Ingeniero Civil de Minas / El proceso de conversión de mata a cobre blíster es una etapa tradicional e indispensable del proceso productivo de cobre metálico a partir de concentrados sulfurados, sin embargo, sus costos asociados por concepto de energía son crecientes y las normas medioambientales resultan ser cada vez más estrictas respecto a las emisiones de gases fugitivos e impurezas, esto ha motivado el desarrollo de procesos continuos y de menor costo. Es dentro de este marco, que el grupo de pirometalurgia de la Universidad de Chile, en conjunto con ENAMI y el AMTC (Advanced Mining Technology Center), ha investigado y desarrollado un nuevo proceso de conversión continua basado en la oxidación de mata de cobre con un flujo de aire o aire enriquecido con oxígeno en contracorriente en un reactor de lecho empacado con una capacidad de 80 [g/min]. En el espíritu de este proyecto, es que en el presente estudio se modeló de forma computacional la fluidodinámica, termodinámica y cinética del azufre presente en el sistema de conversión continua de cobre en lecho empacado, en lo que comúnmente se conoce como modelo CTFD. Esto, con el fin de obtener parámetros de operación que sean aplicables a la actual planta piloto ubicada en la fundición Hernán Videla Lira de ENAMI, y posteriormente a escala industrial cuando el sistema entre en operación. De este modo, se realizaron simulaciones tanto de sectores del lecho empacado, como de reactores a escala laboratorio e industrial, en dos y en tres dimensiones, y tanto en estado estacionario como transiente. En base a éstas, es que se encontró una región de operación con buenos resultados que viene guiada por parámetros de operación como son la velocidad inicial (u_i), fuertemente ligada al número de Reynolds del sistema (Re), la porosidad del lecho (P) y la altura de éste. Región que se resume en las siguientes ecuaciones para 4 alturas distintas de lecho (25, 47, 100 y 195 [cm]): P_25=12.33∙ln(u_i)+79.2 P_25=21.39∙ln(Re)-141 P_47=27.65∙ln(u_i)+159.9 P_47=13.95∙ln(Re)-70.4 P_100=54.85∙ln(u_i)+233.3 P_100=61.13∙ln(Re)-457.2 P_195=14.43∙ln(u_i)+84.2 P_195=16.35∙ln(Re)-99.5 Además, en base a los resultados, se encontró que la desulfuración de cobre está fuertemente dominada por la convección en todos sus procesos y que para ser llevada a cabo con buenos resultados el flujo que atraviesa el empaquetamiento debe ser de carácter laminar, independiente que este se componga de dos fluidos inmiscibles en contracorriente. Sin embargo, pese a los resultados encontrados, éstos necesitan ser validados en estudios futuros, lo cual mejoraría el modelo, dándole más realismo y complejidad al mismo, transformando la simulación en una fuerte herramienta a tener en cuenta a la hora de llevar a cabo la operación. Pese a lo anterior, se destaca que en base a estos estudios y otros cercanos realizados, existe una concreta y promisoria utilización de la nueva tecnología de conversión continua en reactor de lecho empacado como reemplazo de aquellas tradicionales, la cual solo debe ser optimizada y mejorada en ciertos aspectos. Debido a esto, es que el presente trabajo pretende ser un buen referente que contribuya a la consagración de esta tecnología por sobre las existentes.

El presente Trabajo de Título tuvo por objetivo diseñar y construir un modelo físico a escala del lecho empacado que utilizará la futura planta piloto de conversión continua de cobre, perteneciente al proyecto Fondef D04I1307 “Nuevo proceso continuo de conversión de mata a cobre Blister” destinada a procesar 5 (ton/h) de mata de cobre líquida. Con el modelo físico se pretendió simular las condiciones fluidodinámicas de operación de la planta (sin considerar transferencia de masa ni de calor), buscando obtener relaciones entre los parámetros de operación y la respuesta fluidodinámica del lecho, midiendo datos de caída de presión y de retención dinámica de líquido de la columna (holdup dinámico). La escala de construcción del modelo físico corresponde a 1:10 con respecto a la planta piloto, y se diseñó bajo el concepto de similitud geométrica. Se evaluó el comportamiento del lecho para diferentes diámetros de relleno, utilizando esferas de vidrio de 5, 10 y 15 (mm) de diámetro, estudiando también el comportamiento de trozos de ladrillo refractario clasificados como relleno. La mata de cobre se simuló con agua y el aire enriquecido con cilindros de aire industrial. Bajo condiciones de lecho seco (sin flujo de agua en contracorriente al aire), se obtuvo curvas de flujo de aire v/s caída de presión, las cuales se adecuaron bastante bien a lo predicho teóricamente por la ecuación de Ergun, lo que indicó que el arreglo experimental y los instrumentos de medición operaban correctamente. Además se consiguió establecer que la ecuación es aplicable a la planta piloto. Para condiciones de flujo de agua y aire en contracorriente se pudo concluir que un menor diámetro de partícula otorga mayor holdup dinámico, y por lo tanto mayor tiempo de residencia, además de provocar una mayor caída de presión. Por otro lado, un diámetro grande de partícula genera una baja caída de presión, acompañada de menores tiempos de residencia y un menor aprovechamiento de la superficie sólida disponible para contactar las fases de líquido y gas. Los ladrillos refractarios permitieron, en un comienzo, bajos niveles de holdup dinámico, para posteriormente dar paso a la aparición súbita de la condición de inundación (condición de operación máxima de la columna empacada). Esto se asocia a la diferencia en la interacción del agua con la superficie del ladrillo refractario y a la desigualdad entre la geometría esférica y la geometría irregular de los ladrillos. En todos los arreglos se alcanzó en algún punto la condición de inundación (flooding), esto permitió determinar el límite máximo de operación para la columna con diferentes rellenos. Finalmente se intentó escalar los resultados a los esperables para la planta piloto, no obstante, la diferencia entre los números adimensionales pertinentes al modelo físico y al prototipo (planta piloto) indicó una imposibilidad de confiar en los resultados de un eventual escalamiento. Esta restricción no impidió realizar una estimación para determinar si se dará o no la condición de flooding bajo los parámetros de operación de la columna piloto. De acuerdo a los resultados de esta aproximación se concluyó que la columna operará lejos su condición de capacidad máxima.