BR102013027433A2 - Reômetro em linha multicapilar para polpas minerais - Google Patents

Abstract

REÔMETRO EM LINHA MULTICAPILAR PARA POLPAS MINERAIS A invenção proposta, corresponde a um reâmetro que mede a viscosidade (t) e a tensão de fluência (t0) de forma simultânea em linha, com medições em intervalos de poucos minutos (provavelmente 5 a 10 minutos) para suspensões mineiras. Por conseguinte, o desenho deve suportar as condições típicas de uma operação mineira (temperaturas extremas, altura geográfica, problema de comunicações, distância, umidade, pouca umidade, roubos, deterioração, etc.) . Este reâmetro baseia-se no transporte laminar da suspensão por capilares. O sistema em linha de medição e análise contempla os efeitos de sedimentação, problemas de parede, efeitos temporais (tixotropia) e efeitos de entrada.

Description

"REÔMETRO EM LINHA MULTICAPILAR PARA POLPAS MINERAIS" CAMPO DE APLICAÇÃO DA INVENÇÃO A presente invenção desenvolve-se no campo de medição de fluidos, especificamente um reômetro para medir parâmetros específicos de preferência na indústria mineira em conjunto com um método baseado em um algoritmo desenvolvido sobre uma medição multicapilar de variáveis .físicas que produzam com precisão as medidas reológicas chaves no controle de processo de polpas, na indústria de mineração.

DESCRIÇÃO DA ARTE PRÉVIA A mineração de cobre chilena caracteriza-se por ter baixa lei, eé por isto que é necessário mover e processar grande quantidade de material destas minas. 0 transporte do material interessante e o resíduo é triturado e moído alcançando ao final dos processos tamanhos que vãodesdemicrometros até milímetros. Este material é misturado com água para formar uma suspensão com concentrações de sólidos variáveis (tipicamente as concentrações em peso variam entre 30 e 70 %). Por conseguinte, devido às grandes concentrações de sólidos, a viscosidade pode ser de magnitude maior que a da água.

Um fenômeno importante que aparece neste tipo de suspensões é a tensão de fluência: isto em termos simples pode ser descrita como a força (por unidade de área) necessária inicial que requer uma suspensão em repouso para começar o movimento. Este esforço deve vencer forças relacionadas com a natureza granular do fluído em repouso -também quando está emmovimento- que , fazem que o fluído tenha uma resistência ao movimento [BONN & DENN, 2009]. A viscosidade (?) ea tensão de fluência (?0) são dois parâmetros importantes para o desenhode canaletas e tubulaçõesde transporte destas suspensões e também um parâmetro importante na hora da operação de uma planta, (ver figura 1) . Em particular, os fluidos que satisfazem esta reta denomina-se Bingham. Èste modelo, devido a sua linearidade é o mais popular em aplicações industriais, no entanto, existem outros modelos como o Ostwald & de Waele (ver figura 1b, curva ? e D), Herschel & Bulkley (ver figura 1b, curva C) que eventualmente podem ser usados [H. YAMAGUCHI, 2008].

As técnicas mais populares para medir viscosidade e outras propriedades reológicas ágrupam-se em três categorias [Y. Y. HOU & H.O. KASSIM, 2005]: i • técnicas rotacionais onde a viscosidade calcula-se medindo o torque e a velocidade do rotor; • técnicas que medem o tempo que uma bola submergida no fluido cai uma distância conhecida • técnicas capilares onde as propriedades reológicas calculam-se a partir dos fluxos e caídas de pressão do fluido dentro do capilar.

Embora estas técnicas estão bem estabelecidas, estes instrumentos ainda tem certas limitações: como a operação manual, sedimentação, problemas de parede [R. BUSCALL, 2010] einomogeneidades do fluido produzidos pela temperatura e o movimento do fluído (tixotropía e viscoelasticidade [J. MEWIS & N.J. WAGNER, 2009]), fenômenos especialmente observados em suspensões complexas como por exemplo as mineiras [ST 2].

Atualmente, as mineiras caracterizam suas suspensõesde maneira descontínua (batch) contratando os serviços de laboratórios, que no melhor dos casos pode tomar um turno em entregar os valores :da viscosidade (?) e a tensão de fluência (xo) . No entanto, para o correto funcionamento destas suspensões é necessáriauma medição continua e êm linha efetiva e que considere a fenomenologia associada à suspensões complexas.

