1. No category

PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
MANEJO DE MATERIALES SOLIDOS A GRANEL (MMSG)
PDVSA N°
TITULO
MDP–11–MA–01
0
NOV.97
REV.
FECHA
APROB.
E1994
ALMACENAMIENTO A CIELO ABIERTO: PILAS,
SISTEMAS APILADORES Y RECUPERADORES
APROBADA
20
DESCRIPCION
FECHA NOV.97
L.G.
PAG. REV.
APROB.
M.D.
L.R.
APROB. APROB.
FECHA NOV.97
ESPECIALISTAS
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
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SISTEMAS APILADORES Y RECUPERADORES
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1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3 GENERAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
4 APILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4.1
4.2
Apiladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pilas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
5 RECUPERADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
6 APILADORES/RECUPERADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
7 EQUIPO MOVIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
8 MEZCLADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
9 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
10 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
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OBJETIVO
En este tópico se establecerán los parámetros de diseño más relevantes de los
sistemas de almacenamiento a cielo abierto, y se evaluarán las condiciones que
establecen la selección de los diferentes equipos relacionados.
2
ALCANCE
Este tópico cubre lo concerniente a los tipos y características de los sistemas de
almacenamiento a cielo abierto y equipo relacionado. Este tópico también incluye
criterios de mezclado en pilas.
3
GENERAL
El almacenamiento a cielo abierto es el método más económico para mantener
altos inventarios de materiales sólidos a granel, minimizando la inversión y el
mantenimiento de estructuras y equipo auxiliar.
El almacenamiento a cielo abierto es una práctica común en un gran número de
industrias, aplicándose principalmente a materiales que reúnen las siguientes
características:
S
S
S
S
S
S
S
No higroscópicos,
con tamaños de partícula mayor a 200 micrones,
desaireados,
poco propensos a ser arrastrados por el viento,
con propiedades que no se alteran al estar expuestos a la intemperie,
no contaminantes,
con una buena relación peso / volumen.
Entre los materiales que comúnmente son almacenados a cielo abierto
encontramos al carbón, los minerales, los materiales aglomerados y la arena. Sin
embargo, esta práctica no se restringe a los criterios listados, ya que también se
almacenan normalmente a cielo abierto la sal (que es higroscópica), la astillas de
madera y el aserrín (que poseen baja densidad y pueden ser arrastrados por el
viento), y otros materiales.
La capacidad del terreno para soportar las pilas es la primera condición a evaluar.
Dependiendo de la densidad del material, algunas pilas de 3 a 6 m. pueden
exceder la resistencia del terreno.
Algunos materiales a granel han sido almacenados en pilas de más de 31 m.
Cuando exista la duda, se debe realizar estudios geotécnicos para determinar la
máxima altura posible de la pila.
Es importante recalcar que siempre se debe buscar el maximizar la altura de la pila
para obtener la mayor capacidad de almacenamiento posible.
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Según el diseño y las técnicas de manejo, esta práctica se puede categorizar como
almacenamiento vivo, activo o muerto.
El almacenamiento vivo está relacionado con las prácticas de recuperación del
material de la pila por gravedad.
El almacenamiento activo es cuando el material es recuperado mecánicamente
durante las operaciones normales. La recuperación mecánica puede hacerse vía
rueda de cangilones (“bucket wheel”), “bulldoser”, excavadores de portal (“Portal
scraper”), u otro tipo de equipo.
El almacenamiento muerto se refiere a aquellos material que son mantenidos en
pilas por períodos extendidos de tiempo. A fin de reducir la inversión, el
almacenamiento muerto se maneja, usualmente, con equipo móvil.
Existen una serie de reglas básicas para el diseño del almacenamiento de
materiales a cielo abierto. Estas son:
S Se debe almacenar como mínimo el 10 % del requerimiento anual de un
material.
S Al menos el 10% del material almacenado a cielo abierto debe ser activo.
