Estudio experimental de la sedimentación de mezclas sólidos-líquida polidispersas en planos inclinados

Abstract

La minería en Chile presenta muchos desafíos en el área de la ingeniería, y uno de ellos es el comportamiento de relaves y concentrados minerales durante el transporte de los mismos a través de canaletas o tuberías. En el caso de los sistemas de transporte por tuberías, cuando hay detenciones de la impulsión la velocidad media de la fase líquida es nula, produciendo la sedimentación del material sólido, el que genera un lecho en el fondo de los ductos. En particular, este proceso de sedimentación tiene una serie de características distintivas producto de la topografía por donde se instalan las tuberías y por los diferentes tamaños y/o concentraciones de las partículas presentes en la mezcla.\\ El presente trabajo, de carácter experimental, está orientado en esclarecer el efecto del contraste de diámetros y concentraciones de mezclas bi-dipsersas en la formación de lechos. También se ha estudiado el efecto de la pendiente del fondo en las características de sedimentación. El estudio experimental se realizó en el laboratorio de Hidráulica Francisco Javier Domínguez del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile. Los experimentos se realizaron en un conjunto de cajas de fondo horizontal o inclinado, situadas dentro de un cuarto oscuro. Dentro de estas cajas se realizaba la mezcla de glicerina diluida en agua con partículas de vidrio a distintas concentraciones y diámetros. Mediante una cámara y un sistema de iluminación apropiado, fue posible capturar fotos cada 1 y/o 3 minuto, por varias horas. Producto de las diferentes intensidades de luz en las imágenes se determinaron las alturas de sedimentación con sus respectivos tiempos.\\ Comparando los resultados experimentales de concentraciones finales de cada capa formada en el proceso de sedimentación ($\phi_{sed,ij}$), con los teóricos obtenidos por Stamatakis \& Tier (1988), se determinó que la teoría es válida para rangos de $d_2/d_1<6.44 $ y $\phi_1/\phi_t<0.8 $ (subíndice 1 corresponde a finas y 2 a gruesas). La diferencia entre los resultados experimentales y dicho modelo para $d_2/d_1<6.44 $ y $\phi_1/\phi_t>0.8 $ se explica, mediante argumentos de escala, por la presencia de la difusión hidrodinámica entre las fracciones. Este efecto genera un aumento del 45\% de partículas finas en la capa inferior, en comparación con la obtenida teóricamente. Además para valores de $d_2/d_1>6.44 $ ocurre un fenómeno de percolación que modifica la composición del primer lecho sedimentado, independiente de las concentraciones de partículas. Se determinó que es posible modelar la percolación de finas a través de un medio formado por gruesas, cómo una sedimentación de partículas finas en un medio equivalente. Finalmente mediante un análisis de balance de masa, se logró modelar la variación del lecho de partículas finas, como también el comportamiento de las concentraciones de partículas finas que van percolando