Escuela Ingeniería Química Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
3.
TOSTACIÓN DE PARTÍCULAS
3.1
Introducción
Equilibrio sólido-gas, es decir, un mineral se pone en contacto con un gas a una temperatura determinada, para provocar un cambio químico definitivo en él, el producto es un sólido denominado calcina.
No confundir Tostación con Calcinación
Tostación: 2Cu 2S + 3O2 2Cu2O + SO2
∆H=-188.9 kcal
Calcinación: CaCO 3 + Q CaO + CO2
∆H=39.9 kcal
Dependiendo del gas alimentado el tostador se puede obtener distintos productos tales como óxidos, sulfatos, oxi-sulfatos, cloruros y eventualmente un metal
Dada la alta presión de vapor de algunas impurezas como el As y Sb, éstas se pueden eliminar, al menos parcialmente, por volatilización de sus óxidos
Tostación oxidante permite la obtención de óxidos a partir de sulfuros y/o sulfatos
2Cu2S + 3/2O2 2Cu2O + SO2 CuSO4 Cu2O + 2SO2 + 3/2O2 2CuFeS2 + 13/2O 2 2CuO + Fe2O3 + 4SO2 Tostación clorurante permite obtener cloruros u óxidos desde sulfuros o metales:
2Cu2O +2HCl(g) 2CuCl + H2O(g) Tostación sulfatante permite oxidar parcialmente un sulfuro a sulfato. La calcina lixivia y se sigue la ruta hidrometalúrgica
2Cu2S + SO2 2O2 + 2CuSO4 2CuS + 7/2O2 CuO*CuSO4 + SO2 2CuFeS2 + 4O2 CuSO4 + FeSO4 + SO2 Tostación reductora: Un óxido se reduce a metal en una atmósfera con un reductor gaseoso como CO, H2, etc
Cu2O + CO(g) 2Cu + CO2(g) General Cruz #34, Casilla 4059, Valparaíso, Fono: 56.32.2274181, FAX: 56.32.2273807, E-Mail:
[email protected]
Escuela Ingeniería Química Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
3.2
Condiciones fundamentales para la tostación
Condiciones químicas: Están relacionadas a la atmósfera del tostador, es decir, la fase gaseosa y a la necesidad o no de combustible adicional. Con la presencia de minerales sulfurados, el proceso de tostación puede llegar a ser completamente autógeno (ignición de sulfuros)
Condiciones térmicas: Se relacionan a la búsqueda de la temperatura ideal de tostación, que favorezca el proceso y evite que la carga se sinterice o se funda. Para los concentrados de cobre, la temperatura del proceso de tostación varía entre 600 y 750ºC
3.3
Termodinámica de la tostación
En la tostación oxidante o sulfatante de un mineral sulfurado (sistema M-O-S) se puede distinguir varias reacciones base en fase gaseosa y entre las fases gaseosa y sólida que componen la carga del tostador
Fase gaseosa: Se encuentran normalmente SO 2 y O2 y cantidades no significativas de SO 3 y S2, con los equilibrios S2 + 2O2 = 2SO2 2SO2 + O2 = 2SO3
Al analizar los grados de libertad (F) del sistema, se observa que existen 4 componentes dependientes (S, O, SO2 y SO3) con dos restricciones (equilibrios), lo que corresponde a los 2 elementos independientes (S y O) ◊ F=4+1-2=3 (sin restricción de presión ni de temperatura)
Fijar el sistema
fijar
3 parámetros. Los compuestos más importantes en la tostación son el O 2 y SO2,
considerado como variables para fijas la fase gaseosa (es decir p O2 y pSO3). El tercer variable a considerar es la temperatura, con lo cual se define termodinámicamente el sistema gaseoso.
