Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología IQ5306-Reactores 2
Informe parcial 3 “Convertidor Teniente”
Integrantes:
-Bayron Cayunao C. -Rodrigo Valenzuela A.
Profesor:
-Francisco Gracia
Profesor Aux: - Felipe Díaz A. Ayudantes:
-Javier Carillo -Javiera Gatica
Fecha:
-10 de Mayo 2012
1-Ensayo Desde el desarrollo de la revolución industrial, la humanidad se ha visto enfrentada al dilema de la producción versus el cuidado del medio ambiente. En los comienzos de este periodo histórico, las industrias fueron sindicadas como un medio para el progreso humano, pues generaron las soluciones que la sociedad requería, sin embargo, las nuevas industrias químicas que surgieron durante este período no realizaron ningún esfuerzo serio para combatir la contaminación. A medida que pasaron los años, el problema de la degradación de nuestro entorno fue evidente, desastres como “La gran niebla de Londres” en 1952, en donde las emisiones
generadas por el crecimiento incontrolado de la quema de combustibles de la industria y transporte causo la muerte de 12.000 Londinenses, lograron crear una conciencia colectiva. ¿Qué tan importante es la producción y qué consecuencias negativas puede causar sobre las vidas humanas y su medio próximo? Es importante comentar qué se entiende por contaminación ambiental. Roy Harrison afirma: “La contaminación ambiental es un juicio” , lo que nos lleva a pensar que el problema ambiental es subjetivo. Sin embargo existen otras definiciones contrarias, como la siguiente: “Una sustancia en el lugar equivocado, en la cantidad equivocada, en e l momento equivocado” . En conclusión, no existe un consenso general en la búsqueda de una terminología exacta para el tema, pero en lo que no se puede dudar es en lo que señala el Banco Mundial en el año 2007, “En muchas áreas urbanas, especialmente en las del mundo en desarrollo, la contaminación atmosférica es la amenaza ambiental más
grande a la salud de las personas” por
lo que la contaminación ambiental es un tema que
debe ser solucionado. El problema de la contaminación ambiental es inherente en el desarrollo del convertidor Teniente, como ha sido estudiado en previas entregas, la reacción en cuestión desprende gases que son nocivos al medioambiente, como lo son: SO 2, CO, CO2, As, etc. En virtud de ello, la división El Teniente de Codelco generó un programa que permite mejorar la captura de los gases, partiendo desde el año 1994 en donde la CONAMA declaro al área de Caletones (donde se encuentra el reactor) un área saturada, esto es que las concentraciones de SO 2 y material particulado superaban la norma de calidad del aire. La forma de mitigación que implementó la empresa para mejorar la captura de gases fue la creación de dos plantas de limpiezas de estos mismos, si bien, la captura se ha visto incrementada, aun se encuentra lejos de de manipulación de sustancias nocivas. El problema de la contaminación trasciende el entorno inmediato de la empresa, y puede generar efectos en la población civil cercana a algún reactor del tipo convertidor Teniente. Un ejemplo claro de esta situación, fue la intoxicación que sufrieron niños de un colegio ubicado en la comuna de La Greda, en las proximidades de Quintero, por efectos de los gases provenientes de la fundición de Ventanas. He aquí un claro ejemplo del rol social y ambiental de un ingeniero de procesos, en donde su labor (que paradójicamente a veces parece silenciosa), puede provocar un accidente de escala mayor en la sociedad. ¿Somos
consientes de las consecuencias que puede producir un error en nuestro trabajo, sobre el contexto inmediato que nos abarca? La respuesta parece clara, somos responsables del bienestar de nuestro entorno.