S Se debe incrementar lo establecido en los dos puntos anteriores al 50% cuando
sea necesario el mezclado de las pilas.
S Tener capacidad para almacenar al menos 1,5 veces el inventario de materiales
que se usa o se produce por período de tiempo.
S Tener capacidad
estacionales, etc.
de
almacenamiento
para
compensar
fluctuaciones
Estas reglas básicas se establecen para condiciones promedio.
4
APILADORES
4.1
Apiladores
Existe en el mercado una gran variedad de apiladores de uso común. estos equipo
se adaptan frecuentemente a nuevos diseños.
La selección apropiada de los apiladores es de capital importancia, ya que estos
equipos representan una parte preponderante de los costos de inversión y
mantenimiento del sistema.
Un método sencillo y útil para evaluar diferentes tipos de apiladores se presenta
en la Tabla 1. Esta tabla clasifica a los apiladores según su diseño y capacidad
volumétrica.
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TABLA 1. TIPOS DE APILADORES.
Tipo de
apilador
Descripción
Ventajas
Desventajas
Volumen de
almacenamiento
promedio
(m3 x 1000)
Fijo
Transportador que se Más barato
Menor capacidad
extiende sobre una pila. Menos complicado de pila
Forma pilas cónicas.
Mas eficiente
Radial
Transportador montado Barato
sobre una rueda que le Sencillo
permite efectuar una
Eficiente
descarga semicircular.
Capacidad
limitada
Linear
Transportador montado Gran capacidad
sobre una rueda y Eficiente
desplazamiento lineal.
A veces costoso
y/o complicado
30 – 600
Elevado
Transportador elevado Alta capacidad
con descarga móvil. Eficiente
Forma pilas cónicas o
Fácil de cerrar
tipo “Windrow”.
Altos costos de
estructura
y
fundaciones
30 – 600
Portátil
Transportador montado Barato
sobre ruedas, fácil de Flexible
ubicar en diferentes
sitios
Alta labor
> 30
Móvil
Transportador
móvil Alta capacidad
montado sobre rieles. Flexible
Permite almacenar altos
volúmenes de material
en áreas extensas
Alto costo
Requiere
alto
mantenimiento
> 600
4.2
< 15
3 – 60
Pilas
Se pueden identificar tres formas básicas de pilas formadas por equipos
apiladores: cónicas, riñón (“kidney”) y fila (“windrow”). Otras configuraciones
posibles se derivan de las tres primeras, encontrándose algunas con topes planos.
La Figura 1 ilustra las formas básicas de pilas y se presentan ecuaciones para el
calculo del volumen y el are a superficial de las mismas.
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Fig 1. DIMENSIONES Y FORMAS TÍPICAS DE LAS PILAS.
En las tipo riñón y fila no se considera en las ecuaciones el volumen y el área que
ocupan los conos terminales de las pilas. Si se quiere efectuar un calculo exacto
se deben sumar las ecuaciones dadas para la pila cónica.
Debido a la naturaleza heterogénea de algunos materiales sólidos particulados,
sus componentes pueden variar en su naturaleza química, dureza, densidad y en
otras características físicas. Cuando se forman las pilas, frecuentemente se
observa segregación, especialmente cuando se apila usando un solo punto de
descarga, tal como se muestra en la Figura 2.
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Fig 2. SEGREGACIÓN TEÓRICA DE UNA PILA PARA UN SOLO PUNTO DE
DESCARGA.
La segregación puede ser minimizada descargando desde múltiples posiciones,
tal como se ilustra en la Figura 3.
Fig 3. SEGREGACIÓN TEÓRICA DE UNA PILA PARA MÚLTIPLES PUNTOS DE
DESCARGA.
5
RECUPERADORES
Los equipos recuperadores se usan ampliamente y pudiéndose conseguir en una
gran variedad de estilos. Se los puede categorizar por su arreglo, estructura y
elemento operativo, tal como se muestra en la Tabla 2.
