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Vol. I N°02 Lima - Perú Diciembre 1998 |
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Simulación termodinámica de un proceso pirometalúrgico de oxidación de los minerales sulfurados de cobre Ing. Msc. Pablo Nuñez Jara (*) Resumen Modelos de Simulación Termodinámica se han venido desarrollando para observar la conducta de los elementos menores Zn, Pb, As, Sb y Bi; así como también los elementos mayores Cu, Fe, Si, 0 y S en los procesos de Conversión: y Fusión: NORANDA e ISASMELT para la producción de matas ricas en Cobre. En el proceso Noranda se muestra un modelo de Estado Estacionario para la obtención de una mata de alto grado en cobre metálico. El proceso lsasmelt se basa en el concepto de los dos lugares de reacciones independientes en el baño (interfase mata - escoria ): una oxidación rápida y una reducción lenta. El balance de calor del proceso y la termodinámica de distribución de los elementos menores están unidas y expresadas en términos de las variables de proceso tales como la Temperatura, 02 enriquecido, Composición de la Carga, Grado de la Mata y Contenido de la Magnetita en la escoria y otras variables son incorporados en el modelamiento, el cual puede predecir los efectos de operación de los parámetros químicos y puede también contribuir a proveer el control metalúrgico. 1.0 Generalidades 1.1. Proceso Isasmelt El modelo computarizado se ha desarrollado para simular termodinámicamente la conducta de los elementos menores: Zn, Pb, As, Sb, y Bi; así como también los elementos mayores Cu, Fe, Si, 0 y S, en la producción de mata de cobre. El modelo esta basado en el concepto de la existencia de dos ambientes de reacciones independientes en un baño de escoria: uno para una oxidación rápida y otro para una reducción lenta. La reacción de oxidación en primer lugar produce mata, escoria rica en magnetita y gas a partir del concentrado de chalcopirita y de los fundentes silícicos. La escoria luego es parcialmente reducida con carbón pulverizado. Las reacciones de oxidación y reducción son asumidas que proceden bajo una serie de condiciones de equilibrio de separación. El modelo termodinámico explica bien la distribución de elementos menores observados en los 15 Ton/hr del horno piloto, y es empleado para proyectar las condiciones óptimas de fusión para un escalamiento a 100 Ton/hr de un reactor Isasmelt. 1.1.1 Modelo de los Dos Lugares para la Fusión Isasmelt. La desventaja de una operación con alta magnetita descansa en un inevitable incremento de pérdida de cobre en la escoria y un alto riesgo que repercute la presencia de magnetita en el baño. Este dilema fue solucionado en el proceso Isasmelt por la introducción de una reacción lenta de carbón granulado o carbón sólido, con lo cual se crea en el reactor sitios con dos reacciones independientes: un sitio de reacción de rápida oxidación para el concentrado de chalcopirita y un sitio de reacción de baja reducción para la magnetita y el óxido de cobre. Conforme al resultado, el reactor Isasmelt puede oxidar y fundir un alto tonelaje de concentrado horariamente y aún producir una mata de medio a alto grado, junto a una escoria con contenidos bajos de magnetita y cobre. La ventaja de tal doble posición fue favorablemente procesada en la operación del reactor Flash Smelting de Tamaño por medio de la adición de carbón pulverizado al baño de escoria. El concepto de los dos sitios de reacciones independientes se muestra en la figura correspondiente. De acuerdo al modelo de los dos sitios, los óxidos gaseosos, tales como AsO (g) y ZnO(g), son volatilizados en el sitio de la reacción rápida y se asume que no están alrededor del sitio de reducción del carbón; sin embargo permite al reactor oxidar antes de reducir. 1.1.2 Modelamiento Matemático 1.-Balance de Masa en el Equilibrio para las Reacciones de Oxidación A) Contenido de Oxígeno y Sulfuro en la Mata.
