Memoria para optar al título de Ingeniero Civil de Minas / 02/05/2024

Ingeniero Civil / El transporte hidráulico de sólidos es una tecnología profusamente usada en la industria minera, tanto en el proceso de transporte interior de la planta concentradora como desde ésta hasta la planta de filtros, en el puerto de embarque del concentrado, o hasta el depósito de relaves. El proceso de transporte no está exento de riesgos, particularmente en los sistemas de transporte presurizado de pulpas de minerales. Al ser una suspensión acuosa de sólidos (más de una fase), están sujetos a un proceso de segregación. Esto ocurre en el evento de bajas velocidades y especialmente ante detenciones programadas y no programadas del sistema. Aparece un cuestionamiento importante ante el requerimiento de proceder a una detención. Si bien una condición segura es detener el sistema sólo después de la descarga del mineral en curso y reemplazo con agua en el ducto, ésta tiene asociado un alto costo operacional, por el alto valor y escasez del agua, la energía asociada a la recirculación de esta agua y del tiempo de rellenar el sistema con pulpa. El criterio normalmente usado para una detención de una línea de transportes de concentrado es empaquetarlo con pulpa. La pregunta que se hace el operador es cuál es un tiempo seguro, sin riesgo de embanque y eventuales roturas de la línea, con las consecuencias de daño a las instalaciones y al entorno en general. En efecto, en una detención de un sistema de transporte de pulpa se producen acumulaciones de sólidos en los puntos bajos por migración gravitatoria, tanto axial como radial. Este fenómeno provoca un aumento de la densidad y alto grado de compactación en los puntos bajos y, en consecuencia, un aumento significativo de la resistencia que ofrece la masa sedimentada a ser resuspendida y dispersada, pudiendo llegar a niveles que impidan remover la pulpa sin sobrepasar las presiones de diseño, durante el re-arranque. Los diseños de los sistemas de transporte de pulpa procuran un trazado limitando las pendientes a valores máximos cercanos al 15%, principalmente para evitar el fenómeno de acumulación de sólidos durante una detención. Los diseños también limitan algunas características de las pulpas, imponiendo valores máximos de concentración de alimentación, porcentaje de partículas gruesas, viscosidad de la pulpa y tensión de fluencia, evitando condiciones de sobrepresión tanto en régimen estacionario como en régimen transiente, incluyendo los mencionados re-arranques luego de un periodo de detención con pulpa. La experiencia de la industria de la minería muestra que, luego de un periodo de detención con pulpa, se produce un aumento de las concentraciones en los puntos bajos y, consecuentemente, una disminución de ésta en los puntos altos. También se observa que el registro de densidad tiene directa relación con el perfil longitudinal del trazado de la línea de transporte, identificándose los cambios de densidad de la pulpa a dicho trazado, comprobando que la pulpa se traslada con densidad variable y bien correlacionada con el perfil. Las pulpas minerales transportadas hidráulicamente a largas distancias, por sus atractivos indicadores económicos, son principalmente los concentrados de hierro y de cobre y los relaves de cobre. En el presente trabajo se establece un modelo para relacionar algunos parámetros geométricos de la línea de transporte con las características de la pulpa y los patrones de acumulación de sólidos en los puntos bajos, para concentraductos de hierro. Se utilizan registros operacionales obtenidos durante la fase de Puesta en Marcha, Ramp Up y operaciones de concentraductos de hierro actualmente en operación. El análisis efectuado muestra un predictor para determinar el tiempo máximo de parada segura con pulpa, en función de las diferentes variables, considerando que las concentraciones medidas en el DIT, ubicado al final de la conducción, no registre una variación superior al 20% de la concentración media y que, con un adecuado grado de seguridad, no se acerquen a la concentración denominada como empaquetamiento o consolidada. Las conclusiones a que arriba el presente trabajo de tesis, son las siguientes: Se producen aumentos locales de la concentración de la pulpa en los puntos bajos, luego de una detención en el transporte hidráulico y estos aumentos son sensibles a la masa de sólidos que se transporta por gravedad hacia estos puntos. La masa de sólidos que se transporta a los puntos bajos es a su vez dependiente del tiempo de duración de la detención y de la velocidad de sedimentación, que a su vez es dependiente de las características de la pulpa y de la geometría, especialmente las pendientes que propician la convergencia de sólidos en estos puntos bajos. Se establece un modelo que predice el aumento de la concentración en los puntos bajos (Cp), sobre la base de registros de detenciones en concentraductos de hierro. Efectuado un análisis de sensibilidad a las distintas variables que influyen en la determinación del tiempo máximo de detención, se concluye que las variables más influyentes, entre las que se pudo analizar por disponibilidad de datos, son la concentración de la pulpa y las pendientes convergentes a los puntos bajos. Otras variables que teóricamente deben influir, tanto en masa de sólidos que se desplaza hacia un punto bajo como al tiempo de detención máximo asociado, son el tamaño característico de partículas viscosidad de la pulpa, la densidad del sólido (s) y el diámetro de la conducción (D).

