bombas de pulpa

8/3/2019 Bombas de pulpa

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32 - Febrero 1998 - Americas Mining

Selección de bombas deSelección de bombas deSelección de bombas deSelección de bombas deSelección de bombas depulpa para minimizar elpulpa para minimizar elpulpa para minimizar elpulpa para minimizar elpulpa para minimizar el

desgastedesgastedesgastedesgastedesgaste

Selección de bombas deSelección de bombas deSelección de bombas deSelección de bombas deSelección de bombas depulpa para minimizar elpulpa para minimizar elpulpa para minimizar elpulpa para minimizar elpulpa para minimizar el

desgastedesgastedesgastedesgastedesgasteAutor: Departamentos Técnicos de WARMAN y ERAL

INDICE

1.- Introducción

2.- Estudio del desgaste

en bombas

3.- Forma y diseño de la

bomba

4.- Diseño del rodete

6.- Influencia de los

álabes expulsores

7.- Desgaste comparativo

8.- Efecto del caudal

9.- Aplicaciones de bajo

caudal

9.1 Voluta de bajo caudal

9.2 Rodete de admisión

reducida

10.- Resumen

11.- Conclusión

RESUMEN

Los desgastes en las bombas centrífugas para pulpasinfluyen en las características hidráulicas de la bomba y en su duración. Este artículo refleja los resultados deuna investigación detallada de la influencia del caudal

de pulpa y del tamaño de partículas de los sólidos sobreun modelo de desgaste típico en una bomba centrífuga.Se incluyen varias recomendaciones y futuras re-

ferencias para la selección de bombas a fin de reducirel desgaste.

1. IntroducciónLas bombas centrífugas para

pulpas se utilizan para manipu-lar sólidos definidos en una granvariedad de aplicaciones. En con-secuencia, están sometidas a des-gastes por erosión a causa delcontacto entre las superficies hú-medas de la bomba y las partícu-las de la pulpa que se bombea. Eldesgaste resultante se mide nor-malmente en términos de pérdi-da de peso por unidad de superfi-cie, o por reducción del espesorpor la acción dinámica de la pul-pa. Al final, es la reducción delespesor lo que determina la viaútil de las piezas de la bomba.

Aparte del consumo de ener-gía, la principal preocupación delos usuarios de bombas para pul-pas es el desgaste por erosión.

Con el tiempo se produce un cam-bio de dimensiones y de la rugo-sidad superficial de las piezasque, en consecuencia, afecta alfuncionamiento, rendimiento yfiabilidad.

La selección de bombas parapulpas, pensando en minimizarlos desgastes, precisa un conoci-miento cuidadoso del sistema y

de la interacción entre éste y labomba. La geometría de la bom-ba y los materiales de construc-ción influyen en su duración.También son importantes otrasvariables del sistema, incluyendola altura manométrica, el caudaly las características de la pulpa(tamaño y forma de la partícula,viscosidad aparente, etc.).

Este informe analiza la selec-



Americas Mining - Febrero 1998 - 33

ción óptima de una bomba depulpas para un servicio determi-nado. Se han ignorado las consi-deraciones sobre mayeriales, paracentrarse en la geometría ycatacerísticas de diseño más ade-

cuadas para conseguir desgastesy costos de operación mínimos enuna aplicación concreta.

2. Estudios del desgaste

en bombasLas tres piezas de desgaste

principales de una bomba centrí-fuga para pulpas son: el rodete,el cuello de aspiración y la volu-ta, tal y como se muestra en laFigura 1. Cada una de estas pie-

zas se desgasta a un ritmo distin-to con tamaños de partículas ycaudales de operación diferentes.El Departamento de I+D deWARMAN ha realizado el primerestudio completo, examinandolos efectos que el caudal de pul-pa y el tamaño de partícula pro-ducen en los desgastes, utilizan-do una bomba modelo 6/4 AHcon piezas blandas de hierro fun-

dido, para produ-cir unos desgastes acelerados (1).Además, otros trabajos más re-cientes de WARMAN se han cen-trado en los efectos de la veloci-dad de la bomba y diseño del ro-dete.

