Estudi de la dinàmica del transport de dilucions salines d'alta concentració en canonades a pressió

Abstract

The mining area in the Bages district, in Catalonia (Spain), is located between the villages of Cardona, Súria, Sallent and Balsareny. It contains the most important salt deposit in Europe, which has been exploited since 1923 in order to extract potash, an essential agricultural fertilizer and a key element in the chemical industry. The exploitation of these potash mines quickly produced a salinization problem in the waters of Llobregat river, which already were the drinking water source for the city of Barcelona, so during the 1930s people started claiming for the construction of a pipe in order to canal the waste generated in the mines (sodium chloride in particular) to the sea, to avoid its runoff to the river. Nevertheless, this pipe (named Col·lector de salmorres) didn't become a reality since 1983. The total length of the facility far exceeds 100 km, it's a gravity-fed system and its flow is pressurized. The fact of transporting mining waste through a pipe of such high length increases the difficulty in the management of the infrastructure. Problems related with leakages or evacuation capacity losses are common, either because of seal oxidation, salt precipitation, solid particles sedimentation or any other possible cause. The objective of this work is to study the hydraulic behavior inside a pressure pipe of the residual brines generated in the Bages salt mines, by gathering flow rate, pressure and temperature data of a brine flow in a controlled environment (laboratory) and in the Col·lector de salmorres. First of all, a series of tests have been carried out with brines produced with water and salt extracted from the mines of Súria, at different concentrations. These tests have been performed in two different experimental loops constructed in the Fluid Mechanics Laboratory at the Civil Engineering School of Barcelona. The tests have enabled the determination of the viscosity of the generated brines. Secondly, the behavior of some brines with a constant salt concentration and different concentrations of insoluble particles has been analyzed, by performing a series of tests in an experimental loop located at the laboratory of the company Paterson & Cooke, in its headquarters in Cape Town (South Africa). These tests have enabled the determination of the limit deposition velocity of the solid particles in suspension of the generated brines. Finally, a field measurement campaign has been performed to monitor a segment of the Col·lector de salmorres. From the flow rate, pressure and temperature data, the behavior of this facility is discussed, considering the results obtained in the laboratory tests.

La conca minera de sal de la comarca del Bages (Catalunya), situada entre Cardona, Súria, Sallent i Balsareny, és el jaciment més important d'Europa i des de l'any 1923 que s'explota per extreure'n potassa, un dels fertilitzants bàsics en agricultura i un element clau en la indústria química. L'explotació de les mines de potassa va generar en molt poc temps un problema de salinització excessiva de l'aigua del riu Llobregat, que ja llavors abastia la població de la ciutat de Barcelona, de tal manera que cap als anys 30 del segle XX es va començar a reclamar la construcció d'una canonada que canalitzés els residus generats a les mines (principalment clorurs de sodi) fins al mar per evitar que s'aboquessin al riu. Aquesta canonada (a la qual s'anomena Col·lector de salmorres) no es va fer realitat fins a l'any 1983. La longitud total de la instal·lació supera de llarg els 100 km, i funciona per gravetat i a pressió. El fet de transportar residus miners a través de canonades de longitud tan elevada fa que la gestió del col·lector sigui molt complicada. Problemes relacionats amb fuites o amb la pèrdua de capacitat d'evacuació són habituals, ja sigui per l'oxidació de les juntes, la precipitació de sals, la sedimentació de partícules sòlides o altres possibles causes. L'objectiu d'aquest treball és estudiar el comportament hidràulic en una canonada a pressió de les salmorres residuals generades en les mines de sal del Bages, mitjançant la recopilació de dades de cabal, pressió i temperatura d'un flux de salmorra en un medi controlat (laboratori) i en el Col·lector de salmorres. En primer lloc s'han dut a terme assajos amb unes mescles de salmorra generades amb aigua i amb sal extreta de les mines de Súria, en diferents concentracions. Aquests assajos s'han realitzat en dos circuits experimentals construïts en el Laboratori de Mecànica de Fluids de l'Escola de Camins de Barcelona. A partir d'aquests assajos s'ha pogut determinar la viscositat de les diferents mescles generades. En segon lloc, s'ha analitzat el comportament de diferents mescles de salmorra, de concentració de sal constant, modificant-ne la concentració de partícules insolubles, mitjançant una sèrie d'assajos duts a terme en el circuit experimental del laboratori de l'empresa Paterson & Cooke, en la seva seu central de Ciutat del Cap (Sud-àfrica). A partir d'aquests assajos s'ha pogut determinar la velocitat límit de deposició de les partícules sòlides en suspensió presents en les mescles generades. Per últim, s'ha dut a terme una campanya de mesures de camp per al control d'un tram del Col·lector de Salmorres. A partir de les dades de cabal, pressió i temperatura obtingudes es discuteix el funcionament d'aquesta infraestructura, tenint en compte els resultats obtinguts en el laboratori.