ESTUDIO DE LA HIDRODINAMICA DE UN HORNO KALDO EN UN MODELO A ESCALA A TEMPERATURA AMBIENTE

MARA M. SALAZAR-CAMPOY1 y MANUEL PREZ-TELLO2 1Estudiante del Posgrado en Ciencias de la Ingeniera: Ingeniera Qumica

2Departamento de Ingeniera Qumica y Metalurgia Universidad de Sonora. Hermosillo, Sonora. Mxico 83000

mperezt@iq.uson.mx

RESUMEN

El proceso de fusin de lodos andicos para produccin de metales preciosos se realiza en un reactor cilndrico, inclinado, rotatorio e intermitente denominado horno Kaldo. Un problema de operacin tpico que se presenta es la dificultad para controlar la distancia a la que puede introducirse al reactor la lanza de inyeccin de aire durante las etapas de conversin y refinacin del dor sin producir taponamientos y acreciones en la lanza. En este trabajo se construy un modelo a escala del reactor en acrlico transparente, utilizando agua y aceite para representar el dor y la escoria, respectivamente. Bajo diversas condiciones de operacin, se midi la mxima distancia a la que puede penetrar la lanza con y sin inyeccin de aire sin interactuar con la superficie libre del lquido. Se realiz la captura de imgenes digitales de fotografa y video de alta velocidad del movimiento del lquido y se procesaron con software especializado. En base al anlisis dimensional de la ecuacin de movimiento, se desarrollaron correlaciones para calcular la mxima distancia de penetracin de la lanza en funcin del nmero de Froude, nmero de Reynolds y la fraccin del volumen del reactor ocupada por las fases lquidas. Palabras clave: horno Kaldo, hidrodinmica, modelo en fro.

STUDY OF THE HYDRODYNAMICS OF A KALDO FURNACE IN A SCALE MODEL AT ROOM TEMPERATURE

ABSTRACT

The processing of anodic slimes for the production of precious metals is currently performed in a cylindrical batch reactor known as a Kaldo furnace. The reactor can be rotated and tilted vertically. A typical operation problem in this process is the difficulty to control the distance at which the air lance must penetrate into the reactor without causing accretions and blockage of the gas nozzle during the conversion and refining steps. In this work, a scale model of the Kaldo furnace was built in transparent acrylic plastic. Water and oil were used to represent the dor and slag, respectively. The maximum distance at which the lance can penetrate into the reactor without interacting with the free surface of the liquid was measured both in the presence and absence of gas

injection under a variety of experimental conditions. Photographic and video images of the liquid motion were captured with a high-speed camera, and the digitized images were processed with a specialized software. Based on the dimensional analysis of the momentum equation, a series of correlations were developed to compute the maximum penetration distance of the injection lance as a function of the Froude number, Reynolds number, and the fraction of the reactor volume occupied by the liquid phases. Keywords: Kaldo furnace, hydrodynamics, cold model.

INTRODUCCIN

El proceso de fusin de lodos andicos para la produccin de metales preciosos a nivel industrial tpicamente se realiza en un reactor rotatorio intermitente, denominado horno Kaldo (Ludvigsson y Larsson, 2003). Un diagrama esquemtico del mismo se muestra en la Figura 1. El material fundido es colocado en el interior del horno y calentado por medio de una lanza quemador. El proceso consiste de las siguientes etapas consecutivas: fusin, conversin, refinacin y purgas de telurio. Al final de cada etapa, el reactor es inclinado para retirar en ollas los productos de la misma. Durante las etapas de conversin y refinacin, adicionalmente a la lanza quemador se introduce una lanza de oxidacin, la cual inyecta aire comprimido al reactor para promover la eliminacin de algunos de los componentes del material fundido en forma de xidos voltiles.

