UNIVERSIDAD DE ATACAMAFACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE METALURGIA

SIMULACION Y MODELACION IIProducción de Mata simulando circuito

en METSIM

Profesor : Jonathan CastilloAlumno : Rodrigo Alcaíno Fecha : 27 / 11 / 2015

INTRODUCCION

El presente documento muestra el análisis de un circuito pirometalurgico para la producción de Mata utilizando el Software METSIM, el que permite simular la operación, para lo cual es necesario diseñar el proceso realizando el diagrama de actividades y procesos unitarios. METSIM dispone simular el funcionamiento de los equipos debido a que entre sus herramientas vienen incorporado virtualmente los equipos. En la figura 1 se muestra el diagrama del circuito terminado.

Figura 1. Diagrama

Introducción al problema.

Se desea obtener una Mata con 60% Cu a 1100ºC, para lo cual se alimenta un concentrado de 26,8% de Cu, la transformación del concentrado en estado sólido a Mata, la cual esta estado

líquido se realiza en un horno, en este proceso es necesario agregar además de concentrado, un fundente en estado sólido, combustible en estado gaseoso y aire.

Descripción del trabajo realizado

Para una explicación ordenada de cómo se llevó a cabo la construcción del diagrama y su posterior simulación. Se detallara por etapas el circuito.

1ra Etapa: Ingreso de Solidos. En la figura 2. Corresponde a la zona parcial del circuito completo a explicar.

Figura 2. Zona 1

La operación unitaria controlante de esta parte, es la figura “5 MIX” que corresponde a un mezclador el cual se encuentra disponible en ítem “GEN” de las opciones del software. Ver

extremo derecho Figura 3. Posteriormente selecciono este botón , y ubico el mix donde estime conveniente. El mix permite la mezcla de sólidos, líquidos y gases, balanceando temperaturas y permitiendo reacciones químicas, en este caso se mezcló el concentrado de Cu con el fundente ambos a temperaturas iguales, 30º C, ambos flujos dan origen a STREAM 9

Figura 3. Interfaz general software

2ª Etapa: Ingreso Combustible y aire. En esta etapa se considera MIX 2 como centro de la operación unitaria. Ver Figura 4. Aquí se realiza una combustión entre CH4 que corresponde a STREAM 1 y aire STREAM 2, para producir un gas con 15% en oxígeno a alta temperatura, el cual corresponde STREAM 3. Para condicionar la salida de un gas con 15% de 2 MIX fue

necesario la instalación de un controlador en STREAM 2, esta herramienta se encuentra en el panel al costado derecho del display del software. Ver figura 3. Correspondiendo a este

botón luego a este botón

Figura 4. Zona 2.

3ª Etapa: Aire Dilución: la función de esta etapa. Ver figura 5 es la reducir la temperatura del aire con 15% de Oxigeno STREAM 3 con la operación unitaria MIX 3 adicionando aire via STREAM 4, pero además por exigencia del proceso STREAM 5 que corresponde al gas de salida, este debe estar a 260ºC para lo cual se instala un controlador en STREAM 3, el cual

modifica el flujo de aire de STREAM 1 STREAM 2 y STREAM 3, ajustando la masa, hasta obtener los flujos balanceados.

Figura 5. Zona 3

4ª Etapa: secado de concentrado y fundente: Este proceso se realiza mediante la operación unitaria 4 DRY. Ver figura 6. Que corresponde a un secador el cual se encuentra en la operaciones pirometalurgicas del software para lo cual hay que dirigirse al extremo derecho

de la interfaz y clickear y luego . El objetivo de esta operación es el reducir el porcentaje de humedad presente en la mezcla solida STREAM 9 mediante la adición de aire a 260ºC para emitir dos flujos STREAM 10 el cual corresponde al concentrado con 2 ton de agua a 135ºC y un flujo de gases STREAM 11 el cual debe salir a 150ºC para lo cual se instala un controlador en STREAM 5 que debe ser sincronizado para ajustar todos los flujos que le anteceden STREAM 1 STREAM 2 STREAM 3 STREAM 4. STREAM 11 es liberado del proceso general.