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TABLA 2. CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS EQUIPOS RECUPERADORES.
Arreglo
Lineal
Estructura
Grúa
“Grab bucket”
“Dragline”
“Shovel”
Portal
“Scraper”
“Bucket chain”
“Rotary disc”
Radial
Móvil
Elemento operativo
Puente
“Bucket wheel”
“Drum”
Los rangos típicos de capacidad para los equipos recuperadores se muestran en
la Tabla 3.
TABLA 3. RANGOS TÍPICOS DE CAPACIDAD DE LOS EQUIPOS
RECUPERADORES.
Capacidad (m3/h)
Elemento operativo
Normal
“Grab bucket”
40 – 230
“Dragline”
50 – 270
“Shovel”
70 – 390
“Scraper”
180 – 1800
“Bucket chain”
1000 – 4000
“Rotary disc”
1000 – 1800
“Bucket wheel”
200 – 4000
“Drum”
500 – 1500
Máximo
1800
10000
13000
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La estructura de un recuperador puede ser de grúa, portal o puente.
Los términos portal y puente se usan, algunas veces, confiriéndole el mismo
significado. Sin embargo, el termino portal se refiere a una estructura
simétricamente inclinada y elevada, mientras que el puente se asocia a una
estructura horizontal elevada a nivel de la base de la pila.
Los equipos recuperadores pueden ser categorizados como maquinaria cíclica o
continua.
La maquinaria cíclica tiene mas ventajas que la continua para servicios pesados.
Ellas se usan, normalmente, en aplicaciones mineras donde el tamaño del
material, el esfuerzo de excavación, las distancias y/o las profundidades son
grandes.
La maquinaria continua se aplica, en general, para recuperar material almacenado
en pilas. Su efectividad puede trasladarse a aplicaciones mineras siempre y
cuando el tamaño del material no sea muy grande.
Cada uno de los recuperadores mas usados presenta ventajas especiales
dependiendo de la aplicación requerida.
El “portal scraper” es el único recuperador que puede efectuar la doble función de
recuperador y apilador.
El “bucket wheel” permite manejar materiales relativamente cohesivos, de libre
fluencia o aquellos que se pueden degradar si se usan “scrapers” o “bulldozers”.
El “bucket wheel” montada sobre un puente se usa en aplicaciones de
homogeneización de pilas, mientras que si se lo monta sobre una grúa, este se usa
para aplicaciones generales de recuperación.
En la Figura 4 se ilustran algunos de estos equipos.
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(A)
(B)
(C)
Fig 4. EQUIPOS RECUPERADORES. A) GRÚA CON “BUCKET WHEEL”;
B) PORTAL CON “SCRAPER”; C) PUENTE CON “SCRAPER”.
6
APILADORES/RECUPERADORES
El termino apilador/recuperador define a cualquier equipo que como una entidad
exclusiva desarrolla ambas funciones. El arreglo mas usado para esta función es
la combinación de grúa móvil con “bucket wheel”, montada sobre rieles.
La doble función de este tipo de equipos pueden resultar, dependiendo de la
operación, en una ventaja o en un constante impedimento operativo.
Cuando se usan en pilas de alta capacidad, los apiladores/recuperadores ofrecen
ventajas de costo de inversión y mantenimiento frente a equipos que realicen cada
función por separado.
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El uso apropiado de estos equipos los relaciona con un almacenamiento activo,
aun cuando se los ha utilizado en almacenamiento muerto.
La recuperación efectiva del material de una pila usando un apilador/recuperador
requiere de un operador experimentado, familiarizado con las características de
la pila. El método mas común usado para recuperar una pila triangular, tipo fila
(“windrow”), es el conocido como “side block bench”, el cual se ilustra en la Figura
5.
Fig 5. MÉTODO DE RECUPERACIÓN “SIDE BLOCK BENCH”.
