Slurry flows in metallurgical process engineering – Development of tools and guidelines

Abstract

Slurry flows are very important for metallurgical process engineering. They are one of the principal methods for material transport in minerals processing plants and thus their accurate engineering is of paramount importance.

This work explains the physical properties of slurries and discusses the differences between settling and non-settling slurries, with main focus being given to settling slurries. The work focuses on transportation of slurries in pipes using centrifugal pumps in short to medium distance that are common inside minerals processing plants. The object is to discuss the subject from a practical perspective, aiming to help process and design engineers who are tasked with designing slurry systems.

A spreadsheet calculation tool was developed. The tool can be used for sizing of pipes and pumps handling settling slurries. The tool calculates critical deposition velocities that need to be achieved in pipe transport to prevent particle settling and pipe blockages. The tool also calculates extra pressure losses caused by the solid particles. The results of the calculation tool are integrated in to a pump data sheet that can be used for the inquiry of pumps. Additionally, a set of design guidelines was developed based on investigated material and personnel interviews. These guidelines give the reader an introduction to slurry transport design and help indentify points that need to be taken into account when designing slurry systems. Both the calculation tool and design guidelines were then applied into a practical case example.

It was found that the existing calculation methods for critical deposition velocity and pressure losses are adequate, but limited in accuracy. Most significant problem with designing slurry systems is not actually the limitations of the available calculation methods, but rather the very limited information available of the material that is being handled. To further improve the accuracy of design, data collection methods from real cases need to be improved.

Lietevirrat ovat hyvin tärkeitä metallurgisessa prosessisuunnittelussa. Lietevirrat ovat usein rikastuslaitoksen päävirtoja, joiden avulla siirretään suuria massoja ja siten niiden tarkka suunnittelu on hyvin tärkeää.

Tässä työssä esitellään lietteiden ominaisuuksia ja käsitellään eroja laskeutuvien ja laskeutumattomien lietteiden välillä. Päähuomio annetaan laskeutuville lietteille. Työ on rajattu lietteiden kuljetukseen rikastuslaitoksille tyypillisissä lyhyehköissä putkistoissa käyttäen keskipakopumppuja. Työn tavoite on käsitellä aihetta käytännönläheisestä näkökulmasta siten, että se helpottaa lietejärjestelmiä suunnittelevien insinöörien työtä.

Työn tuloksena laadittiin taulukkolaskentaohjelmassa toimiva mitoitusohjelma, jota voidaan käyttää lietteitä käsittelevien lietteiden ja pumppujen käsittelemiseen. Työkalu laskee putkistojen kriittisiä virtausnopeuksia, jotka on putkivirtauksessa ylitettävä, jotta vältetään putkistojen tukkeutumiselta laskeutuvien partikkeleiden vuoksi. Työkalu laskee lisäksi lietteiden kiintoaineen aiheuttamia ylimääräisiä dynaamisia painehäviöitä. Laskennan tulokset esitetään automaattisesti pumpun tietolehdellä, jota voidaan käyttää pumppujen hankinnassa. Lisäksi laadittiin kokoelma suunnitteluohjeita, jotka pohjautuvat henkilöstöhaastatteluihin ja tutkittuun kirjallisuusmateriaaliin. Suunnitteluohjeet antavat lukijalle johdannon lietevirtojen suunnitteluun ja auttavat tunnistamaan asioita, jotka on erityisesti otettava huomioon suunnittelussa. Työkalun ja suunnitteluohjeiden toimintaa esitellään käytännönläheisellä esimerkillä.

Työn tuloksena selvisi, että käytettävissä olevat menetelmät kriittisten virtausnopeuksien ja painehäviöiden laskentaan ovat riittäviä, joskin melko epätarkkoja. Suurin ongelma lietejärjestelmien suunnittelussa ei ole niinkään käytettävissä olevien laskentamenetelmien epätarkkuus, vaan käytettävissä olevan tiedon määrä pumpattavasta materiaalista. Jotta suunnittelun tarkkuutta voidaan edelleen kehittää, on tiedonkeräysmenetelmiä todellisista projekteista parannettava.