Información Tecnológica-Vol. 15 N°5-2004, págs.: 33-36

METALURGIA Y MATERIALES

Cinética del Soplado a Cobre en un Convertidor Peirce-Smith

Kinetics of the Copper Blow in the Peirce-Smith Converter

F. Carrillo¹, R. Hernández¹, J. Martínez² y A. Roselló¹

(1) Univ. de Sevilla, Dpto. de Ingeniería Química, Fac.  Ciencias, c/Prof. García González s/n,
41012 Sevilla-España (e-mail: rosello@us.es)

(2) Atlantic Copper, S.A., Avda. Fco. Montenegro s/n, 21001 Huelva-España

Resumen

Se establece un modelo para el comportamiento del convertidor Peirce-Smith durante el soplado a cobre utilizando un tratamiento cinético. Para este fin se ha realizado un estudio en un reactor de laboratorio y se han aplicado técnicas de escalamiento para la aplicación de los resultados a un reactor industrial. En el reactor de burbujeo de laboratorio se obtiene la velocidad de desulfuración de sulfuro cuproso en función de la temperatura y del flujo de gas. Se encontró que la conversión de azufre es independiente de la temperatura, pero hay una gran influencia del flujo. El escalamiento se ha llevado a cabo suponiendo el mismo coeficiente volumétrico global para la escala de laboratorio y la comercial. Se encuentra un buen acuerdo entre los datos del modelo y los experimentales del reactor industrial cuando la conversión de azufre es inferior al 90%.

Abstract

A model is established for the behaviour of the Peirce-Smith converter during the copper blow using a kinetic treatment. A study was carried out with a laboratory reactor to then apply scaling techniques for its application to an industrial reactor. The desulfurisation rate of copper sulfide was obtained in a laboratory bubbling reactor as a function of temperature and gas flow. It was found that the conversion of sulfur was independent of temperature, but was highly influenced by the flow. Scaling-up was carried out assuming the same overall volumetric coefficient for both laboratory and commercial scales. A fair agreement between model and experimental data of the industrial reactor was found when sulfur conversion was below 90%.

Keywords: desulfurization kinetics, oxidation of copper sulfide, scaling-up, Peirce-Smith converter

INTRODUCCIÓN

El convertidor Peirce-Smith es el dispositivo más ampliamente utilizado en la producción de cobre. Se trata de un reactor semicontinuo de burbujeo en el que la transformación de matas a cobre blister se realiza en dos etapas, la primera de desulfuración del sulfuro ferroso con escorificación del hierro y la segunda de soplado hasta cobre blister.

La mayoría de los modelos de este convertidor se basan en el supuesto de equilibrio termodinámico en el sistema (Goto, 1979; Bustos y Sánchez, 1987). Sin embargo es necesario utilizar variables cinéticas para considerar aspectos tan significativos como la influencia del flujo de gas. El único modelo cinético publicado (Kyllo y Richards, 1988), propone un cálculo separado para cada fase, en vez de una ecuación de velocidad heterogénea que las implique a todas.

La alimentación y temperatura en el convertidor se encuentran entre márgenes estrechos. De hecho la operación está muy condicionada por la necesidad de controlar la temperatura. Esto obliga al aporte no regular de cargas frías a lo largo de la transformación. Así que a las dificultades usuales para el análisis de los reactores comerciales (modelos de flujo para la gran escala, propiedades de sistemas complejos) se une aquí el empleo de una alimentación complementaria variable y asistemática.

En este trabajo se intenta un análisis cinético de la etapa final en el Pierce-Smith, por la que un “metal blanco”, de composición cercana a la del sulfuro cuproso, reacciona con aire para dar cobre y anhídrido sulfuroso. El objetivo concreto es establecer una ecuación de velocidad para ese soplado a cobre utilizando datos conseguidos en un reactor de laboratorio en el que el gas está disperso en el fundido, a semejanza del convertidor comercial.

