Transporte hidráulico

Transporte hidráulico de sólidos

Mecanica de Fluidos II

Transporte hidraulico de sólidos

Generalidades

z

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 Transporte mediante camiones Cinta transportadora Tubería

Por tubería o canales Por barco fluvial Por tren Por camión

0,30 - 0,40 0,10 - 0,15 0,01 - 0,04 0,001 - 0,01

US$/Ton x Km US$/Ton x Km US$/Ton x Km US$/Ton x Km

3 a 20 veces c.t.i. 4 a 8 veces c.t.i. 8 a 30 veces c.t.i. 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) CARBÓN: - Ohio, EE. UU. (1957) - Arizona, EE.UU. (1970) - Arkansas EE.UU. (1979) - Utah, EE.UU. (1981) - Francia - Polonia - Rusia Canadá

Longitud recorrida (Km) 174 440 1668 290 10 203 61 805

Diámetro tubería (pulg) 10 18 38 24 15 10 12 24

Capacidad

(millones ton/año)

1.3 4.8 25.0 10.0 1.5 1.6 12.0



Material transportado (año puesta marcha) CONCENTRADOS DE FIERRO: - Tansmania, Australia ( 1967) - Nueva Zelandia (1971) - México (1974) - México (1976) - México (1976) - Brasil (1977) - África - India

Longitud recorrida (Km) 86 10 48 32 27 400 266 58

Diámetro tubería (pulg) 9 8 y 12 8 8 10 20 16 20 y 22

Capacidad

(millones ton/año)

2.3 2.0 1.8 2.1 1.5 13 4.0 10



Material transportado (año puesta marcha) CONCENTRADOS DE COBRE - Bouganville , Indonesia (1972) - EE.UU. ( 1974) - Japón - Alumbrera, Argentina (1997) - Isacruz , Perú (1996)

Longitud recorrida (Km) 27 17 64 240-300 25

Diámetro tubería (pulg) 6 4 8 7 3,5

Capacidad

(millones ton/año)

1.0 0.4 1.0 1.1 0.4



Material transportado (año puesta marcha) CALIZAS FOSFATOS Y OTROS - Inglaterra (1964) - Colombia (1971) - Brasil - Trinidad - África del Sur - EE.UU.

Longitud recorrida (Km) 92 27 114 10 35 116

Diámetro tubería (pulg) 10 7 10 8 6 y9 6

Capacidad

(millones ton/año)

1.7 1.5 2.2 0.6 1.1 0.4


Aplicaciones en Chile Minera Collahuasi Escondida Línea 1 Escondida Línea 2 Pelambres Andina Línea 1 Andina Línea 2 Andina Línea 3 Disputada

nivel (msnm) partida descarga

Largo (Km)

diámetro caudal tubería (m3/hr) (pulg)

4400

0

200

7

111

3084

0

170

9

296

3159

0

179

6 y7

125

1600

0

120

7

141

3000

1100

21,5

Max 27

3000

1100

21,5

4 inicio 2,5 final 4 inicio y 3 final

3000

1100

21,5

6

124

3500

1000

56

20 y 24

2300

38,2

material pulpa de concentrado pulpa de concentrado pulpa de concentrado pulpa de concentrado pulpa de concentrado pulpa de concentrado pulpa de concentrado pulpa de mineral

Sólidos (%) 60 65 65 60 48 48 48 50 a 60


Descripción del proceso w

El sólido debe fácilmente.

poder

mezclarse

y

separarse

w

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

w

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


Descripción del proceso

w

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

w

La cantidad de fluido transportante debe ser adecuada


Fuerza impulsora z

Transporte gravitacional


Fuerza impulsora z

Transporte por bombeo


Variables w Dependiente • • • •

del sólido a transportar granulometría densidad forma dureza


Variables w Dependiente

del fluido transportante

•

Densidad

•

viscosidad


Variables w Dependiente

de la instalación

•

diámetro interno de la cañería

•

longitud

•

desnivel

•

rugosidad interna

•

ángulos de inclinación de la tubería

•

singularidades (estrechamiento, codos, etc.)


Variables

w Dependiente

de la mezcla

•

concentración de sólidos en volumen y en peso

•

densidad de la mezcla


Variables

w Dependiente

del sistema

•

tonelaje de sólidos a transportar

•

velocidad de flujo

•

perdida de carga


Consideraciones para el transporte de pulpa w

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

w

debe ser flexible para operar en un rango amplio de producción

w

debe tenerse en cuenta en su diseño problemas como: z z z z

corte de suministro de energía eléctrica falta de agua fallas operacionales temblores



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

w

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

w

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



sistema de comunicación confiable y con respaldo

w

para el diseño, deben realizarse pruebas de laboratorio

w

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


Consideraciones para el diseño w

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

w

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

w

el consumo de agua debe ser lo más bajo posible


Conceptos hidráulicos tamaño de las partículas sólidas w concentración de pulpa w viscosidad w velocidad límite w tasa de erosión w tasa de corrosión w pérdida de carga w selección de la tubería w bombas, válvulas y selección de disipadores de energía w


Criterios para elección de rutas w

análisis comparativo de varias rutas

w

utilizar la máxima pendiente posible, hasta un 15%

w

análisis simultáneo de permisos y propiedades de terrenos

w

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

w

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


Regímenes de flujo

w

Flujo de sólidos en suspensión homogénea w Las

partículas sólidas viajan a la misma velocidad del fluido w no existe gradiente de concentración local ni de granulometría w comportamiento hidráulico de la mezcla es muy similar a la de un fluido puro.