Al considerar el
sistema completo (sólido + gas) se tiene 3 componentes (M, S y O) lo que indica na
relación entre la varianza (libertad) y el número de fases de: V=5-P. EL número máximo de fases presentes sin restricción de presión y temperatura es 5 (1 gaseosa y 4 condensadas) con lo que se tiene un sistema invariante
El número mínimo de fases puede ser 2 (1 gaseosa y 1 condensada) con V=3, es decir, el sistema se fija al definir pO2, pSO2 y T
General Cruz #34, Casilla 4059, Valparaíso, Fono: 56.32.2274181, FAX: 56.32.2273807, E-Mail:
[email protected]
Escuela Ingeniería Química Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
Las reacciones de base para la interacción S-G se pueden resumir en: M + SO2 = MS + O2
K=pO2 /pSO2
2M + O2 = 2MO
K=1/pO2
3O2 + 2MS = 2MO + 2SO2
K=p2SO2 /p2O2
MO + 2SO2 + O2 = 2MSO4
K=1/(pO2 p2SO2)
MS + O2 = MSO4
K=1/pO2
El balance entre reactantes y productos queda:
∑ reactantes + r1O 2 + r2SO 2 = ∑ productos + p1O 2 + p 2SO 2 Para una tostación oxidante o sulfatante se cumple que r 1 > p1 y que r2 < p2 La estabilidad termodinámica del balance se define por Gibbs: ∆Gº = ∆GºT + RT ln K, siendo K igual a:
∏ aprod PO PSO K= r r ∏ areact PO PSO p1
p2
2
1
2
2
2
2
Al considerar que los reactantes y productos condensados forman fases separadas, y se encuentran en su estado estándar, las actividades de los compuestos metálicos (sólidos) son unitarios y la expresión anterior para condiciones de equilibrio ( ∆GT=0) se reduce a: o
−
∆G T
RT
= (p1 − r1 ) ln p O 2 + (p 2 − r2 ) ln pSO 2
Ya que ∆GºT = ∆HºT - T ∆SºT, se tiene:
(p1 − r1 ) log p O 2 + (p 2 − r2 ) log pSO 2 = − Como no hay cambio de fase
1
o
∆H T
4.58 T
o
− ∆ST
∆HºT y ∆SºT se pueden asumir constantes ecuación es app lineal para
log(pSO2) y log(pO2) en función de 1/T
Al considerar la temperatura constante se puede tener una representación bidimensional, diagrama de Kellog, con pSO2 y pO2 como parámetros. Para el caso de Cu se tiene:
Como no hay cambio de fase
∆HºT y ∆SºT se pueden asumir constantes ecuación es app lineal para
log(pSO2) y log(pO2) en función de 1/T
General Cruz #34, Casilla 4059, Valparaíso, Fono: 56.32.2274181, FAX: 56.32.2273807, E-Mail:
[email protected]
Escuela Ingeniería Química Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
log pSO2(g) 10
Cu-O -S Phase Stability Diagram at 600.000 C
8 CuS
6 4
CuSO4 Cu2SO4
2
Cu2S
0 Cu2O
-2
CuO*CuSO4
Cu
CuO
-4 -14 -12 -10 File: C:\HSC6\Lpp\CuOS600.ips
-8
-6
-4
-2 log pO2(g)
Algunas reacciones: CuS + 2O2 = CuSO4
K=aCuSO4 /(aCuS*p2O2) logK=-2log pO2
∆GT=-RT lnK log K=∆G/(2.303RT)=2log p O2
2CuS + O2 = Cu2S + SO2
K=pSO2 /pO2
Log pSO2=logpO2 + A
Cu2S + SO2 + 3O2 = 2CuSO4
K=p3O2 /pSO2
Log pSO2=-3logpO2 + B
3.4
Diagramas de Ellingham
Ellingham graficó las relaciones
∆V-T
determinadas experimentalmente para la oxidación y sulfuración
de una serie de metales. y = m ⋅ x + b ∆G
= - ∆S ⋅ T + ∆ H
General Cruz #34, Casilla 4059, Valparaíso, Fono: 56.32.2274181, FAX: 56.32.2273807, E-Mail:
[email protected]
Escuela Ingeniería Química Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
General Cruz #34, Casilla 4059, Valparaíso, Fono: 56.32.2274181, FAX: 56.32.2273807, E-Mail:
[email protected]
Escuela Ingeniería Química Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
3.5
Reactores de tostación
Tostador de pisos: El tostador se basa en que el aire inyectado a través de un lecho de sólidos finos tiende a elevar las partículas
A velocidades moderadas, las partículas pueden estar permanentemente suspendidas en un lecho fluidizado mientras que a velocidades altas, las partículas se pueden transportar fuera del reactor junto a los gases de salida
Las velocidades de reacción son rápidas y los tostadores de cobre tratan de 5 a 50 ton/m2/día, implicando una alta eficiencia de la utilización de oxígeno, por lo cual se requiere una inyección de aire levemente superior a la estequiométrica
Esto resulta en un incremento de la concentración de SO2 en los gases de salida, fluctuando entre 10 y 15%, en comparación con los valores de 4 a 6% que se alcanza en los tostadores de piso
General Cruz #34, Casilla 4059, Valparaíso, Fono: 56.32.2274181, FAX: 56.32.2273807, E-Mail:
[email protected]
Escuela Ingeniería Química Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
Flowsheets de operación de tostación de sulfuros: Producción de producto intermedio
Complementar estudios con referencia:
L.COUDURIER, D.W. HOPKINS and I. WILKOMIRSKY, Fundamentals of Metallurgical Processes, 2nd edition, pp. 138-168 3.6
Fundamentos de fluidización
Son partículas de sólido suspendidas en una corriente ascendentes de gas Alta transferencia de masa al sólido
mezcla
casi perfecta S-G. Evolución de la caída de presión en el
horno de lecho fluidizado, ∆P, en función de la velocidad superficial del fluido, vo
General Cruz #34, Casilla 4059, Valparaíso, Fono: 56.32.2274181, FAX: 56.32.2273807, E-Mail:
[email protected]