Las siguientes recomendacio-nes están, en gran parte, basadasen este trabajo.

3. Forma y diseño de la

bombaLa forma básica de las bombas

centrífugas se determina con unnúmero sin dimensión llamadoVelocidad Específica (Ns=f(H,Q,N). Para una altura (H) yun caudal (Q) dados, hay una re-

lación inversa entre el diámetrodel rodete (D2) y la velocidad de

rotación (N) en el punto de dise-ño o Punto de Mejor Rendimien-to (BEP) de la bomba. Un rodetede diámetro grande precisa unavelocidad de rotación lenta,mientras que un rodete pequeñotiene que girar más rápidamentepara alcanzar una altura determi-nada. La relación diámetro/an-

chura, o forma, está caracteriza-da por la Ns (una cantidad sindimensión). Con las bombas parapulpas no es práctico funcionarcon diseños Ns relativamente al-tos, a causa del desgaste produ-

cido por altas velocidades de giro.Por otra parte, no es práctico te-ner rodetes de baja Ns, por susbajos rendimientos y escasa ca-pacidad para el paso de sólidos.La Figura 2 indica la gama típicade rendimiento que puedenconseguirse con diversas Ns. Losrendimientos máximos se produ-cen con Ns de aprox. 0,8. Lasbombas para pulpas con buenascaracterísticas de desgaste, gene-

ralmente, una Ns en la gama 0,3- 0,8, con la mayoría de diseñospara servicios pesados sobre Ns= 0,5.

1ª RECOMENDACIÓN Para aplicaciones en servicio pesado, elegir Ns = 0,40 - 0,55. Para aplicaciones en servicios medio a pesado, elegir Ns = 0,55- 0,60.

Fig. 1- Las tres piezas de desgaste principales de una

bomba centrífuga

Fig. 2 - Variación del rendimiento de una bomba con la

velocidad específica.




4. Velocidad de giroAlgunos diseñadores de plan-

tas establecen límites de veloci-

dad de giro de los rodetes de lasbombas para pulpas, por debajode los correspondientes a unabuena práctica normal. Esto tie-ne como consecuencia unadeficnición, de hecho, de la Ve-locidad Específica para un servi-cio determinado (ya que se danlas tres variables, H, Q y N, deNs). Las consecuencias de estapráctica son el empleo de dise-ños con Ns bajos, que producen

rendimientos muy inferiores a losque serían normalmente acepta-bles.

Si los ingenieros de plantas de-sean imponer limitaciones de ve-locidad en las bombas para pul-pas, tendría más sentido utilizarcomo criterio la velocidad peri-férica o tangencial del rodete.Esto no produce una limitaciónde la Ns y permite una slección

de D2

y N quecumpla óptima-mente con el ser-vicio requerido.

La velocidadperiférica tiene un

efecto significati-vo en el desgastedel rodete. En unensayo de erosióncon chorro per-pendicular, el rit-mo del desgastevaría, típicamente,con un valor entreel cuadrado y elcubo de la veloci-dad de choque (2).Sin embargo, en elrodete de unabomba, un aumen-to de la velocidadde giro no sola-mente cambia lavelocidad periféri-

ca sino la velocidad relativa depaso y los ángulos de choque so-bre los álabes. Un incremento dela velocidad de giro del rodete, a

un caudal relativo constante, pro-duce un aumento en el ritmo dedesgaste de,aproximadamente,el cuadrado de larelación de veloci-dades. Si el caudalrelativo no se man-tiene constante,produce un aumen-to en el ritmo dedesgaste de,

aproximadamente,el cuadrado de larelación de veloci-dades. Si el caudalrelativo no se man-tiene constante, elíndice de desgaste(WR) puede variarsignificativamentepor su dependenciadel caudal. Esto se

ilustra en la Figura 3.Los límites de la velocidad pe-

riférica los establecen las propie-dades físicas del material del ro-dete (generalmente el esfuerzo detracción), sin embargo, las reco-

mendaciones para obtener un rit-mo óptimo de desgaste se basan,por lo general, en la experienciacon diversos tipos de pulpas. Enaplicaciones con servicios parti-cularmente ultrapesados, no esextraño utilizar dos bombas aco-pladas en serie, a fin de reducirlas velocidades periféricas reque-ridas para conseguir la alturamanométrica de servicio. Esta so-lución puede proporcionar des-gastes y costos operativos más bajos, aún cuando los costos de ca-pital son obviamernte mayores.