Ingeniero Civil Mecánico / En minería el concepto de flotación es muy ocupado en la industria sobre todo en plantas de concentrado, con el cual se genera una selección de minerales económicamente deseables. Dicho proceso sucede en equipos llamados celdas de flotación. En dichos procesos, la utilización de agua es esencial, recurso el cual es muy escaso actualmente en nuestro país. Por lo anterior, se deben implementar nuevas tecnologías que permitan ocupar la menor cantidad de agua posible para estos procesos. Bajo este contexto, el profesor Gonzalo Montes en conjunto con su grupo de trabajo del departamento de Ingeniera Civil en Minas de la Universidad de Chile, diseño un prototipo de celda el cual pretende solucionar el problema planteado. Este funciona en base a dos fuerzas externas que interactuando en conjunto producen el efecto deseado. Estas fuerzas son generadas mediante los principios del hidrociclón y campos magnéticos. De lo anterior nace el tema de memoria a tratar, el cual tiene como objetivo principal estudiar el comportamiento fluido dinámico de prototipo ya mencionado bajo distintas condiciones operacionales y geométricas, mediante análisis teórico, ocupando el método CFD (Computational Fluids Dynamics). Para poder llevar acabo dicho análisis, se sigue la siguiente metodología de trabajo. Primero se realiza revisión bibliográfica, antecedentes generales de los temas relacionados con la memoria. Al instante en que concluye dicha actividad, se procede a variar la geometría del prototipo original de la celda en Autodesk Inventor 2017. Se realizan las simulaciones correspondientes en el software ANSYS 17.1. Luego, se procede a variar la concentración de sólidos y se analiza el efecto en prototipos de celda. Realizando simulaciones en el software ANSYS 17.1, en donde se generan variados modelos con diferentes porcentajes de concentración. Cabe destacar, que en el presente trabajo no se realizarán actividades experimentales para el análisis de la celda. Para realizar el trabajo ya señalado se necesita un computador de cálculo, el cual está disponible en el clúster del Departamento de Ingeniería Civil Mecánica de la Universidad de Chile. Además de los Softwares Microsoft Office 2013, ANSYS 17.1 y Autodesk Inventor 2017, presentes en el equipo antes señalado Finalmente, se procede adjuntar los resultados obtenidos en las actividades y realizar un análisis con respecto al comportamiento viscoso, condiciones operacionales de la celda y dispersión de aire en la celda. Concluyendo en base a criterios de diseño y rangos de operación para el prototipo de celda de flotación.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / En la minería nacional existe una creciente demanda por el uso de agua para procesos, debido, entre otros factores, a una futura predominancia de plantas de concentración de cobre, que tienen un uso intensivo del recurso hídrico. El equipo responsable del mayor consumo de agua en las plantas de concentración es la celda de flotación, en la cual bajo principios físicos y químicos, se logra separar la ganga del mineral de interés, en este caso cobre. Bajo este escenario, en el departamento de Ingeniería Civil de Minas de la Universidad de Chile se está desarrollando un prototipo de celda de flotación, que es diferente a las celdas tradicionales tanto geométrica como operativamente, con el fin de llegar a un diseño que sea capaz de trabajar con pulpas más espesas y así poder disminuir el consumo de agua en el proceso. Dicho lo anterior, el tema de memoria tiene por objetivo general estudiar y caracterizar el comportamiento fluidodinámico transiente de nuevos prototipos de celdas de flotación cónicas utilizando una metodología CFD. Por otro lado, los objetivos específicos son: Estudiar el comportamiento de las celdas de flotación frente a distintas concentraciones de sólidos en la pulpa. Estudiar el comportamiento de las celdas de flotación frente a distintos caudales de inyección de aire. Caracterizar el comportamiento de las celdas de flotación estudiadas. Definir las directrices de diseño que debe tener una celda de flotación cónica. La metodología de trabajo contempla una revisión bibliográfica, seguida de simulaciones CFD a 2 geometrías de celdas de flotación cónicas inspiradas en un una celda experimental, para así identificar problemas de diseño y elaborar una nueva geometría que logre definir las directrices de diseño que hay que seguir para construir celdas de flotación cónicas más eficientes, todo respaldado por simulaciones de condiciones de operación representativas. Los resultados arrojan que las geometrías cónicas existentes, desarrolladas por el departamento de Ingeniería Civil de Minas, tienen un desempeño hidráulico deficiente en cuanto a la separación de fases, debido a el gran diámetro de la celda que causa campos de velocidades tangenciales bajos, lo cuales no propician la separación hidráulica. Se concluye que las geometrías experimentales actuales no cumplen con los requisitos de operación mínimos y deben hacerse cambios significativos en el diseño, disminuyendo la relación largo/diámetro de la celda y modificando la disposición de sus entradas y salidas.