Figura 1. Diagrama Esquemtico del Horno Kaldo para la Produccin de Metal Dor

Un problema tpico que se presenta durante las etapas de conversin y refinacin, es la dificultad para controlar la profundidad y el ngulo de inclinacin con la cual la lanza de oxidacin debe ser introducida al reactor para llevar a cabo la inyeccin de aire. Esto ocasiona frecuentemente que el

A Limpieza

de Gases

Damper de

Emergencia

Lanza

Quemador

Lanza Conversin

Horno KALDO

Tren de Ollas

Cubierta

Campana de

succin

A Limpieza

de Gases

Damper de

Emergencia

Lanza

Quemador

Lanza Conversin

Horno KALDO

Tren de Ollas

Cubierta

Campana de

succin

material fundido dentro del reactor salpique a la lanza produciendo taponamientos de sta. Un problema adicional es que la inyeccin del gas de la lanza en ocasiones impacta directamente al refractario del horno, produciendo daos a ste y reduciendo su vida til. Debido a que la observacin del movimiento de los lquidos y el gas en el interior del reactor es difcil de realizar por las altas temperaturas y las condiciones de turbulencia prevalecientes en el horno, hasta la fecha se desconoce el comportamiento de la hidrodinmica del horno Kaldo bajo condiciones tpicas de operacin. El objetivo del presente estudio fue caracterizar experimentalmente el movimiento de la superficie libre de los lquidos en el interior de un modelo a escala del horno Kaldo a temperatura ambiente. Simultneamente, determinar el efecto del ngulo de inclinacin, retencin volumtrica y velocidad angular sobre la forma de la superficie libre del lquido.

METODOLOGA

El estudio se centr en las etapas de conversin y refinacin de metal dor, en las cuales ste representa la fase pesada y sobre ella se forma una pequea cantidad de escoria (fase ligera). La metodologa consisti de las siguientes etapas: (1) diseo y construccin de un sistema experimental a escala del horno Kaldo en acrlico transparente y la lanza de inyeccin de aire, (2) la realizacin de experimentos en dicho sistema a temperatura ambiente utilizando aceite y agua para representar las fases ligera y pesada, respectivamente; (3) la captura de imgenes y video digital de alta velocidad y la medicin de distancias caractersticas del sistema para su posterior procesamiento con software especializado, y (4) el desarrollo de correlaciones de los datos experimentales. La Figura 2 muestra una imagen del sistema experimental. Este consiste de un modelo a escala 1:7 del interior del horno Kaldo, construido en acrlico transparente. El cuerpo cilndrico mide 14.3 cm de dimetro y 30.5 cm de longitud. La boca del reactor mide 9.5 cm de dimetro y 4 cm de longitud. La lanza de aire se represent por un tubo de acero inoxidable de 0.2 cm de dimetro (1/8) y 40 cm de longitud. El sistema posee una base rectangular con un sistema manual de soportes y varillas metlicas con el cual puede ser inclinado a un ngulo especfico con respecto a la horizontal. Consta tambin de un motor elctrico, un sistema de poleas y un controlador electrnico de la rotacin del cilindro de acrlico. El modelo fue construido en su totalidad en el Taller de Mquinas y Herramientas del Departamento de Fsica de la Universidad de Sonora.

Figura 2. Fotografa del sistema experimental Para representar la escoria y el dor se utilizaron dos tipos de aceite coloreados y agua, respectivamente. Para la captura de las imgenes digitales se utiliz una videocmara de alta velocidad y una pantalla blanca. El tratamiento digital de las imgenes se llev a cabo por medio del software Image Tool 3.0. Para la experimentacin se consideraron las variables de estudio que se muestran en la Tabla I. Las variables de respuesta incluyeron: la forma y caractersticas cualitativas de la superficie libre del lquido y la mxima distancia de penetracin de la lanza de aire antes de interactuar con la superficie libre de lquido. El volumen de aceite utilizado en todos los experimentos fue de 100 mL. En un experimento tpico, a partir del valor de la retencin volumtrica, se calcul el volumen de agua requerido y se agreg al interior del cilindro. El recipiente y su contenido se colocaron en la base y se ajust el sistema mecnico para el ngulo de inclinacin correspondiente. Enseguida se calibr el sistema de control de la velocidad de rotacin. El sistema se dej operar por aproximadamente 3 minutos hasta alcanzar el rgimen estacionario. A partir de este momento se realiz la captura de fotografas y video para su posterior procesamiento.