2ª RECOMENDACIÓN Si es necesario limitar la velocidad, no especificar la velocidad de giro de la bomba; utilizar lavelocidad periférica.

5. Diseño del rodete

La necesidad, cada vez mayor,

Fig. 3 - Efecto de la velocidad del rodete en el desgaste

Fig. 4 -Diferencia entre rodetes para servicio pesado y

de alto rendimiento




de costos de operación cada vezmás bajos en las plantas de pro-cesos, ha obligado a diseños derodetes de alto rendimiento. Unbuen diseño de alto rendimientopuede incrementar éste en un10% sobre el diseño de serviciopesado. La Figura 4 muestra unnúmero de diferencias entre losdiseños tradicionales para servi-cio pesado y los de alto rendi-miento. Esto surge debido a los

distintos servicios pretendidospara cada rodete y los tipos dedesgaste resultantes.

Las pulpas con partículas grue-sas (d

85> 700 um) tienden a se-

guir una ruta distinta a la del flui-do, ya que la fuerza de inercia delas partículas son mayores que lasde rozamiento ejercidas sobre elfluido. Los patrones de desgastetípicos consisten en surcos pro-fundos donde haya cualquier

cambio de dirección del flujo (verFig. 5). En las pulpas con partí-culas finas (d

85< 100 um) éstas

siguen la misma ruta del fluido.Esto significa que donde se

crea una separación o torbellinoen el flujo, puede producirse unaerosión seria por la acción de lossólidos finos retenidos. Las con-secuencias para el diseño y selec-ción son significativas.

1.- Alabes gruesos de curvatura reducida, debido a la trayectoriamás corta y el mayor ángulo desalida de las partículas mayores.

2.- Caras paralelas con salidaancha, para evitar el bloqueo delas partículas gruesas y reducirla componente transversal de lavelocidad.

3.- Alabes de expulsión en la carafrontal, para reducir el desgastecentrifugando las partículas másgruesas hacia la de la voluta y

fuera de la zona entre el rodete yel cuello de aspiración.4.- Elevado ángulo de salida del

álabe y rodete de salida ancha,lo que supone un coeficiente deelevación mayor y, por tanto,

Fig. 5 -

Trayectorias

de

partículas

finas y

gruesas en

un rodete.

menor velocidad de rotaciónpara desarrollar una determinadaaltura manométrica.

El diseño de rodetes de altorendimiento debe incluir:1.- Alabes girados delgados con

án gulo de entrada variable a lolargo del borde de ataque, y unacurvatura larga del álabe paraacoplarse de forma óptima a latrayectoria del fluido.

2.- Sección transversal decreciente,para asegurar una velocidad desalida uniforme y una aceleración gradual del fluido en laszonas de paso.

3.- Caras frontales y traserassuaves, para evitar torbellinoslocales y pérdidas asociadas a

los álabes expulsores.4.- Menor ángulo de salida del

álabe y pasos más estrechos, deun menor coeficiente de elevación y unmayor rendimiento de la bomba.

Aunque los rodetes de alto ren-dimiento son considerablementemás livianos que los de serviciopesado, su duración puede serigual o mayor en pulpas con par-tículas finas. Esto se debe al re-

ducido nivel de turbulencia (ma-yor rendimiento) asociado a susálabes curvados y sección decre-ciente. En la Figura 6 se muestrael efecto del tamaño de partículasobre el desgaste con diferentes

Fig. 6.-

Efecto

del

tamaño

de

partícula

sobre el

desgaste

con

diferentes

rodetes




tipos de rodetes. En este caso, unrodete de alto rendimiento tieneun ritmo de desgaste mucho másbajo con tamaños de partículasmenores de 500 um. Con partí-culas de 150 um, un rodete de altorendimiento tiene la mitad dedesgaste (en términos de pérdidade masa).