B) Contenido de Hierro Ferroso y Férrico en la Escoria C) Presió parcial del SO2 D) Distribución del Zinc por la Ley de Nernst E) Distribución del Arsénico por la Ley de Nernst
Así de ese modo la concentración del As en la mata Z, puede ser calculada para una cantidad dada de arsénico inicial ( ). La distribución de antimonio y bismuto pueden ser calculados por un procedimiento similar al caso del arsénico. II.- Balance de Masa para el Equilibrio de las Reacciones de Reducción. Considerando una reacción de equilibrio donde una escoria con alto contenido de magnetita (p. ej m=18) es reducida con carbón granulado a un nivel bajo de magnetita, tal como m = 3. El número de moles de las especies antes y después de la reducción puede ser expresada como se muestra: Antes:
Después:
En el sistema reactante, todos los constituyentes además del carbón granulado están en la escoria; mientras que en el sistema de productos CO, C02, Zn(g) y Pb(g) están en la fase gas y todos los otros en la fase escoria. En virtud a la ley de la conservación de masas antes y después de la reacción, existen los siguientes cinco balances de masa: BalanceFe:
Balance 0:
Balance C:
BalanceZn:
BalancePb:
Además hay tres balances más tal como para el SiO2' CaO y Al2 O3 los cuales son invariables antes y después de la reacción. El sistema involucra 11 especies y ocho balances de masa, existiendo tres equilibrios independientes. Suponiendo que el contenido de escoria m% Fe3O4 antes de la reducción con carbón granulado de una escoria teniendo r razón de Fe/SiO2 Sustituyendo los valores de m y r, las actividades del Fe0 y Fe3O4 pueden ser calculados.
PZn= K56aZnO/ k (23) PPb = K57aPbO/ k (24)
Desde las ecuaciones anteriores, podemos hallar:
donde el número de moles del Fe3O4 es conocido a partir de la masa oxidada de escoria y el valor r y el nivel propuesto de m a partir de la reducción del C. Para una presión total dada de fase gas, P (atm), la presión parcial de zinc y plomo podrían ser expresados en términos del número de moles, como se muestra: PZn = PnZn / ng PPb = PnPb / ng donde ng = nco + nco2 + nzn + nPb ng = ng - x - y
kPnZn / ng = K56 gZnOX/nb kPnPb / ng = K57 gPbOY/nb donde
nsi º nsil + nlim + 2nalm Después de algunos arreglos podemos arribar a las siguientes expresiones:
Las ecuaciones simultáneas F1 y F2 contiene dos variables no conocidas x e y, los cuales pueden ser encontrados por el método iterativo de Newton Rhapson. Lo cual nos permitirá establecer la composición completa de la fase gas y escoria. 1.2 Proceso Noranda El modelo en estado continuo para el proceso Noranda produciendo tanto cobre metálico o mata de alta ley. Las variables para el proceso tales como: temperatura, enriquecimiento del oxigeno, composición de la carga( o concentrado), la ley de la mata y el contenido de la magnetita de la escoria se integraron en un modelo computarizado, el cual provee la composición química del cobre metálico, la mata y las fases de la escoria para alguna composición especificada, además suministra predicciones o pronósticos en lo que concierne a los efectos de operación y así mismo contribuye a mejorar el control metalúrgico. 1.2.1 Elección de Variables El sistema fundamental del Proceso Noranda puede considerarse consistente de cinco componentes : Cu Fe, S, 0 y SIO 2* En el Proceso Noranda (PN), las fase de mata y cobre metálico contienen en gran manera bajas concentraciones de elementos menores, los cuales no son tomados en cuenta, mientras que en las escorias correspondientes pueden contener cantidades apreciables de óxido de zinc (7%), alúmina (5%), óxido de plomo (3%), y óxidos de metales alcalinotérreos (3%). En el caso del proceso de obtención del cobre, existen cuatro fases: Cobre metálico, mata, escoria y gas. Asumiendo que una mezcla turbulenta entre esas fases, debido al funcionamiento de toberas ocasione condiciones de equilibrio en el sistema. Los parámetros termodinámicos del proceso de obtención del cobre pueden ser definidos por tres variables: - Temperatura. La actividad de la magnetita puede correlacionarse con su concentración presente en la escoria de fayalita, con la siguiente ecuación: [Fe3O4]Si = 2.6 + 29.7aFe3O4 - (10.8 - 34aFe3O4) - (10.8 - 34aFe3O4)t - (2.3 - 6.7aFe3O4)t2 Donde t= 0.01 (T-1523) 1473£T£1573 Para el proceso de obtención de la mata donde hay tres fases presentes que son: mata, escoria y gas; hay cuatro grados de libertad que son: - Temperatura
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