2-Aspectos técnicos 2.1-Descripción de la operación del equipo
La operación del Convertidor Teniente se efectúa mediante la regulación de los flujos de concentrado seco, fundente y carga fría que son alimentados constantemente para ser fundidos en el interior de éste, el cual se encuentra inicialmente cargado con un baño de metal blanco. Cuando el nivel del baño llega a una altura de 1.5 [m] de altura se procede al sangrado de escoria, que se realiza cada 20 minutos aproximadamente. En el caso del sangrado de metal blanco se toma una medición de nivel del baño para determinar el momento del sangrado, así cuando el nivel es de aproximadamente 1 [m] de metal banco se procede al sangrado que ocurre aproximadamente cada 1 hora. 2.2- Variables de entrada y salida
La clasificación de las variables de entrada y salida se realiza en virtud de la pregunta ¿Quién fija qué?. En el caso de las variables de entrada el entorno fija las condiciones de la operación y para las variables de salida éstas son determinadas por el proceso. Así se llega a la siguiente clasificación en base a la figura 1 del anexo 4.1. Tabla 1: Clasificación de variables Convertidor Teniente
Variables de Entrada
Variables de Salida
Flujo de Concentrado
Flujo de Metal Blanco
Flujo de Fundente
Flujo de Escoria
Flujo de Concentrado Húmedo
Flujo de Gases
Flujo de Aire
Concentración de Cobre en Metal Blanco
Flujo de Oxígeno
Concentración de Magnetita en Escoria
Flujo de Retorno Líquidos
Flujo de Carga Fría
Temperatura de Carga Fría
Temperatura Metal Blanco
Temperatura de Fundente
Temperatura Escoria
Temperatura de Concentrado
Temperatura Reactor
Temperatura de Concentrado Húmedo
Temperatura Gases
Temperatura Retorno Líquidos Concentración de Cobre, azufre y fierro en Concentrado seco
2.3-Descripción problemas en funcionamiento
Las dificultades que se producen en la operación están asociadas a los siguientes problemas:
Aquellas fallas relacionadas con el sistema de soplado de aire, debido a cortes de la energía eléctrica o cuando la presión de aire de soplado cae bajo los 12 psig manteniéndose de esta forma durante más de 10 segundos. En ambos casos el convertidor girara a posición de carguío (se saca al reactor de la posición de soplado), impidiendo que la presión del líquido tape las toberas con metal blanco. Problemas asociados al sobrecalentamiento del manejo del sistema de gases, produciendo el giro del convertidor de forma de proteger la destrucción de los precipitadores electroestáticos. Contenido de magnetita en la escoria el cual debe estar dentro del rango de 1620%. ( por debajo del rango desgaste prematuro de de ladrillos refractarios, y por encima aumento de la viscosidad de escoria) Fenómeno de Espumación, que ocurre por el atrapamiento significativo de una cantidad de gas por parte de la escoria, aumentando su volumen y sangrando repentinamente. Esta situación se produce por efectos combinados de viscosidad, tensión superficial y violenta generación de gas. (Ver anexo 4.1 figura 2)
2.4-Instrumentación y equipos auxiliares
Para la instrumentación se deben establecer objetivos de operación, los cuales son la obtención de metal blanco con 74 a 76% de cobre y mantener constante la temperatura del reactor. Para cumplir los objetivos se deberán establecer criterios de acción, que será la regulación de los flujos de Fundente, Concentrado, Oxígeno y carga Fría. El convertidor teniente para funcionar requiere de diversos equipos auxiliares, divididos en: 1. Sistema de Inyección de concentrado seco: permite la alimentación continua de concentrado al convertidor teniente. Este se compone de dos vasos presurizados que utiliza aire comprimido a alta presión (680 [kPa]) que cargan el concentrado, donde es transportado mediante toberas al convertidor. 2. Sistema de Inyección de Aire: dividido en una red de distribución de aire (cañerías, válvulas y elementos de control), una red de distribución de oxígeno (cañerías, válvulas y elementos de control), sistema de distribución de aire enriquecido (armónica de distribución a toberas) y un conjunto de 36 toberas de inyección de aire (conexión a armónica, silenciador, caja de válvula y tobera). 3. Sistema de Alimentación de sólidos (Garr-Gun) que es un conducto metálico ubicado en la culata opuesta de la boca de salida de gases del Convertidor, sus elementos principales son un tolvín de recepción de carga, un tuvo de inyección y una red de aire. Hay que indicar que el material es llevado al Garr-Gun mediante una correa transportadora. 4. Sistema de Giro: es un sistema motriz que gira el convertidor para mantención, además posee un sistema de respaldo mediante baterías que gira el convertidor en caso de emergencia.
