ASPECTOS CLAVES EN EL TRANSPORTE DE PULPAS ESPESADAS Ray Martinson RayM@Patersoncooke.com 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 RayM@Patersoncooke.com 61