3ª RECOMENDACIÓN Con pulpas de partículas fi-

nas, la utilización de rodetes de alto rendimiento no solamente reduce el consumo de energía,

sino también el ritmo de desgaste.

6. Influencia de los álabes

expulsoresEl desgaste del cuello de aspi-

ración depende mucho del tipo derodete y tipo de pulpa que se ma-nipula. Para pulpas con partícu-las gruesas mayores de 200 um,los álabas expulsores actúan re-duciendo el desgaste del cuellode aspiración centrifugando lossólidos gruesos y evitando unarecirculación significativa hacia

la entrada del rodete, en el inters-ticio entre el rodete y el cuello deaspiración. La figura 7 muestra elefecto del tamaño de partícula enel desgaste del cuello de aspira-ción.

Por ejemplo, cuando se bom-bean partículas de 1.000 um eldesgaste del cuello de aspiracióncon un rodete de alto rendimien-to puede ser cinco veces superiorque con un rodete de servicio pe-sado con álabes expulsores. Esteaspecto necesita ser consideradocuidadosamente cuando se selec-ciona el tipo de rodete. La elec-ción de un rodete de alto rendi-miento para manipular partículasde 500 um puede ser la mejoropción en cuanto al desgaste delrodete, pero puede que no lo seapara el del cuello de aspiración.

4ª RECOMENDACION Para maximizar la duración

del cuello de aspiración con par- tículas gruesas, utilizar rodetes para servicio pesado con álabesexpulsores

7. Desgaste comparativoAdemás de las consideraciones

específicas para piezas individua-

Fig. 7.-

Efecto del

tipo de

rodete y

tamaño de partícula en

el desgaste

del cuello

de

aspiración.

Fig. 8.- Indices de desgaste comparativo en bombas con

rodete para servicio pesado

Fig. 9.- Indice de desgaste comparativo en bombas con

rodete de alto rendimiento




les, la selección ópti-ma precisa un cono-cimiento del desgas-te relativo de las trespiezas principales. Alfinal, la duración y la

fiabilidad están limi-tadas por la pieza«más débil» de labomba. También, amenudo, es el ritmode desgaste local, yno del desgaste pro-medio (en toda la su-perficie), el que de-termina el fallo deuna pieza. La Fig. 8es un comparativo dedesgastes locales enel rodete, voluta ycuelo de aspiracióncon una gama de ta-maños de partícula,para un rodete de ser-vicio pesado. Conpartículas finas, lapieza de mayor des-gaste es el cuello deaspiración, mientras

que con partículasgruesas lo es el rode-te. Esta situacióncambia ligeramenteen bomabs conrodetes de alto rendi-miento. En este caso,el desgaste del cuellode aspiración puedellegar a ser tres vecesmayor en toda lagama de tamaño de

partículas analizada.Esto se ilustra en laFig. 9.

Las consecuenciasde estos diferentesíndices de desgasteaconsejan, al selec-cionar los materialesde cada pieza, elegiruno que proporcioneuna duración en

múltiplos de la pieza de menordesgaste. Por ejemplo, enuna si-tuación en la que el cuello de as-piración tuviera la mitad de du-ración del rodete, siendo ambaspiezas de acero con alto conteni-

do en cromo, merecería la penaconsiderar el uso de un cuello deaspiración de elastómero, o inclu-so uno cerámico, más caro, a finde dilatar el período de manteni-miento.

5ª RECOMENDACIÓN Al seleccionar los materiales,

tener en cuenta el desgaste comparativo para poder optimizar el período de mantenimiento y los costos de las piezas.

8. Efecto del caudalSi bien el ritmo de desgaste en

una bomba es generalmente pro-porcional a las toneladas de sóli-dos manipuladas por esa bomba(para cualquier caudal dado), elcaudal real de operación relativoal caudal de diseño, o caudal Q

BEP,

tiene un efecto dramático en eldesgaste de piezas individuales.