Existen varios estudios a escala de laboratorio sobre la oxidación de sulfuro cuproso, casi siempre en equipos sin burbujeo (Jalkanen, 1981; Alyaser y Brimacombe, 1995; Carrillo et al., 2002). Por lo general los resultados se han interpretado asumiendo resistencia preponderante de la fase gaseosa. De sus datos con un horno de burbujeo, Fukunaka et al. (1991) concluyen lo mismo, ya que estiman en un 3% la resistencia de la fase líquida en sus condiciones de operación. Es obvio que la modelización del reactor comercial se simplificaría mucho de ser aplicable esta hipótesis.

METODOLOGÍA

Se han obtenido datos de composición de la mata frente al tiempo de soplado en un reactor comercial de 50,6 m³ de volumen efectivo que produce unas 200 t de cobre blister. Las condiciones de operación son mostradas en la Tabla 1

Tabla 1: Condiciones de operación del convertidor Peirce-Smith

Se determinaron los contenidos de cobre y azufre en diferentes puntos del fundido para evaluar su homogeneidad. Las diferencias de concentración entre localizaciones diferentes no fueron significativas. Por consiguiente puede asumirse que el convertidor se comporta como un reactor en mezcla completa discontinua y existe una única conversión, x_S, para cada tiempo, t. La relación entre ambos es:

 (1)

La superficie interfacial es la de las burbujas, que se suponen esféricas:

  (2)

siendo a_b la superficie específica de las burbujas, d_b su diámetro y e_G la fracción volumétrica de gas. El volumen del fundido varía porque hay cambio de masa y de densidad. Es decir:

(3)

         (4)

(N_S)₀ y (V_L)₀ son conocidos y e_L calculable. También pueden estimarse e_G y d_b mediante diferentes correlaciones (Akita y Yoshida, 1973; Mersmann, 1978; Gaddis y Vogelpolh, 1986; Sarrafi et al., 1999), pero sus resultados no serán concluyentes. Las condiciones usuales en la industria quedan fuera de los límites entre los que están definidas estas correlaciones y al extrapolar se encuentran estimaciones divergentes (Pohorecki et al., 2001).

La velocidad heterogénea de reacción gas-líquido, (-u_S), incluye tres resistencias que cabe reunir en un

coeficiente global de transporte y reacción K, con las siguientes unidades: (mol/(m² s atm)).

                                        (5)

Y pasando de ese coeficiente cinético referido a una superficie a otro referido a un volumen para evitar las incertidumbres en las estimaciones de d_b y e_G:

                            (6)

                              (7)

Para obtener K_V se ha utilizado el dispositivo de laboratorio esquematizado en la figura 1. En él se determina la cantidad de azufre reaccionada con el tiempo, analizando por volumetría el ácido sulfúrico formado en ambos absorbedores tras la absorción de los óxidos de azufre generados en el reactor sobre agua oxigenada.

Las condiciones de operación del reactor de laboratorio son las mostradas en la tabla 2.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la figura 2 se presentan los datos de conversión de azufre frente a tiempo de operación en el reactor de laboratorio (error ± 3%).

Tabla 2: Condiciones de operación del equipo de laboratorio

Los datos indican que la influencia de la temperatura es despreciable, al contrario que la del flujo gaseoso. Para cada flujo y quedan constantes.  y  tienen un único valor. Se obtiene para cualquier T:

           (8)

En el convertidor comercial la fase cobre se separa de la de sulfuro y queda por debajo de las toberas por las que se alimenta el gas con un flujo constante. El cambio de volumen es aquí consecuencia únicamente de la reducción de masa en la zona de reacción. Manteniendo para la escala industrial la constancia  encontrada a escala de laboratorio.

