MAESTRIA GEOMETALURGIAIng. Edgardo Soto H.
[email protected] El transporte de materiales a granel en forma de suspensión (pulpa) a través de los sistemas de tuberías es un método eficaz y eficiente. Examinaremos los principios básicos necesarios para el proyecto , el mantenimiento o la evaluación de los sistemas de bombeos y transporte de pulpas en las plantas concentradoras. El problema de transporte de pulpas minerales está relacionado principalmente con la estimación, a través de expresiones empíricas, de las pérdidas de carga entre dos puntos de una conducción. Pulpa: es una mezcla de un líquido con partículas sólidas. La combinación del tipo, tamaño, forma y cantidad de partículas junto con la naturaleza del líquido determinan las propiedades y características de la pulpa. Cambios en las características mineralógicas en el mineral (como por ejemplo un aumento en la presencia de arcillas) pueden producir cambios importantes en el comportamiento reológico de los productos. Pulpa no Newtoniana (coloides?): sólidos finos, están presentes en suficiente cantidad que forman una mezcla homogénea con alta viscosidad aparente que no sedimenta Pulpa Newtoniana: están formadas por partículas grandes y forman una mezcla inestable con alta tendencia a sedimentar. Tienen propiedades abrasivas y son las que se manejan en las plantas concentradoras. Se debe poner especial cuidado en el cálculo del flujo (velocidad de sedimentación) y potencia necesaria. Los flujos de mezclas bifásicas se clasifican de acuerdo a la forma como son arrastradas las partículas en el fondo de la tubería: Suspensión homogénea Suspensión heterogénea Saltos y movimiento en el fondo Saltos y lecho estacionario El transporte de pulpas se realiza en flujo turbulento, ya que la turbulencia permite la suspensión de las partículas. En algunos casos puede presentarse régimen de flujo laminar, si la concentración de sólidos es grande (Cp 75% a 80%). 1.- Características del sólido (mineral): Gravedad específica. Distribución granulométrica (tamaños característicos). Forma de las partículas. Angulo de fricción interna (resistencia al deslizamiento). 2.- Características del fluido (líquido): Viscosidad Densidad 3.- Características de la pulpa: Densidad Concentración de sólidos en peso (Cp) y en volumen (Cv). Viscosidad 4.- Ducto ( tubería, canal o acueducto): Forma Tamaño Pendiente Rugosidad 5.- Caudal volumétrico (Q) 6.- Aceleración de gravedad (g) 7.- Coeficiente de fricción (sólido – pared del ducto). 1.- El sólido no debe reaccionar químicamente ni con la fase líquida, ni con la tubería. 2.- No debe existir problemas de aglomeración y posterior obstrucción de la tubería. 3.- Las partículas de mineral deben poder mezclarse y separarse de la fase líquida. 4.- El desgaste y ruptura de las partículas producto de su transporte hidráulico no debe afectar las etapas posteriores. 1.- Elastómeros: - Caucho Natural: se emplean como revestimiento para bombear materiales menores a 6 mm. No se recomiendan para partículas de aristas vivas porque lo cortan. - Poliuretano: tiene buena resistencia a la abrasión y mejor comportamiento ante partículas cortantes que el caucho natural . - Caucho Sintético: (neopreno, butilo, etc.) son menos resistentes a la abrasión, tienen mayor resistencia al ataque químico que los cauchos naturales. Tienen más aplicación en la industria química. 2.- Aceros aleados: Se emplean cuando las condiciones de operación no sean adecuadas para los elastómeros (solidos gruesos > 6 mm o con aristas cortantes), altas velocidades periféricas y altas temperaturas. “Es la probabilidad de que un componente, equipo o sistema cumpla sin fallar con un desempeño preestablecido, por un período predeterminado, habiendo operado en el ambiente para el cual fue especificado". El personal de mantención enfocados hacia el estilo reparador ven un componente defectuoso y simplemente lo reemplazan. Los profesionales enfocados hacia la CM se preguntan ¿por qué falló?, ¿cómo?, ¿cuándo?, ¿qué ha cambiado?, ¿cuáles fueron las condiciones de operación?, ¿hay registros de temperatura, presión, vibración, lubricantes, etc.? para analizar todas las variables y determinar si algún mejoramiento es técnica y económicamente factible. La política de CM conduce a un proceso de