Tabla I. Valores de las Variables de Estudio

Velocidad de rotacin , rpm 10, 30, 60

Retencin volumtrica(1)

, adimensional

0.4, 0.5, 0.6

ngulo de inclinacin con respecto a la horizontal, grados

30, 40, 50, 60

Nmero de Reynolds en lanza, Re 0, 3.7104, 6104

Cociente de viscosidades

cinemticas (2) 1.7810-3, 0.1

(1)Fraccin del volumen interno del recipiente ocupado por las fases lquidas

(2) Viscosidades cinemtica del agua/viscosidad cinemtica del aceite

Un segundo conjunto de experimentos fue realizado con el fin de determinar la mxima distancia de penetracin de la lanza de aire a lo largo de la lnea de centro del cilindro. Con este propsito, se coloc una malla de tela porosa sobre la tapa del cilindro con un orificio circular en el centro. Durante el experimento, se vari la posicin de la lanza hasta observarse interaccin entre sta y la superficie del lquido en forma de salpicaduras o contacto directo. Al ocurrir dicha interaccin, se registr la distancia. El diseo experimental consisti de todas las combinaciones posibles de las variables de estudio de la Tabla I, dando un total de 216 condiciones experimentales.

RESULTADOS y DISCUSIN

La Figuras 2 y 3 muestran ejemplos de los patrones de flujo observados en el sistema cuando la retencin volumtrica se fij en = 0.4 y el valor de Re= 6104. Se muestran las imgenes para los dos tipos de aceite utilizados. La observacin general de estas imgenes indica la presencia de ondulaciones de la superficie libre de la fase ligera a bajas velocidades de rotacin. A velocidades de rotacin lo suficientemente altas, la superficie libre pierde su integridad, formndose cogulos de diversos tamaos, los cuales se desprenden de la fase ligera, penetran en la fase pesada y resurgen a la superficie hacia la parte ms lejana de la boca del cilindro, coalesciendo nuevamente y reincorporndose a la superficie. Bajo todas las condiciones experimentales, el aceite form una pelcula delgada bien definida sobre la cara interna del cilindro. La anchura de la banda de impregnacin depende fundamentalmente del ngulo de inclinacin y la retencin volumtrica. La impregnacin es debida a fenmenos superficiales entre el aceite mineral y la superficie del acrlico, y tiene relevancia en trminos prcticos ya que puede representar el contacto de la escoria con el refractario del horno.

Figura 2. Patrn de flujo para = 0.4, Re= 6104, =0.1 Otros fenmenos relevantes que se observaron durante los experimentos incluyeron (Salazar-Campoy, 2010): acumulacin preferente de la fase ligera hacia la boca del cilindro, disgregacin de la fase ligera en la superficie dejando ver regiones de la fase pesada, desprendimiento de cogulos hacia la fase gaseosa, rotacin de ambas fases en la superficie, oscilaciones de la superficie libre y formacin de efecto cascada en pequea escala.

La mxima distancia de penetracin de la lanza es una variable de relevancia prctica. La Figura 4 muestra la distancia medida desde el centro de la boca del cilindro hasta la superficie libre dividida entre la longitud total del cilindro

para valores de Re=6 104 y =0.1. Un comportamiento similar se observ para el resto de las condiciones experimentales, por lo que no se muestran. La Figura 4 indica que la distancia a la superficie libre: (a) vara en general entre 0.44-0.6 veces la longitud total del cilindro; (b) depende significativamente del valor del Re en la lanza y la retencin volumtrica, y en menor medida de la velocidad de rotacin y el ngulo de inclinacin, y (c) presenta una funcionalidad no lineal con respecto a la fraccin volumtrica.