5. Sistema de Extracción de Metal Blanco y Escoria: consiste en una canaleta por donde escurre el material fundido y tazas, las cuales mediante una grúa de carga suspendida son trasladados a la zona de sangrado y después llevados procesos posteriores. Además la zona de sangrado a escoria posee una máquina taponeadora que inyecta greda a presión para sellar el sangrado. 6. Sistema de punzado de Toberas: se utiliza una máquina de punzado neumático que mantiene las toberas destapadas para mantener el flujo de aire constante. 7. Sistema Térmico: consiste en dos quemadores sumergidos en el baño que se encuentran en el espacio de una tobera. 2.5-Aspectos de seguridad industrial
Las medidas de seguridad del equipo parten por identificar los riesgos del Convertidor Teniente. Éstos son principalmente riesgos de carga suspendida, etapas de sangrado de metal blanco y escoria, caída desde plataformas, quemaduras por altas temperaturas, zona de salida de gases, girado de emergencia del equipo, transporte de material fundido, carga de retornos líquidos, máquina de punzado automático y fenómeno de espumación.
3-Primera versión modelo unidad de reacción Como se comento en la entrega anterior, los procesos pirometalurgicos trabajan a altas temperaturas (800-1600°C), en tales rangos la velocidad de las reacciones son altas, y en consecuencia el proceso controlante en la cinética total es la transferencia de masa (difusión y convección). Como primer acercamiento en búsqueda de un modelo para el reactor se subdividió el reactor por zonas siendo estas: Fusión de concentrado, transferencia de masa del oxígeno gaseoso a la fase líquida, reacción y separación de fases. La primera versión de la simulación abarcara la transferencia de masa que ocurre entre el oxígeno gaseoso (presente en las burbujas de aire que son inyectadas por medio de toberas) y la fase líquida de metal blanco. Para efectos del modelo se asumirá las siguientes hipótesis: 1. El metal blanco a 1400°C se comporta como el agua a 20°C (propiedades como densidad, tensión superficial, contante de Henry, coeficiente de difusión, son similares). 2. Las burbujas de aire son esféricas y tienen un diámetro promedio que se estima por la ecuación 4, y siempre mantienen este diámetro durante la transferencia. 3. La concentración de oxígeno en el bulk del líquido es cero, pues la reacción es tan rápida que consume todo el oxígeno disponible en la fase líquida. 4. La velocidad de ascenso de oxígeno en agua es de aproximadamente 3 [m/seg]. 5. El flux inicial es cero, pues en el comienzo de la operación no hay transferencia de masa (CI) La ecuación a utilizar será la de transferencia de masa, esto es:
ec.1
que al ocupar las hipótesis número 3 queda como:
ec.2
Donde : flux de moles de oxígeno ⁄
: Coeficiente de difusión de oxígeno en metal blanco : Área específica [m] : Concentración de oxígeno en la interfase líquido-gas [] : Concentración de oxígeno en bulk fase líquida [] Como existe equilibrio en la interfase, la concentración de oxígeno en la superficie en contacto con la burbuja la estimamos por medio de la ley de Henry y Dalton esto es:
ec.3 Donde : fracción de oxígeno en aire ( 35%)
: Presión total salida toberas [atm] : Constante de Henry Oxígeno en metal blanco 1400°C [mol/L atm] Para determinar el área específica debemos conocer el diámetro promedio de burbujas el cual se estima por la relación:
) ec.4 () ( Donde : tensión superficial metal blanco [erg/cm ] : Densidad metal blanco a 1400°C : Flujo de aire por toberas [cm /seg] : Diámetro toberas [cm] 2
3
: Número de toberas A su vez es necesario conocer el número total de burbujas el que se calcula como:
ec.5 [ ]
Donde : número de burbujas totales
: Altura de ascenso burbuja [m] : Velocidad de ascenso burbuja [m/seg] De los resultados obtenidos en la simulación (ver anexo 4.2), se aprecia que el flux de transferencia de oxígeno es lento, lo que está en directa relación con la hipótesis adoptada que la transferencia de masa es la etapa controlante. La curva obtenida
manifiesta una tendencia lineal entre el flux de oxígeno y el tiempo en que transcurre la transferencia, sin embargo esta debería llegar un máximo para luego mantenerse en este valor, o bien decaer. La situación anterior no se observa, pues la hipótesis número dos, indica que el radio de las burbujas se mantiene constante, o lo que es lo mismo, el oxígeno en la fase gas no se agota, en la siguiente entrega, se complejizara este hecho. El flux de oxígeno esta en directa relación con la ley de cobre que se obtendrá en el producto final, se espera para posteriores entregas poder reflejar esta situación. El modelo se ampliara en la siguiente etapa, para considerar la separación de fases.
4-Anexos 4.1- Figuras Figura 1: Esquema Convertidor Teniente
Figura 2: Fenómeno de espumación
4.2 Resultados modelo Gráfico 1: Flux de transferencia de Oxígeno a baño v/s tiempo de operación
4.3 Código function CT %% Cometarios del Programa %Función que modela el convertidor teniente y grafica los resultados %obtenidos. %INPUT: No requiere %OUTPUT: Despliega los gráficos del modelo %v1.0 Thu May 10 18:00 2012 %Rodrigo valenzuela %
[email protected] %Bayron Cayunao %
[email protected] %% Inicio del Programa clc options = odeset('RelTol',1e-4,'AbsTol',[1e-4]); [T,C] = ode45(@rigid,[0 120],[0],options); %% Graficado de la Función plot(T,C(:,1),'-') xlabel('tiempo de operación [hr]'); ylabel('Flux de oxígeno [mol/m^2 hr]'); title('Flux de Transferencia de Oxígeno en Baño v/s Tiempo de operación'); end function dc = rigid(t,c) %% Comentarios del Programa %Función que entrega la ecuación de transferencia de masa a ser resuelta %INPUT: t: tiempo a ser resuelta la ecuación % c: Flux de oxígeno %OUTPUT: dc: Ecuación diferencial %% Parámetros d=5.9; %diametro tobera [cm] rho=5.2; %densidad en [gr/cm^3] sigma=73.6; %tension superficial [erg/cm^2] N=47; %numero de toberas v=7900; %velocidad tobera [cm/s] kL=1/1000000000; %coeficiente de difusion [m^2/s] H=33000000; %constante de Henry [mol/L at]; P=1.229106; %presion de la tobera [atmosfera] y=0.35; %fracción de enriquecimiento de oxígeno [ ] po=y*P; %Presión parcial de oxígeno [atmósfera] h=1.55; %altura del baño [m] va=3; %velocidad de ascenso [m/s] F=v*pi*(d/2)^2; %flujo de oxigeno [cm^3/s]
db=0.091*((sigma/rho)^0.5)*(((6*F)/(pi*(d^2)*N))^0.44); %diametro burbuja [cm] Vb=(4/3)*pi*(db/2)^3; %volumen burbuja [cm^3] Ab=4*pi*(db/2)^2; %area de burbuja [cm^2] NTb=(F/Vb)*(h/va)*47; %numero de burbujas por [segundo] Sp=((Ab/Vb)*NTb)*100; %superficie especifica [1/m] Cas=(y*P)/H; %concentracion [mol/L] %% Entrega de la Ecuación Diferencial dc = zeros(1,1); % vector columna dc(1) = kL*Sp*(Cas); %Ecuación de Transferencia de Masa end