                 (9)

Como antes, ha de ser constante. Manteniendo el exponente de v_G obtenido para el reactor de laboratorio:

                  (10)

Para obtener a se asume que el escalado es posible a través de . De forma que hay un flujo de laboratorio  para el que

                        (11)

Y por tanto

        (12)

La ecuación se resuelve dando valores a . En la figura 3 se comparan las conversiones obtenidas con (12) y las experimentales. Existe un buen ajuste para x_S <=0,90. Con las ecuaciones (11) y (10) se deduce .

De manera que la conversión de azufre, X_S, entre 0,00 y 0,90 para la etapa de soplado a cobre en el Peirce-Smith sería:

                                           (13)

Esta ecuación cinética para el reactor industrial permite calcular conversiones en condiciones de operación distintas a las ordinarias (flujo constante, alimentación de aire, eficacia del 100% para el empleo de oxígeno). La expresión indica una marcada influencia del flujo de gas y considera irrelevantes la temperatura en el reactor. Por otra parte no da cuenta del brusco descenso de  para X_S<0,90, probablemente relacionado con los cambios de fases en el fundido y la reducción de interfase en esta etapa final.

CONCLUSIONES

Se ha conseguido una ecuación cinética para la desulfuración durante la última etapa de operación en el Peirce-Smith. Para ello se ha utilizado un escalado desde un reactor de burbujeo de laboratorio. El criterio de escalado ha sido el mantenimiento del coeficiente global expresado en .

Las ecuación cinética propuesta no incluye como variable la temperatura del convertidor. La influencia del flujo gas es tan relevante que debe relacionarse con al extensión de la interfase y no con la preponderancia de la resistencia gas.

NOMENCLATURA

a: superficie específica (m^-1)
d_b: diámetro de la burbuja (m)
e_G: fracción volumétrica de gas (---)
K: coeficiente cinético global (mol/(m²·s·atm))
K_V: coeficiente volumétrico global (mol/(m²·s·atm)
N_S: número de moles de azufre
P: presión (atm)
t: tiempo (s)
T: temperatura (ºC)
(-u_S): velocidad de reacción (mol/(m²·s))
V: volumen (m³)
x_S: conversión de azufre (---)
e: variación relativa de volumen (---)
n_G: flujo volumétrico de gas (m³/s)

Subíndices

G: gas
lab: laboratorio
L: líquido
o: oxígeno
PS: Peirce-Smith
0: inicial

REFERENCIAS

Akita, K. y F. Yoshida. Ind. Eng. Chem. Proc. Des. Dev. 12, 76-80 (1973).

Alyaser, A. H. y J. K. Brimacombe. Met & Mat. Trans. 26 B, 25-39 (1995).

Bustos, M. y M. Sánchez. Copper 87, IV, Ed. C.Díaz, C.Landolt, A.Lurashi, Chil. Inst. Min. Eng. & Universidad de Chile, 473-487 (1987).

Carrillo, F., J. Martínez, P. Barrios y A. Roselló. Rev. Metal. Madrid. 38, 334-338 (2002).

Fukunaka, Y., F. Nishikawa, H. S. Shon. y Z. Asaki. Metall. Trans. 22B, 5-11 (1991).

Gaddis, E. S. y A. Vogelpolh. Chem. Eng. Sci. 41, 97-105 (1986).

Goto, S. Copper and Nickel Converters, Ed. R.F.Johnson, TMS-AIME. Warrendale, USA., 33-54 (1979).

Jalkanen, H. Scan. J. Metall. 10, 257-262 (1981).

Kyllo, A. K. y G. G. Richards. Met & Mat Trans. 29 B, 239-249 (1998).

Mersmann, A. Ger. Chem. Eng. 1, 1-11 (1978).

Pohorecki, R., W. Moniuk, A. Zdvojkowski y P Bielski. Chem. Eng. Sci. 56, 1167-1174 (2001).

Sarrafi, A., M. Jamialahmadi, H. Müller-Steinhagen y J. M. Smith. Can.J.Chem.Eng. 77, 11-21 (1999).