mejoramiento continuo de la vida útil y de los costos de mantención y operación. “Es la extensión acumulada en tiempo, tonelaje de sólidos bombeados, volumen, etc., que se espera de un componente, conjunto o equipo antes de fallar o ser sustituido”. En otros casos, está subordinada al desempeño o rendimiento que al grado de deterioro (“lo que la pieza alcance a durar antes de que el desempeño o la eficiencia de la bomba caiga bajo cierto límite”). Se determina ponderando la estimación del fabricante con la experiencia acumulada en la instalación misma o de otras plantas similares. Cuando existen bombas stand by los TPEF pueden ser función de la disponibilidad mecánica del sistema. 1.- Mecánico: Ajustes incorrectos. Tolerancias fuera de especificación. Desalineamientos. Problemas de lubricación. Piezas mal seleccionadas o mal montadas. Refrigeración insuficiente. Torques de apriete bajos o excesivos. Desbalances del impulsor o poleas. Sellos con fugas. Tensiones o sobrecargas superiores a lo permitido. 2.- Instalación. Fundaciones o anclajes defectuosos. Sistemas de succión o descarga mal diseñados o mal instalados. Cañerías mal soportadas y/o ejerciendo tensión sobre la bomba. Obstrucción o arenamiento en las tuberías. Ingreso de aire y formación de bolsones. Sumergencia insuficiente. Turbulencia o formación de vórtices en la succión. 3.- Insuficiente NPSH: Un NPSH insuficiente (menor que el requerido por la bomba en su punto de operación) produce "cavitación". Además del daño directo por desprendimiento de material y vibración, la cavitación también genera grandes fluctuaciones de caudal (desde muy alto a cero) generando 'cabeceos' con fuertes cargas torsionales y axiales sobre el eje, rodamientos, acoplamientos, etc. El efecto dañino se puede propagar hacia el sistema de transmisión y motor. 4.- Velocidad de operación: La velocidad de una BC está determinada por la relación Caudal/ Cabeza (Q/H) o punto de operación, pero está sujeta a determinados límites mecánicos e hidráulicos. La velocidad máxima la establece el fabricante en función del diseño y la capacidad de los materiales y componentes (eje, rodamientos, sellos, pernería, lubricantes, etc.). La VM también está limitada (especialmente en las bombas de pulpa) por la velocidad periférica del impulsor; sobre éste limite aumenta considerablemente el daño por desprendimiento de material desde el impulsor y carcaza. El fabricante también establece las Velocidades Críticas de Resonancia; la operación de la bomba en o cerca de una velocidad de resonancia es desastrosa. Si la velocidad es superior a la requerida por el Q/H, la bomba demandará un caudal más alto de lo que el sistema es capaz de dar. Si no hay una válvula de control de flujo en la descarga, bajará el nivel en el estanque de succión, ingresará aire a la bomba, disminuirá o cesará el flujo y finalmente todo el sistema se tornará muy inestable y dañino. En bombeo de líquidos se puede usar una válvula en la descarga para controlar el flujo, pero en bombeo de pulpa esto no es aplicable. La velocidad de operación debe adaptarse a la variación de los parámetros Q y H, que son normalmente variables. Es recomendable emplear Variadores de Frecuencia (VF), para modular la velocidad del motor en función de las variaciones de Q/H. El empleo de VF tiene un efecto positivo sobre los equipos, costo de mantenimiento, energía y sobre todo la estabilidad de la operación. Las BC deben operar en el rango de 70% a 120% de su punto de mejor eficiencia (BEP), mientras más lejos de este rango, más graves serán los problemas de la bomba. Best Efficiency Performance BEP = 60% Rango de operación de la bomba: Mínimo = 0.70 x 60 % = 42 % Eficiencia Máximo = 1.20 x 60 % = 72 % Eficiencia Operando a muy bajo caudal se produce gran turbulencia y recirculación del fluido dentro de la bomba. Esto aumenta considerablemente la vibración y la carga hidráulica sobre el eje y rodamientos. En las bombas de pulpa, la turbulencia y recirculación acelera el desgaste en el impulsor, plato de succión y área del "corta agua". Cuando el caudal es inferior al Flujo Térmico Mínimo, (flujo mínimo necesario para extraer todo el calor generado por la energía del impulsor), el líquido interior se recalienta (puede vaporizarse) generando una situación extremadamente peligrosa. El ingreso de líquido frío puede producir daños desastrosos por el choque térmico e incluso un reventón de la carcaza. En bombeo de pulpa, un caudal muy bajo (con relación al diámetro de las cañerías) puede producir arenamiento. Cada bomba centrífuga tiene un Flujo Hidráulico Mínimo (lo determina el fabricante). La operación bajo este límite produce inestabilidad, vibración y falla prematura de rodamientos y sellos. Operando a caudal muy alto se agravan los problemas de cavitación y las cargas hidráulicas y mecánicas pueden sobrepasar la resistencia de diseño de la bomba. 