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EQUIPO MOVIL
El equipo móvil–tractores “bulldozer”, excavadoras, cargadores y camiones
representan un elemento importante en el manejo y almacenamiento de
materiales a granel a cielo abierto. Sin embargo, y muy frecuentemente, este tipo
de equipo es inadecuadamente estudiado durante la fase de planeamiento y
diseño de un sistema de almacenamiento en pilas.
Aun cuando los costos de inversión de este tipo de equipos representa un pequeña
fracción del costo total del sistema, ellos ejercen un impacto significativo sobre los
costos de operación debido a la inclusión de los siguientes elementos:
S
S
S
S
S
Operadores,
combustibles y lubricantes,
reparaciones y mantenimiento,
reemplazo de neumáticos,
reemplazo de maquinaria.
Los cuatro mayores tipos de equipo móvil se muestran en la Figura 6.
Fig 6. EQUIPO MÓVIL DE ARRIBA HACIA ABAJO: TRACTOR “BULLDOZER”,
CARGADOR FRONTAL, CAMIÓN Y EXCAVADORA.
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El tractor “bulldozer” se usa comúnmente para extender o recuperar una pila de
material. Las curvas de producción de este tipo de equipos se muestran en la
Figura 7. Esta carta puede modificarse por los factores dados en la Figura 8 y en
las Tablas 5 y 6. Para una máxima producción, es importante la selección
apropiada de la cuchilla. Esta producción puede verse afectada por las
características del material y las limitaciones inherentes al equipo.
Fig 7. PRODUCCIÓN ESTIMADA PARA EL TRACTOR “BULLDOZER”.
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Fig 8. “DOZING FACTOR”.
TABLA 4. COEFICIENTES DE TRACCIÓN.
Condition
Well
Loose coal
Machine
Coefficient of Traction
Track type
0.75 – 0.80
Wheel type
0.40 – 0.50
Track type
0.60
Wheel type
0.30 – 0.0
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TABLA 5. FACTORES DE CORRECCIÓN PARA LA CONDICIÓN DE TRABAJO.
El tractor “bulldozer” es más efectivo para excavar y transportar materiales sobre
distancias cortas y terreno accidentados e inclinados.
El cargador frontal, por su parte, son maquinarias cíclicas. Su capacidad de
producción debe ser calculado por ciclos, consistentes en:
1.
Carga, descarga y maniobras,
2.
tráfico, para aquellas situaciones en que el cargador frontal debe trasladar
el material entre dos puntos próximos.
Las Figuras 9 y 10 presentan un método simple para estimar la producción en una
operación de carga de camiones.
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Fig 9. CARGADORES FRONTALES CARTA DE PRODUCCIÓN Y SELECCIÓN DE
EQUIPOS.
Fig 10. CARGADORES FRONTALES CARTA DE PRODUCCIÓN Y SELECCIÓN DE
EQUIPOS (CONTINUACIÓN).
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Los camiones se seleccionan para el acarreo de materiales a distancias
relativamente largas para el resto de los equipos móviles, sirviendo de interfase
entre ellos y el punto de destino. Esta selección resulta económica en aquellas
aplicaciones que involucran baja a moderada capacidad de carga, y sobre
distancias que varían entre los 10 y 200 km.
Dentro de la logística de transporte de los camiones, la carga y descarga lleva,
normalmente 5 min. El tiempo de tránsito se ve afectado por la capacidad del
camión, el tipo de carga, nivel de llenado de la unidad, clima, experiencia del
conductor, mantenimiento de la vía y velocidad de desplazamiento. Para ciclos
cortos, se asume un tiempo de 30 min para completar la operación. La Figura 11
muestra la producción estimada para varias capacidades de los camiones.
Fig 11. PRODUCCIÓN DE LOS CAMIONES SEGÚN SU CAPACIDAD.