La Fig. 10 muestra las caracterís-ticas de desgaste de un rodetepara servicio pesado que manipu-la una pulpa gruesa. En este grá-fico, el desgaste del rodete esmínimo, alredeeedor de 0,8 Q

BEP,

aumentando hasta duplicarlo alaproximarse a Q

BEP. Por el con-

trario, el desgaste del cuello deaspiración disminuye en esagama de flujos, mientras que elde la voluta no cambia mucho. En

este caso, sería mejor que la bom-ba funcionase en la gama 0,7 - 0,8Q

BEP, para segurar un desgaste

mínimo del rodete y de la voluta.Aún cuando el desgaste del cue-llo de aspiración no es mínimo,resulta aceptable.

Las características indicadasde desgaste del rodete, son típi-cas de pulpas gruesas para rodetesde servicio pesado, o de alto ren-

Fig. 10.- Efecto del caudal en el desgaste de rodetes

para servicio pesado (1000 um)

Fig. 11.- Efecto del caudal sobre el desgaste en

rodetes para servicio pesado (450 um)

Fig. 12.- Efecto del caudal sobre el desgaste en

rodetes para servicio pesado (150 um)




dimiento. Debido a la gran dife-rencia en desgastes, cuando seseleccionan bombas para aplica-ciones con pulpas gruesas, es crí-tico que se elija la bomba paraoperar lo más posible a 0,8 Q

BEP.

Para pulpas con d85 <500 um,las tendencias no son tan clarascomo con los materiales másgruesos. El desgaste del cuello deaspiración con rodete para servi-cio pesado dismunuye al aumen-tar el caudal, en toda la gama ana-

lizada; sin embargo, el desagastede la voluta disminuye de formasimilar con una arena media, apesar de que hay un máximo conarena fina a 0,8 Q

BEP. El desgaste

del rodete indicaba un mínimocon arena fina, pero aumentabael caudal en arena media. Las ten-dencias en rodetes de alto rendi-miento, analizadas para ambasarenas, no fueron demasiado dis-tintas; el desgaste del cuello de

aspiración disminuía considera-blemente al aumentar el caudal.El desgaste general del rodete fuerelativamente bajo, comparadocon los de la voluta y cuello deaspiración. Estos puntos se ilus-tran en las Figuras 11 y 12.

6ª RECOMENDACION Para minimizar el desgaste

del rodete con pulpas gruesas,

operar lo más próximo a 0,8Q

BEP

.

7ª RECOMENDACION Para minimizar el desgaste

general de piezas con pulpas con partículas finas, utilizar rodetes para servicio pesado a Q

BEP , o

próximo a él, y utilizar rodetes de alto rendimiento a 0,8 Q

BEP , o

próximo a él.9. Aplicaciones de bajo

caudalSi es inevitable seleccionar una

bomba para caudales inferiores a0,6 Q

BEP, o si hay que mejorar el

desgaste de una sobredimensionada bomba existente,

hay diseños especiales de rodetey voluta que proporcionan un au-mento de la vida. Caudales muybajos producen problemas signi-ficativos de desgaste en la volu-ta, justo detrás del corta-aguas

(debido a flujos vorticiales sepa-rados), así como también en laentrada del rodete (debido arecirculación en la aspiración.WARMAN ha desarrollado dise-ños especiales de rodetes ycarcasas para bajos caudales, queeliminan estos problemas.

9.1 VOLUTA DE BAJO CAUDAL

Una voluta de bajo caudal tie-ne un corta-aguas ampliado y un

cuello de impulsión menor, parareducir la recirculación de cau-dal desde el cuello de impulsiónhacia la cámara. Esto reduce losdesgastes localizados detrás delcorta-aguas cuando se opera concaudales por debajo de 0,6 Q

BEP.

La Fig. 13 muestra un esquemade una voluta de bajo caudal.

9.2 RODETE DE ADMISION

REDUCIDA

Un rodete de admisión reduci-da tiene un diámetro de entradamenor que un rodete estándarpara servicio pesado. Esto produ-ce un mejor gradiente de presión

Fig. 13.- Voluta WARMAN de “bajo caudal”.

