L'ingénierie des boues: quels sont les éléments à considérer?

Les critères de conception

Mentionnons d’entrée de jeu que les pompes à boue doivent être conçues en fonction de critères d’exploitation précis. En effet, ces pompes doivent être en mesure, d’une part, de pomper des boues abrasives de forte densité tout en maintenant une résistance à l’usure raisonnable et, d’autre part, de permettre le passage de solides de grandes dimensions. Ces exigences font en sorte que ces pompes sont plus grosses et moins efficaces que les pompes à eau classiques.

On s’attend à ce que les composants qui sont en contact avec les boues abrasives s’usent. Cette usure peut être limitée par une conception adéquate, un choix de matériaux et un usage approprié. Ajoutons que les pompes peuvent être dotées d’un revêtement de matériaux résistants à l’abrasion sur l’entièreté de la surface en contact avec le fluide. Les pompes à boue sont par ailleurs dotées d’un corps épais, indépendamment de la présence d’un revêtement résistant à l’abrasion.

Un interstice important est prévu entre la volute de la pompe et l’impulseur pour permettre le passage de solides de grande taille, ce qui réduit les vitesses internes et l’usure. Les roues de pompes à boue sont habituellement de plus grand diamètre que celles des pompes à eau afin de réduire la vitesse de rotation de la roue tout en produisant la tête requise. Des impulseurs fermés sont utilisées pour les tâches provoquant une forte usure.

En outre, pour réduire l’usure et permettre le passage de particules de grande taille, les pompes à boue ont des aubes plus épaisses et moins nombreuses. En effet, alors que les impulseurs des pompes à eau ont de cinq à neuf aubes, ceux des pompes à boue n’en ont habituellement que quatre ou cinq. Les pompes à boue pour services intenses ont des aubes courtes et épaisses. Cette configuration produit une courbe de performance plus plate que celle des pompes à eau de catégorie équivalente, et son efficacité peut être jusqu’à 10 % plus faible que celle des pompes à eau.

Tenir compte de l’effet de la boue

Contrairement à celui des pompes à eau, le fonctionnement des pompes à boue ne dépend pas seulement de la courbe de performance et du système de pompage, mais aussi de la boue pompée. Celle-ci peut faire en sorte que la tête hydraulique et l’efficacité s’écartent des valeurs attendues pour le pompage de l’eau. C’est ce qu’on appelle le détarage. Les concepteurs de système devraient être capables de prévoir la réduction de performance (derating) pour être en mesure de sélectionner une pompe à boue dont les caractéristiques et la puissance du moteur conviennent à la tâche.

Les principales causes du détarage des pompes centrifuges destinées à pomper des solides sont les suivantes :

• Glissement de l’eau par rapport aux particules solides lorsque la boue accélère ou décélère, ce qui entraîne des pertes d’énergie.
• Hausse des pertes par friction (plus la concentration est élevée, plus il y a de pertes).
• Incapacité des particules en suspension d’emmagasiner ou de transmettre l’énergie de la pression.
• Variations de la friction mécanique dans le jeu entre l’impulseur et la volute de la pompe, ce qui a une incidence sur la consommation d’énergie (efficacité).

Le détarage est décrit par deux éléments, soit le rapport de tête (RH) et le rapport d’efficacité (RE), où :

• RH = Tête avec la boue/Tête avec l’eau
• RE = efficacité avec la boue/efficacité avec l’eau

Le détarage dépend des facteurs suivants :

• La densité relative des solides.
• La fraction du volume.
• Le rapport entre la taille médiane des particules d50 et le diamètre de l’impulseur (d50/D).

Le recours aux réducteurs de vitesse

La plupart des pompes à boue fonctionnent à basse vitesse et nécessitent des réducteurs de vitesse. Dans les pompes à basse et à moyenne capacité (moins de 350 HP), on utilise des entraînements à courroie comme réducteurs de vitesse. Des boîtes d’engrenage sont installées pour les pompes de plus grande capacité. Pour le pompage à débit variable, des variateurs de vitesse (généralement des variateurs de fréquence) sont utilisés pour moduler la vitesse de la pompe au besoin.

Les arbres et les roulements des pompes à boue sont eux aussi plus gros que ceux des pompes à eau équivalentes. C’est pour tenir compte de la densité supérieure du liquide pompé et des forces supplémentaires que cela entraîne, du déséquilibre attribuable à l’usure, et des charges d’impact des particules.

Le choix des matériaux

Les matériaux généralement utilisés pour les composants d’usure des pompes à boue sont les métaux durs et les élastomères. Les métaux durs résistent à l’usure tandis que les élastomères peuvent absorber l’énergie générée par l’impact des particules.

Pour les circuits de broyage, dans lesquels les particules à arêtes vives pompées peuvent causer une forte érosion, des impulseurs faits de métaux durs sont généralement privilégiés. Des revêtements de métal et d’élastomère sont utilisés pour d’autres tâches de pompage en usine ainsi que pour l’évacuation des résidus.

Particularités des pompes à mousse

De nos jours, des modèles de pompes spéciaux sont de plus en plus populaires pour la mousse dans les circuits de flottation. Les pompes de ce type ont une entrée surdimensionnée, des impulseurs de type ouvert et des aubages d’aspiration pour faciliter l’admission de boue mousseuse dans la pompe. Elles ont aussi une tête d’aspiration positive nette requise (NPSH) moindre et leur conception empêche l’accumulation d’air, ce qui leur permet de pomper sans problème des mélanges comprenant des particules fines et une fine dispersion de bulles d’air.

Les experts de BBA savent par expérience que la compréhension des principes de base de conception et de fonctionnement des pompes à boue décrits dans ce billet de blogue facilite la conception des systèmes de pompage de boue.

Références

Mineral Processing Plant Design, Practice and Control. Éditeur : SME, 2002.

Bulletin technique no 28 de WEIR : « Froth Pumping ».

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