Na literatura existemreportadas várias invenções de viscosimetros multicapilares [Dl 1, DI3, Dl 4, Dl 6, Dl 8,- Dl 9], no entanto carecem do componente em linha que requer a operação de suspensões industriais. As invençõesDI 1, Dl 2, os instrumentos ST 1 e ST 3 e os trabalhos de OUTROS AUTORES [S.K. KAWATRA & A.K. BAKSHI, 1998; A.K. BAKSHI, 1999; S.H. CHIU et al. , 1999; Q.D. NGUYEN et al. , 2000; A.K. AKSHI et al., 1997], foram criadas para medições em linha e os métodos reportados [Dl 3,\ Dl 4, Dl 5 Dl 6, Dl 7, ST 4] não resolvem os problemas associados à suspensões complexas. Todas estas invenções não incorporam os efeitos associados às suspensões mineiras complexas (diz-se relaves ou concentrados) epor conseguinte,não são úteis na hora de controlar em linha a operação de uma planta industrial.

RESUMO DA INVENÇÃO A invenção proposta, corresponde a umreômetro que mede a viscosidade (?) ea tensão de fluência (?0) de forma simultânea em linha, com medições em intervalos de poucos minutos (provavelmente 5 a 10 minutos) para suspensões mineiras. Por conseguinte, o desenho deve suportar as condiçõestipicas de uma operação mineira (temperaturas extremas, altura geográfica, problema de comunicações, distância, umidade, pouca umidade, roubos, deterioração, etc.) . Este reômetro baseia-se no transporte laminar da suspensão por capilares. Osistema em linha de medição . e análise contempla os efeitos de sedimentação, problemas de parede, efeitos temporais (tixotropia) e efeitos de entrada.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS A figura la mostra um gráfico para um fluido não Newtoniano tipo Bingham em que se mostra a tensão de fluência e a viscosidade. Â figura lb mostra um gráfico com outros modelos teológicos pata fluidos não Newtoniano; Tipo Ostwald & de Waele-:curvas A e D, tipo Herschel & Bulkley: curva C. A figura 2 mostra um esquema doreômetro da invenção e suas partes A figura 3 mostra um esquema da peça de distribuição aos capilares A figura 4 mostra um esquema' de um dos capilares os piezômetros e as medições efetuadas em dito capilar. A figura 5 mostra um reograma aparente ;de uma polpa com 70% de sólido em peso que flui pelo capilar (qualquer dos capilares). Mostram-se os efeitos de queda de pressão, de entrada e de parede. A figura 6 mostra um reograma obtido a partir de reograma aparente e de optimização. Mostram-se os resultados diretos sem correções e corregido. A figura 7 mostra um gráfico da evolução temporal da viscosidade medida sequencialmente em.três capilares. A figura 8 mostra um gráfico da evolução temporal da tensão de fluência medida sequencialmente em três capilares.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Numa realização preferida da invenção, esta está composta de uma caixa (1) que contém uma suspensão, uma parte muito pequena desta suspensão é desviada ao reômetro por meio de uma bomba de deslocamento positivo (2). Conectada com a saida da bomba (2) encontra-se uma peça de distribuição (5) a qual alimenta três. capilares verticais (6) de diâmetros diferentes, a alimentação se faz de maneira alternada a cada um dos capilares, ou seja, os três capilares (6) não medem simultaneamente. Em cada um dos três capilares (6) instalam-se seis .piezômetros (7) em pares e em três alturas diferentes no capilar com o objeto de ter redundância. Utilizam-se três capilares (6) de diferente diâmetro, para ter uma maior quantidade de pontos na curva reológica. Entre a bomba de deslocamento positivo (2) ea peça de distribuição(5) instala-se um medidor de densidade (4) e um medidor de fluxo (3) para assim medir a densidade e o fluxo da amostra de fluido a medir antes de chegar aos piezômetros (7). Asaida dos capilares pode se conectar diretamente com a caixa (1) ou com outro receptáculo. Uma vez terminada a medição em cada capilar, estes são purgados com um sistema de limpeza (15) e secado (14) para prevenir a acumulação de matéria particulada nas paredes dos capilares.

Em cada um dos capilares é medida a velocidade da suspensão (v(r)), (13) e pode ser utilizado para este efeito instrumentos como sonar, ultrassônico(mapeío de pulsosultrassônicos UPDe espectroscopia USV) , ressonância magnética nuclear ( RMN) e imagens com RMN (RMNi).