Fig. 14.- Rodete WARMAN de “admisión reducida”.




en la admisión, para evitar larecirculación del caudal principalhacia la tubería de aspiración. Losrodetes d admisión reducida tie-nen también velocidades de en-trada del álabe más bajas, debido

a su menor diámetro, lo que me- jora la vida por desgaste. La Fig.14 muestra un esquema de un ro-dete de admisión reducida.

8ª RECOMENDACION Para caudales inferiores a 0,6

QBEP, seleccionar una combi- nación de voluta de bajo caudal y rodete de admisión reducida.

10. Resumen

Los pasos a dar en la selecciónde una bomba, para aminorar eldesgaste, son:1. Determinar las características del

sistema y definir H, Q y las propiedades CW de la pulpa, d

85,

SGs y la forma de partícula.2. Clasificar la pulpa como:

a) Servicio pesado:CW >35%, d85 >400 um, SGs>2,0, partículas cortantes.b) Servicio medio:20% <CW<50%, 150 um <d

85<

400 um, SGs > 1,4 partículasangularesc)Servicio ligero:CW<20%, d85 < 150 um, SGs>1,4, partículas redondeadas

3. Escoger el tipo básico de bom-ba:a) Servicio Pesado:0,4 <Ns <0,55b) Servicios medio - ligero:0,55 <Ns <0,8

4. Comprobar las velocidades

periféricas máximas recomendadas (sólo en rodetes metálicos):a) Servicio pesado: 25 m/smáxima.b) Servicio medio: 32 m/smáximac) Servicio ligero: 38 m/smáximaSi la velocidad requerida para

cumplir con la manométrica delsistema es mayor que la máxima,considerar una operación multi

etapa.5. Seleccionar el tipo de rodete y la

gama de caudal:a) Servicio pesado: Rodete deservicio pesado: 0,60-0,80 Q

BEP.

b) Servicio medio: Rodete de

alto rendimiento:0,60-0,85 QBEP.c) Servicio ligero: Rodete dealto rendimiento: 0,80-1,1 Q

BEP

d) Caudales bajos: Rodete deadmisión reducida: <0,60 Q

BEP

11.ConclusiónLos pasos anteriores son úni-

camente una guía técnica gene-ral para minimizar los desgastesque se producen como conse-cuencia de las características dediseño particulares. Sin embargo,

las restricciones de tipo económi-co determinadas no solo por eldesgaste consecuencia del dise-ño, sino por los materiales deconstrucción, rendimiento, costosde energía y costos de inversiónson los que, finalmente, determi-narán la mejor selección de labomba. En particular, para con-seguir un resultado óptimo, laelección de los materiales del ro-dete y forros tiene que casar con

el tipo de servicio.

NomenclaturaCW Concentración de sólidos en

peso (%)d

85Tamaño de malla por la que

pasa el 85% en peso, de laspartículas (um)

D2

Diámetro exterior del rodete(m)

g Constante de gravedad (9,8 m/s2)H Altura total del servicio (m. de

pulpa)HBEP

Altura desarrollada por labomba a Q

BEP

N Velocidad de giro del rodete(rad/s)

Ns Velocidad específica Ns = N(Q

BEP)0,5(gH

BEP)-0,75

Q Caudal (m3 /s)Q

BEPCaudal de operación de la

bomba a BEP (m3 /s)SGs Densidad específica del

sólido.Referencias

(1) Walker, Cl, Wells, PJ y Bodkin,GC, «The effect of flowrate and

solid particle size on the wear of centrifugal pumps». Debates del5º Simposio Internacional deFlujos Sólido&Líquido, ASME,Lake Tahoe, USA (Junio 1994).

(2) Walker, Cl y Bodkin, GC,«Erosive wear characteristics of various materials». Debates delHydrotranport 12, BHR FluidEng., Brujas, Bélgica (Septiembre 1993).

(3) Shook, CA y Roco, MC,«Slurry Flow principles andpractice», Butterworth,Heinemann, USA, (1991).

Referencia: 205-8

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