Regímenes de flujo

w

Flujo de sólidos en suspensión homogénea


Regímenes de flujo

w

Flujo de sólidos en suspensión homogénea

y

y

D

h

Vm

Vml

Vm

Vml


Regímenes de flujo

w

Flujo de sólidos en suspensión heterogénea w

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

w Se

forma un gradiente vertical de concentraciones y granulometrías


Regímenes de flujo

w

Flujo de sólidos en suspensión heterogénea


Regímenes de flujo

w

Flujo de sólidos en suspensión heterogénea

y

y

D

h

Vm

TUBERIA

Vml

Vm

CANAL

Vm


Regímenes de flujo

w

Flujo de sólidos con arrastre de fondo w 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 fluido

w Las

partículas más finas se mantienen en suspensión, viajan a la misma velocidad del fluido


Regímenes de flujo

w

Flujo de sólidos con arrastre de fondo


Regímenes de flujo

w



Regímenes de flujo

w



Regímenes de flujo

w

Flujo de sólidos con depósitos de fondo w Si

el flujo es débil, las partículas más pesadas de la fase sólida se depositan sobre el fondo de la tubería o canal, w 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

w

Flujo de sólidos con depósitos de fondo w El

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


Regímenes de flujo

w

Flujo de sólidos con depósitos de fondo


Regímenes de flujo

w

Flujo de sólidos con depósitos de fondo


Características del transporte hidráulico de sólidos. w

Carencia de una teoría bien desarrollada

w

Aleatoriedad en la fijación de las variables de estudio

w

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


Características del transporte hidráulico de sólidos. w

Los estudios aludidos se centraron en tres parámetros : w velocidades

límites de depósito (VL)

w pérdidas

de carga en mezclas sólido-líquido o coeficiente de manning

w tasas

de desgaste.


Velocidad límite de depósito. w

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 w Granulometría

de las partículas sólidas

w densidad

relativa de las partículas sólidas

w diámetro

de la tubería

w concentración w inclinación w pH

de sólidos de la mezcla

de la tubería

de la pulpa



En menor grado, VL también depende de: w factor

de forma de las partículas sólidas

w temperatura

de la mezcla



Influencia de la granulometría w

" v L " α (d50 )

w

" v L " α (% + 65 mallas )

w

0.4 → 0.8

0.2 → 0.4

vL

0.0 → 0.2 ( d80 ) α

d50



Influencia de la granulometría



Influencia de la densidad relativa de los sólidos w Es

nula para partículas boyantes

w Aumenta

con la densidad relativa entre el sólido y el

líquido. w

" v L " α (s - 1 )

0.3 → 0.5



Influencia de la densidad relativa de los sólidos



Influencia del diámetro de la tubería w Crece w para

con el diámetro de la tubería

tuberías de pequeño diámetro

" v L " α D 0.3 → 0.5 w para

tuberías de gran diámetro

" v L " α D 0.2 → 0.4



Influencia del diámetro de la tubería



Influencia de la altura de escurrimiento en un canal w

Escasos en canales

w Mas

importante que la altura de escurrimiento es la altura critica

w

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



Influencia de la altura de escurrimiento en un canal w

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

w

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 w

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

w

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



Influencia de la concentración de la mezcla



Influencia de la concentración de la mezcla w

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

" v L " α Cv 0.2 → 0.3

w

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

w

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.


Velocidad límite de depósito.

w

Influencia de la inclinación de la tubería o del canal w no existe influencia para un fluido puro. w

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


Velocidad límite de depósito.

w

Influencia de la inclinación de la tubería o del canal



Influencia de la inclinación de la tubería o del canal w

(VL ) : velocidad límite de la tubería horizontal

w (VL)m:velocidad

límite máxima contrapendientes del orden de 30°.

w (VL

(para

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



Influencia de la inclinación de la tubería o del canal w

para trabajar con contrapendientes es necesario mayor velocidad de flujo

w

el incremento puede alcanzar valores de hasta un 15%.

w

Pocos estudios experimentales.

w

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


Pérdida de carga en tuberías w

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 CV3 CV2 CV1

ua ag

VL

CV1 < CV2 < CV3

log V



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

w

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: Φ =

donde: z z z

Jm - J 0 Cv J 0

Jm : pérdida de carga de la pulpa J0 : pérdida de carga del agua Cv : concentración de sólidos en volumen

y es función de las siguientes variables: z z z z

granulometría de la partículas densidad relativa de la partículas diámetro de la tubería velocidad de flujo


Pérdida de carga en tuberías

w

Deficiencias entre los estudios realizados w no consideran la distribución granulométrica de las partículas sólidas w no

toman en cuenta la influencia del ángulo de inclinación de la tubería


Pérdida de carga en tuberías

w

Deficiencias entre los estudios realizados (cont.) w

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

w 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

w

El desgaste que sufren inevitablemente las instalaciones de transporte hidráulico de sólidos tiene dos causas principales w la abrasión mecánica debido al choque continuo de las partículas sólidas contra la pared y w

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


Desgaste de la tubería w

influyen en la abrasividad de un flujo sólido-líquido w

Tamaño

w

dureza

w

densidad

w

forma de las partículas

w

concentración de sólidos

w

velocidad

w

características geométricas y mecánicas de la líneas.



las variables importantes de controlar para un sistema dado son: w la velocidad media de la mezcla w

los cambios bruscos en la dirección del flujo



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

Tasa abrasión = V 2,0 → 3,0



La abrasión local por los cambios de dirección puede controlarse w diseñando

las curvas con radio amplio ( superiores a 50 diámetros)

w instalando

curvas

protecciones antiabrasivas en codos y



La corrosión electroquímica puede tener múltiples causas w

presencia de oxígeno u otros gases en el flujo

w

influencia catalitica de los reactivos

w

pH ácido, etc

Transporte hidráulico

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