30rpm

60 rpm

=30

=60

Figura 3. Imgenes del patrn de flujo para = 0.4, Re= 6104, =1.7810-3.

Los valores experimentales de la mxima distancia de penetracin de la lanza se correlacionaron siguiendo la metodologa descrita por Bird y col. (1960) para escalamiento de procesos. Partiendo de la ecuacin de movimiento para un fluido newtoniano de densidad y viscosidad constante, se llega a la ecuacin de movimiento en forma adimensional:

donde Re y Fr son, respectivamente, los nmeros de Reynolds y Froude caractersticos del patrn de flujo. Con el fin de simplificar el problema, en el presente estudio se seleccion el nmero de Reynolds del aire a la salida de la lanza como variable para correlacionar la distancia adimensional. Asimismo, el nmero de Froude se defini como:

Rgsen

RFr

2

22

[2]

=30

=60

30rpm

60 rpm

[1]

Figura 4. Mxima distancia de penetracin de la lanza de inyeccin

de aire, Re=6 104 y =0.1.

donde R es el radio del cilindro y g es la aceleracin de la gravedad. La ecuacin [2] es una relacin entre la fuerza inercial del lquido la cual tiende a mantener al fluido girando y el componente de la fuerza de la gravedad que tiende a asentar el fluido hacia el fondo del reactor. Se hace notar que cuando: =90, la ecuacin [2] se reduce a la definicin convencional del nmero de Froude para un cilindro rotatorio vertical. Mediante la herramienta Solver del paquete de cmputo Excel se obtuvieron

las siguientes correlaciones para la mxima distancia adimensional, *l :

Para =1.7810-3:

Para =0.1:

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

20 30 40 50 60 70

Mx

ima

Dis

tan

cia,

ad

ime

nsi

on

al

ngulo con respecto a la horizontal, grados

10 rpm

30 rpm

60 rpm

075.2)1(Re1097.1)( 317.0092.0281.01

*

0

**

0 Frl

ll[4]

64.7)1(Re32.5)( 117.0022.005.0

*

0

**

0 Frl

ll [3]

donde *0l es la mxima distancia adimensional en ausencia de inyeccin de

aire (Re=0), la cual a su vez se correlacion de la siguiente manera a partir de los datos experimentales:

Para =1.7810-3:

Para =0.1: Las correlaciones [3] a [6] arrojaron valores del coeficiente de correlacin r2 superiores a 0.90, lo que indica una buena concordancia con los datos experimentales. Hasta donde es del conocimiento de los autores, dichas expresiones representan el primer esfuerzo formal por expresar la distancia mxima de penetracin de la lanza de soplado de aire en funcin de las condiciones de operacin para este tipo de sistema.

CONCLUSIONES Se caracteriz cualitativamente el comportamiento de la superficie libre de los lquidos en el interior de un modelo a escala del horno Kaldo a temperatura ambiente bajo diversas condiciones de operacin. Los patrones de flujo observados indican la fuerte dependencia de la hidrodinmica de los lquidos en el interior del reactor con el flujo de inyeccin de aire en la lanza. Se desarrollaron correlaciones para estimar la mxima distancia de penetracin de la lanza como funcin del nmero de Reynolds en la lanza de inyeccin de aire y el nmero de Froude de los lquidos en el reactor. Las correlaciones mostraron una buena concordancia con los datos experimentales.

REFERENCIAS

Bird, R.B., Stewart, W.E., Lightfoot, E.N. Transport Phenomena. Wiley, 1960. Ludvigsson, B.M., Larsson, S.R. Anode Slimes Treatment: the Boliden Experience. JOM, Vol. 55, No. 4, pp. 41-44, 2003. Salazar-Campoy, M.M. Estudio Experimental de la Superficie Libre de un Lquido en un Cilindro Inclinado Rotatorio. Tesis de Licenciatura en Ingeniera Qumica. Universidad de Sonora, 2010.

0137.06624.0*

0 )1( Frl [6]

0172.05697.0*

0 )1( Frl [5]