Com os dados de caida de pressão medidos com os piezômetros (8), mais a densidade be fluxo pode ser i determinadaa viscosidade (?) e a tensão' de fluência (??) a partir de um algoritmo de análise desenhado especialmente para a . extração da informação e análise que se descreve mais adiante. A invenção consta com um microcontrolador (9) que controla os componentes do reômetro, coleta dados.e executa o processamento destes, calculando os valores das variáveis reológicas e realizando as correções devido aos fenômenos associados às suspensões complexas (..efeitos de entrada, parede e efeitos temporais), o microcontrolador (9) encontra-se na sala elétrica do equipamento e geralmente se encontra muito perto deste. Os dados obtidos por este microcontrôlador (9) são enviados por. cabo ou de maneira inalâmbricaaté a sala onde se encontra um servidor (10) o qual processa os dados para a manipúlação e gestão das variáveis pela operação. O cálculo da velocidade de deformação angular (gama ponto), a tensão, a viscosidade e a tensão de fluência são calculados no microcontrolador o qual consta de um software que controla o tempo de duração da medição, limpeza de capilar (6) de um determinado raio R assim como também o fechamento e abertura de válvulas (12) (14) e (15) dos capilares (6). Ainformação obtida será armazenada em uma base de dados histórica (11) da operação instalada em um servidor (10) . Os dados históricos podem ser analisados através de uma plataforma para esse efeito e a dispersão da informação em linha poderá ser incorporada aos diagramas de fluxo (flowsheet) da operação como mais de um parâmetro.Abase de dados no servidor guarda dados históricos para a análise estatística é de tendências em diferentes períodos (horas, turnos, dias, meses, etc.) eestes dados são dispersos em curvas de tendências, com critérios de alerta em casos de variações inesperadas. O servidor (10) pode ser consultado desde a sala de controle da operação, e desde qualquer usuário na rede com autorização. A medição será realizada alternadamente em cada capilar (6) . A medição de fluxo e densidade será contínua. Antes de começar a operar, tomam-se amostras representativas para análise de laboratório de reologia, granulometria ou outro parâmetro que se considere relevante.

Como foi mencionado anteriormente, o reômetro proposto e a informação obtida por este, trabalham em conjunto com um algoritmo de análise para obter finalmente os valores da viscosidade (?) e a tensão de fluência (??) . Ó algoritmo de análise incorpora todas as correções necessárias para eliminar . os efeitos de distorção.Em geral, estes efeitos' serão calibrados dependendo dá qualidade da suspensão. O método para utilização do'· algoritmo descrito utilizando o reômetro e que se explica em base a figura 3 que representa um dos capilares consiste em: a) As três diferentes alturas de cada um dos capilares (6) são dispostas em grupos de dois piezômetros (PZki, PZRedkl), (PZk2, PZRedk2), (PZk3, PZRedk3), o segundo piezômetro de cada grupo(superindice Red) utiliza-se em caso que o outro falhe. O indice k indica o k-ésimo capilar. b) Em cada grupo de dois' piezômetros (PZki, PZRedki) , (PZk2, PZRedk2) , (PZk3, PZRedk3) , obter-se-á uma medida de pressão (Pik,PRedik) , (P2k, PRed2k) , (P3k, PRed3k) utilizando somente uma de cada par. 0 subindice k indica o capilar e Red a redundância. c) Em cada capilar terá seis medições de diferença de pressão (APi2k, AP23k, AP3ik) e (APRedi2k/ APRed23k, APRed31k) .0 superindice Red indica que é a medição de redundância e o subindicek o capilar. d) São conhecidas as distâncias entre cada grupo de dois piezômetros (PZki, PZR®dki) , (PZk2, PZRedk2), (PZk3/ PZ k3) , que denominaremos ALi, AL2 e AL3/ em geral para os três capilares estas distâncias serãoALik, AL2k e AL3k,onde k indica o capilar, 1 a distância entre PZkl e PZk2, 2 a distância entre PZk2 e PZk3 e 3 a distância entre PZk3 e PZki do capilar k. e) Com os valores de pressão medidos nos três grupos de dois piezômetros (PZki, PZRedki) , <PZk2, PZRedk2) , (PZk3, PZRedk3) e as distâncias entre eles ALik, AL2k e AL3k, calculam-se os gradientes de pressão para cada par de pièzômétrõs dos capilares: Onde P\jk corresponde ao gradiente de pressão do capilar k entre os piezômetros j e i. < f) Còm o elemento V(r) é medido o perfil de velocidade v(r), esta medida utiliza-se para corrigir o caudal devido a efeitos de parede. g) Realizam-se as correções da pressão por efeitos de entrada e por deslizamento de parede D 2) ) .