Figura 6. Secado

5ª Etapa: Enriquecimiento de aire: El enriquecimiento de aire se realiza en la zona baja del diagrama en la operación unitaria MIX 7. Ver figura 1. Para el enriquecimiento de aire se ingresan dos flujos al mezclador MIX 7. Ver figura 7 para lo cual se ingresan dos flujos de gas a 30ºC STREAM 15 corresponde a la corriente de aire y STREAM 16 la corriente de aire con 95% de Oxigeno, los cuales son mezclados para fluir del mezclador como STREAM 14.

Figura 7. Enriquecimiento de Oxigeno

6ª Etapa: Producción de Mata: Esta etapa es operada y realizada por la herramienta SPP. Ver figura 8 .Denominada spliter, el cual se encuentra en las herramientas generales al costado

derecho de la interfaz del software clickeando este botón esta función permite la reacción química para su separar en fases los sólidos ingresados, para lo cual es fundamental controlar temperatura caudales de las corrientes entrantes. A SPP 6 se ingresa STREAM 10 que corresponde a la mezcla de fundente y concentrado de Cu con 1.98 T de Agua y STREAM 14 al aire enriquecido en Oxigeno. Para la producción de mata SPP 6 de conocer las reacciones que allí ocurrirán. Ver figura 9 Los efluentes o productos de salida de este proceso son 3 y corresponden a STREAM 17 que es los gases salientes de la producción de mata, los cuales por exigencia del proceso deben estar a 1300ºC, lo cual es controlado por un controlador instalado en STREAM 14 que a su vez regula los flujos anteriores STREAM 15 Y STREAM 16. STREAM 17 corresponde a la escoria producida y STREAM 13 a la mata, ósea el producto final de todo el proceso.

Figura 8. Horno

Figura 9. Reacciones.

Resultados

Para realizar la simulación del proceso es necesario activar la función balance energético y

balance de masa lo cual se activa clickeando en el costado izquierdo de la interfaz y posteriormente clickear la opción “calc options” y la tickear “Heat Balance” y “Mass Balance” tal como se muestra en figura 10.

Figura 10. Activando Balances.

Por tanto el software permite entregar un balance de energía y balance de masa, siendo en este proceso. Ver figura 11

Figura 11. Balance Calor resumen y Calor de Reacciones.

Figura 12. Temperaturas de corrientes y entalpias.

Figura 13. Flujo volumétrico de los flujos de gases.

Figura 14. Gravedad Específica de las corrientes.

Figura 15. Composición de flujos según fases

Figura 16. Composición flujos según fases 2

Figura 17. Composición según fases 3

Figura 18. Composición según fases 4.

Figura 19. Composición según fases en mol por día de cada corriente.

Figura 20. Composición según fases en mol por día de cada corriente 2

Figura 21. Composición de Gas en porcentaje molar.

Figura 22. Balance de elementos por cada corriente.

Figura 23. Concentración elemental en gramos por litro de cada flujo.

Análisis y conclusiones

Si bien el objetivo del problema que era desarrollar un circuito que permitiera la obtención de de mata con 60% de Cu, no fue logrado, debido a que solo se consiguió un producto con 40% Cu, esto se puede atribuir a lo siguiente, los valores para la alimentación de gases al circuito estaban fijados por el problema, estos fueron re calculados por el software producto de la instalación de los controladores en diferentes corrientes del circuito, debido a que las variables a controlar temperatura y concentración de Oxigeno son en función del caudal y de no ajustando las corrientes antecesoras el balance de masa se desequilibraba sobre la corriente alterada, por lo que realizar un ajuste sin considerar los flujos anteriores no se resulta posible si lo que se busca en obtener un balance de masa ajustado. Revisando la hoja de resultados del programa se observa que el balance energético y de masa está completamente ajustado, con lo cuales se puede considerar parcialmente la realización de esta actividad como exitosa. Además el desarrollo de esta actividad permite al usuario una gran familiarización con el software contribuyendo a la formación universitaria.