de carga del agua pura


Desgaste de la tubería

El desgaste que sufren inevitablemente las instalaciones de transporte hidráulico de sólidos tiene dos causas principales

la abrasión mecánica debido al choque continuo de las partículas sólidas contra la pared y

la corrosión electroquímica debido a la diferencia de potencial electroquímico entre la pulpa y el ducto



influyen en la abrasividad de un flujo sólido-líquido

Tamaño

dureza

densidad

forma de las partículas

concentración de sólidos

velocidad

características geométricas y mecánicas de la líneas.



las variables importantes de controlar para un sistema dado son:

la velocidad media de la mezcla

los cambios bruscos en la dirección del flujo



La tasa de abrasión depende de la velocidad en la siguiente razón:

3,0 2,0 V →=abrasiónTasa



La abrasión local por los cambios de dirección puede controlarse

diseñando las curvas con radio amplio ( superiores a 50 diámetros)

instalando protecciones antiabrasivas en codos y curvas



La corrosión electroquímica puede tener múltiples causas

presencia de oxígeno u otros gases en el flujo

influencia catalitica de los reactivos

pH ácido, etc

transporte hidráulico

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