OndeAPeé a queda de pressão por efeitos de entrada, APp medido por piezômetros eQpé a modificação do caudal por efeitos de parede. h) Calculam-se agora as tensões tangenciais usando o diâmetro correspondente e gradientes de pressão i) Calcula-se a velocidade média, com os caudais e diâmetro j) Calcula-se a velocidade de deformação angular aparentes k) É obtido o primeiro ponto do reograma aparente. l) Este procedimento repete-se N vezes para este capilar. m) Abre-se a válvula do capilar 2, logo se fecha a dó capilar 1 e purga-se o capilar 1 e 3. n) Efetuam-se os passos a) a 1) para o capilar 2 . ò) Abre-se a válvula do capilar 3, logo se fecha a do capilar 2 epurga-se capilar· 2. p) Efetuam-se os passos a) - a 1) para o capilar 3. q) Com a nova quantidade de dados obtidos revisa-se novamente os efeitos de entrada e de parede e calcula-se um novo reograma aparente. r) Os dados são dispersos em curvas de tendências, com critérios de alerta em casos de variações inesperadas. s) Realiza-se análise estatístico do período de controle (horas, turno, semanas, meses e anos).

Claims (22)

1. Um reômetro para medir fluidos não newtonianos como suspensões mineiras que permite fazer medidas em linha e obter resultados rápidos CARACTERIZADO porque se compõem de: á) ao menos dois capilares (6) b) uma bomba (2) c) uma peça de distribuição (5) d) válvulas de controle de fluxo (12) e) um medidor de fluxo (3) e um medidor de densidade (4) f) um medidor de velocidade (13) g) ao menos um par de piezômetros (7) em cada um dos capilares h) Válvulas para osecado (14) i) Válvulas para a entrada de água para limpeza (15) j) um micro controlador (9) k) meios de transmissão de, dados l) um servidor e uma base de dados (10,11)

2. O reômetro conforme a reivindicação 1 CARACTERIZADO porque os capilares (6) são de diferente diâmetro e podem ser de igual ou diferente comprimento.

3. O reômetro conforme a reivindicação 1 CARACTERIZADO porque em cada um dos capilares (6) é medida a velocidade da suspensão (v(r)) (13).

4 . O reômetro conforme a reivindicação 3 CARACTERIZADO porque para medir a velocidade da suspensão (v(r)) pode ser utilizado instrumentos como sonar, ultrassônico (mapeio de pulsos ultrassônicos UPD eespectroscopia USV) , ressonância magnética nuclear ( RMN) e imagens com RMN (RMNi).

5. O reômetro da reivindicàção 1 CARACTERIZADO porque a bomba (2) é de deslocamento positivo.

6. O reômetro da reivindicação 1 CARACTERIZADO porque a bomba (2) dirige o fluxo até os capilares (6).

7. O réômetro da reivindicação 1 CARACTERIZADO porque a bomba (2) é controlada pelo microprocessador (9).

8. O reômetro da reivindicação 1 CARACTERIZADO porque a peça de distribuição(5) está localizada na saída da bomba (2).

9. O reômetro da reivindicàção 1 CARACTERIZADO porque a peça de distribuição(5) consta de ao menos dois braços.

10. O reômetro da reivindicação 1 CARACTERIZADO porque a peça de distribuição (5) divide o fluxo da bomba (2) até os capilares (6).

11. O reômetro da reivindicação 1 CARACTERIZADO porque as válvulas de controle de fluxo (12) controlam o fluxo até cada um dos capilares (6).

12. O reômetro da reivindicação 1 CARACTERIZADO porque as válvulas de controle de fluxo (12) são controladas pelo microprocessador (9) e funcionam de maneira alternada.

13. O reômetro da reivindicação 1 CARACTERIZADO porque em cada par de piezômetros (7) localizam-se em pares em diferentes alturas de cada capilar (6).

14. O reômetro da reivindicação 1 CARACTERIZADO porque cada capilar possui um sistema de limpeza (14) y (15) .

15. O reômetro da reivindicação 1 CARACTERIZADO porque as medições obtidas pelos medidores de fluxo (3) e densidade (4) , velocidade (13) e as medições obtidas nos i piezômetros (7) são utilizadas para efetuar cálculos reométricos através de um algoritmo.

16. O reômetro da reivindicação 1 CARACTERIZADO porque o micro controlador (9) sincroniza os componentes do reômetro.

17. O reômetro da reivindicação 1 CARACTERIZADO porque o micro controlador (9) coleta os dados e realiza o processamento de ditos dados.

18. O reômetro da reivindicação 16 CARACTERIZADO porque ô microprocessador (9) transmite os dados e seu processamento aoservidor (10) por meios de transmissão que podem ser acabo ouinalâmbricos.