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Las excavadoras son equipos montados sobre ruedas que tienen un rango de
operación mayor que los tractores “bulldozer” y menor que los camiones. Se usan
para cubrir distancia que van desde los 300 m a más de un kilómetro. Estas
unidades son autosuficientes para cargar y descargar materiales. Gracias a esta
característica, este tipo de unidades no forman colas, como los camiones, cuando
se trabaja a una alta producción. La Figura 12 muestra un ejemplo de una curva
de producción para una excavadora de alta capacidad tipo “push–pull”.
Fig 12. EXCAVADORAS DISTANCIA VS. PRODUCCIÓN.
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MEZCLADO
El mezclado y homogeneización de los materiales particulados almacenados a
cielo abierto ha sido, históricamente, de capital importancia para muchas
industrias. Esto es particularmente cierto cuando las materias primas provienen
de diferentes fuentes y minas, variando en calidad. El mezclado también se usa
para combinar diferentes tipos de materiales con diferentes características y
propiedades.
La homogeneización reduce la variabilidad del material. De la teoría estadística
tradicional se puede expresar la medición de la variabilidad como la desviación
estándar de una muestra:
s+
Ǹ
_
2
S ǒ X * Xi Ǔ
N*1
[1]
donde:
σ
=
desviación estándar
X
=
=
=
el promedio de la población
el promedio de la muestra
número de muestras tomadas
Xi
N
En este caso, el objetivo de mezclar es reducir la desviación estándar hasta un
nivel aceptable. Esto se efectúa estableciendo la variación permisible y el intervalo
de confianza. La Figura 13 ilustra un ejemplo típico.
Fig 13. CURVA DE HOMOGENEIZACIÓN DISTRIBUCIÓN NORMAL.
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El segundo objetivo de el mezclado es el combinar varios tipos de materiales en
un producto específico vía receta. Para ello se puede usar la siguiente ecuación:
ȍ aiUi
n
Ub +
[2]
i+1
donde:
U
α
i
n
b
=
=
=
=
=
el resultado de la combinación,
la cantidad proporcional de cada componente,
cada material a ser mezclado,
el número total de materiales a ser mezclados,
el producto de la mezcla.
Tal como se muestra en la Figura 14, existen diversos métodos para mezclar y
homogeneizar materiales almacenados en pilas. Cada método usa diferentes
componentes y arreglos, representando cada uno de ellos diferentes niveles de
flexibilidad, capacidades de homogeneización y rangos de inversión.
Fig 14. MÉTODOS DE MEZCLADO Y HOMOGENEIZACIÓN.
El método de galones (“chevron”) apila al material por un punto de descarga
central. Cada capa subsecuente cubre completamente la capa anterior. Cada
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capa sucesiva tiene mayor volumen, por lo que para mantener el mismo grosor,
la velocidad del apilador debe ser variable.
El método de fila (“windrow”) apila al material usando descarga múltiple, por lo que
se forman múltiples pilas. Este método se recomienda para minimizar la
segregación en materiales con diferencias granulométricas importantes.
El método galones/fila (“chevron/windrow”) combina las ventajas d los dos
métodos anteriores.
El método de galones oblicuos (“skewed chevron”) se usa cuando el equipo
recuperador es un excavador de portal.
Por último, el mezclado por pilas separadas implica la recuperación dosificada de
materiales diferentes provenientes de distintas pilas.
9
NOMENCLATURA
s
=
desviación estándar
X
=
el promedio de la población
Xi
=
el promedio de la muestra
N
=
número de muestras tomadas
U
=
el resultado de la combinación,
a
=
la cantidad proporcional de cada componente,
i
=
cada material a ser mezclado,
n
=
el número total de materiales a ser mezclados,
b
=
el producto de la mezcla.
10 REFERENCIAS
1.
KULWIEC, R. “Materials Handling Handbook”.
Wiley–Interscience Publication. New York, 1985.
2.
Catálogos de fabricantes.
2nd.
Edition.