5.- Tanque de alimentación: 1.- El fondo del tanque debe tener un ángulo de al menos 45°. Partículas de rápida sedimentación pueden requerir hasta 60°. 2.- El volumen del tanque debe ser tan pequeña como sea posible. El tamaño de la partícula es el parámetro para el tiempo de retención de la pulpa; menos de 15 segundos para partículas gruesas, y hasta 2 minutos para partículas finas. 3.- La conexión del tanque a la bomba de pulpa debe ser tan corta como sea posible. Una regla básica es que la longitud sea 5Ø de la tubería de succión y tenga el mismo diámetro que el ingreso de la bomba. Debe evitarse longitudes superiores a 10Ø de la tubería. 4.- La introducción al tanque debe ser preferentemente bajo la superficie del líquido (y desde luego sobre el ingreso de la bomba) para evitar el ingreso de aire. Es especialmente importante con espumas de pulpas de flotación. La cabeza total (o energía) H del fluido a lo largo de la tubería se compone de: - La cabeza estática Z, igual a la posición vertical de la sección de tubo. - La cabeza de presión Hp, obtenida a partir de un medidor de presión P en la tubería. - La cabeza de velocidad Hv, que puede calcularse. H = Z + Hp + Hv ECUACION DE BERNOULLI 2 V Hv = 2g ρ.g.H.π.D W= 4 A= π.D 4 2 2 P = ρ.g.H P Hp = ρ.g La velocidad límite (vL ) corresponde al parámetro que determina la mínima velocidad de flujo para que no exista riesgo de sedimentación y obstrucción de la tubería. En la práctica se fijan velocidades de flujo en relación con la velocidad límite de depósito de la siguiente forma: v ≥ 0.9 VL en sectores con pendientes a favor del flujo mayores a un 5%. V ≥ 1.1 VL en sectores con pendientes en contra o a favor del flujo menores a 2%. v ≥ 1.15 VL en sectores con pendientes en contra del flujo superiores al 5%. (Rango 1.05 a 1.15) mcp Para flujos con velocidad superior a la velocidad límite, éste se transporte en régimen heterogéneo y las pérdidas de carga friccionales se calculan con la fórmula de Darcy para fluido puro, considerando la viscosidad de la pulpa transportada. Nota: (1/9.81) = 0.102 = + + Hm: cabeza dinámica total en mcp Z: cabeza estática (Z = Zd – Zs) en mcp Hf: cabeza por fricción en mcp Hc: cabeza por el nido de ciclones en mcp mcp = Hw: HR: f: ER = cabeza dinámica total en mca ratio de corrección de cabeza factor de contingencia 0.9 para pulpa no espumosa (cabeza y relaves) 0.7 para pulpa espumosa (concentrados) eficiencia de la bomba con agua en % eficiencia de la bomba con pulpa ratio de corrección de la eficiencia de la bomba = 1.01976 Pi: Q: Hm: Sm: Ƞm : Potencia absorbida por el eje de la bomba en Kw Caudal de pulpa en L/s Cabeza Dinámica Total en mcp Gravedad específica de la pulpa Eficiencia de la bomba corregida para pulpa = PM: Pi : : ȠM : D: Potencia en el eje del motor eléctrico en Kw Potencia en el eje de la bomba en Kw Factor de contingencia (0.10 a 0.20) Eficiencia del motor eléctrico (0.95) Factor de derrateo por la atura (ver tablas) SE RECOMIENDA CONSIDERAR UN FACTOR DE CONTINGENCIA DEL 20% = − + − Para evitar daños por la cavitación de la bomba. > requerid NPSH availlable se calcula del sistema de succión de la bomba. NPSH requerido se extrae del Chart de Performance de la bomba. Atmospheric Head Para obtener las Head de acuerdo al msnm. Vapour Head Si la altura de impulsión requerida es muy grande y no es posible utilizar una sola bomba, se instalan ƞ bombas en serie. Normalmente las bombas alcanzan una altura de 60 m de agua. = á Si el caudal a impulsar es muy grande y no es posible utilizar una sola bomba, se instalan ƞ bombas en paralelo. Normalmente las bombas deben trabajar con un rendimiento de 55 a 70%. = á GRACIAS