19. O reômetro da reivindicação 1 CARACTERIZADO porque o servidor (10) e a base de dados (11) post- analisam, armazenam e processam os dados enviados através dos meios de transmissão desde o microprocessador.

20. 0 reômetro da reivindicação 1 CARACTERIZADO porque a base de dados em servidor guarda dados históricos para análise estatístico e de tendências em diferentes períodos (horas, turnos, dias, meses, etc.).

21. O reômetro da reivindicação 20 CARACTERIZADO porque os dados são dispostos em curvas de tendências, com critérios de alerta em casos de variações inesperadas.

22. Um método para utilizapão de um reômetro utilizando um algoritmo que compreende: a) a três diferentes alturas de cada um dos capilares (6) são colocados grupos de dois piezômetros (PZki, PZRedkl), (PZk2, PZRedk2) , (PZk3, PZRedk3) , o segundo piezômetro de cada grupo se utiliza como redundância em caso que o outro falhe. 0 índice k indica o k-ésimo capilar. b) Em cada grupo dois , piezômetros (PZki, PZRedki) , (PZk2, PZRedk2) , (PZk3, PZRedk3) ,; obtém-se uma mesma medida de pressão (Pik/PRedik) , (P2k, PRed2k) /? (P3k, PRed3k) ? * utilizando-se somente uma de cada par. Osubíndice k indica õ capilar e Red a redundância. c) Em câda capilar haverá três medições de diferença de pressão (AP12k, AP23k, AP31k) e (APRed12k, APRed23k, APRed3ik) · d) Sabem-se as distâncias entre cada grupo de dois piezômetros (PZkl, PZRedki) , (PZk2, PZRedk2), (PZk3, PZRedk3) que denominaremos ALi, AL2 e AL3, em geral para o k-ésimo capilar estas distâncias serãoALik, AL2k e AL3k,na qual k representa o capilar 1, 2 ou 3. e) Com os valores de pressão medidos nos três grupos de dois piezômetros (PZki, PZRedkl) , (PZk2, PZRedk2), (PZk3, PZRedk3) e as distâncias entre eles ALik, AL2k e AL3k, calculam-se os gradientes de pressão: Onde P'ijk corresponde ao gradiente de pressão do capilar k entre os piezômetros j e i. f) Com o elemento V(r) (13) é medido o perfil de velocidade v(r), esta medição utiliza-se para corrigir o caudal devido a efeitos de parede. g) Realizam-se as correções da pressão por efeitos de entrada e por deslizamento de parede. Onde APe é a queda de pressão por efeitos de entrada: ÁPp medido por piezômetros, Qpé a modificação do caudal por efeitos de parede, é o caudal devido aos efeitos de parede, Q o caudal medidò pelofluxômetroeR o raio do capilar. - h) Calc'ulam-se agora as tensões tangenciais (Tw ) usando o raio do capilar correspondente e gradientes de pressão. p\ . Onde ,jk corresponde ao gradiente de pressão entre o piezômetro j e i do capilar k. e R o raio do capilar (Diâmetro D=2R). i) Calcula-se a velocidade' média (V) , com os caudais e raio dõ capilar. j) Calculam-se as velocidades de deformação angular aparente (?? ) . k) É obtido o primeiro ponto do reograma aparente. l) Este procedimento é repetido N vezes para este capilar. m) Abre-se a válvula do capilar 2 e logo se fecha a do capilar 1. Se limpa capilar 1 e 3 n) São efetuados os passos a) até 1) para o capilar 2. o) Abre-se a válvula do capilar 3 e logo é fechada a do capilar 2. Se limpa o capilar 2 p) São efetuados os passos a) até 1) para o capilar 3. q) Abre-se a válvula do capilar n e logo é fechada a do capilar n-1. r) São efetuados os passos a) até 1) para o capilar n. t . s) Com a nova quantidade de dados obtidos, se revisa novamente os efeitos de entrada e de parede e calculâ-se um novo reograma aparente. tj Saõ examinados os pontos medidos ealisam-se os valores e/ou eliminam-se valores aberrantes. u) Escolhe-se o modelo reológico que melhor se ajuste às medições de laboratório (por exemplo Bingham) ou se solicita o microprocessador que prove com outro modelo. v) A os pontos resultantes aplica-se algum método para a obtenção da velocidade de deformação angular (por exemplo, o método de Rabinowitsch-Mooney [Z. Y. Wang et al., 2010]). r w) . São obtidos os parâmetros reológicos do modelo por otimização (por exemplo, método dos mínimos quadrados) . x) É obtida uma curva na qual se obtém a tensão de fluência e a viscosidade.