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Relaves de alto espesamiento: Desafíos en el diseño del sistema de transporte

Los relaves altamente espesados tienen un comportamiento fluido-dinámico más complejo y en su transporte presentan pérdidas de carga por fricción mucho mayores que las de un relave convencional.

Artículo elaborado por Ray Martinson, de Paterson & Cooke.

En la actualidad existe mucho interés en lograr que los relaves sean espesados a altos niveles de densidad, de modo de reducir al máximo el consumo y costo asociado al agua fresca, logrando adicionalmente una reducción de costos en el sistema de disposición de relaves; esto, debido al menor requerimiento de muros de contención. Otro beneficio de los relaves espesados es la menor generación de infiltraciones del agua contactada en el suelo natural.

No obstante, esa favorable intención tiene su contrapartida en lo que se refiere al transporte de estos relaves altamente espesados, ya que tienen un comportamiento fluido-dinámico más complejo y presentan pérdidas de carga por fricción (gradiente hidráulico) mucho mayores que las de un relave convencional.

Si se desea incrementar el contenido de sólidos en un relave, al punto en que este no exude agua en el depósito, se deberá obtener típicamente un producto que se sitúe en el rango de 60% a 70% de contenido de sólidos en peso. En esa condición, el relave presentará una reología bastante alta, en que la Tensión de Fluencia (Yield Stress) podrá estar normalmente en el rango entre 40 Pa y 60 Pa. El concepto de Tensión de Fluencia se relaciona con el modelo de comportamiento fluido-dinámico tipo Plástico de Bingham, característico de la mayor parte de los relaves mineros.

Una reología alta implica operar con velocidades de flujo altas, debido a la necesidad de operar en régimen turbulento. A modo de ejemplo, una Tensión de Fluencia de 40 Pa implica una velocidad de transición (laminar-turbulento) del orden de 4,0 m/s, y una Tensión de Fluencia de 60 Pa deriva en una velocidad de transición cercana a 4,9 m/s. No hay certeza, ni empírica ni teórica, de que sistemas de relaves puedan operar en régimen laminar sin requerir mayores gradientes hidráulicos para su transporte, respecto de lo necesario en un flujo laminar completamente homogéneo. La experiencia existente indica, tanto en plantas industriales como en planta piloto, que hay significativos incrementos en las pérdidas de carga para sistemas de transporte que operan bajo régimen laminar (caso planta CTP en Kimberley-Sudáfrica, conducción de 5,5 km y 350 mm de diámetro), debido al fenómeno denominado segregación en régimen laminar. La ocurrencia de este fenómeno fue confirmada también por Paterson & Cooke al desarrollar pruebas piloto de loop de cañerías, usando relaves frescos de Codelco Norte (ver presentación en seminario Tailings 2013, Pipe Loop Tests – Successful Experience in Chile). Las últimas investigaciones realizadas a nivel mundial no han logrado establecer bajo qué condiciones un flujo en régimen laminar será o no estable en el tiempo.

Sistemas de distribución de gran longitud

Desde el punto de vista de la depositación se produce que para tonelajes altos se requiere cubrir longitudes muy importantes con varias descargas de relaves operando de manera simultánea (de modo de reducir los flujos unitarios). La gran longitud a cubrir y el número importante de descargas en operación obligan a conocer muy bien el modo en que la pulpa se comportará a lo largo de la conducción desde el punto de vista fluido-dinámico. Es el caso de algunos diseños que están considerando más de 30 descargas operando a la vez, con longitudes de más de 1.600 m.

En este momento Minera Centinela dispone de un sistema de distribución de relaves que opera con una longitud de 1,1 km y con 20 descargas operando a la vez. Este sistema funciona desde mayo de 2014 y ha sido un primer paso en lograr diseños confiables en distribuciones de gran longitud.

El diseño hidráulico de sistemas de transporte de gran longitud, por tanto, conlleva desafíos muy relevantes para efectos de garantizar la estabilidad de los flujos descargados y para lograr una distribución lo más uniforme posible a lo largo de las múltiples descargas en operación.

Un sistema operando de modo desbalanceado implicará una distribución de caudales no uniforme, lo que podría significar un bloqueo de la zona extrema de la línea de distribución, con la consecuente implicancia de complejidades en la operación. En relación con este aspecto, la ejecución de pruebas de transporte en loop piloto de tuberías es una herramienta de gran utilidad para establecer las características fluido-dinámicas de la pulpa en particular en estudio y así lograr un diseño confiable del sistema de distribución.

En términos de diseño, la línea de distribución deberá ser de tipo telescópica, de modo de evitar tener tramos operando en régimen laminar y así manteniendo controladas y bien determinadas las pérdidas de energía y la estabilidad del sistema. Por otra parte, el diseño de una línea de distribución de gran longitud implica que las descargas ubicadas en la zona de inicio de la tubería presentarán presiones de entrada mucho más altas que las que se ubiquen en la zona extrema final de la línea de distribución. Esta situación obliga a disponer de un sistema de control o manejo de esas presiones, de modo de que efectivamente se logre la distribución uniforme de flujos. Esto se puede lograr con mucha confiabilidad por medio del uso de placas orificio en cada descarga.

Adicionalmente, un sistema de distribución de relaves de gran longitud requiere de instrumentación para monitorear el comportamiento hidráulico del mismo. Esta instrumentación deberá incluir medición de flujos principales y mediciones de presión de distintos puntos a lo largo de las conducciones, las cuales permitirán confirmar el nivel de equilibrio o desequilibrio que tiene el sistema de transporte en cualquier momento de la operación y, además, posibilitarán corroborar el comportamiento de estas pulpas espesas, desde el punto de vista de las pérdidas de carga en los distintos tramos de la conducción.

Bombas y tuberías

En cuanto a los sistemas mecánicos de impulsión de pulpas de alto espesamiento, siempre se debate sobre el tipo de bombas que resulta más conveniente. Algunos sostienen que usar bombas centrífugas tiene la ventaja de un menor costo de inversión y un suministro más rápido, pero las bombas de desplazamiento positivo tienen mayor eficiencia que las de tipo centrífugo, por lo tanto, un consumo eléctrico menor, lo que es un factor muy relevante de considerar.

Esta elección dependerá además de las condiciones de bombeo necesarias: en un sistema que exige una gran altura de impulsión (entre 500 y 1.000 m de altura dinámica) se necesita colocar varias bombas en serie en una o más estaciones de bombeo, para el caso centrífugo, lo que hace que la opción de bombas de desplazamiento positivo sea una opción atractiva.

Respecto de la elección de las tuberías para el transporte de relaves de alto espesamiento, con reologías de 40 Pa o más, se requiere que operen bajo condiciones bastante exigentes de velocidad y, por lo tanto, la definición adecuada de los materiales de revestimiento interno de estas tuberías es crucial. Hay que evaluar el uso de HDPE, caucho natural o bien poliuretano y estimar de modo acucioso las tasas de desgaste esperadas en ellas. Las pruebas de desgaste en laboratorio pueden ser de gran ayuda para establecer el material más conveniente desde el punto de vista económico y también para evaluar la tasa de abrasión esperada.

 

Artículo preparado por Ray Martinson de Paterson & Cooke.