Estudio de la cinética de reducción de cobre oxidado mediante carbón vegetal para el proceso de refino a fuego continuo en lecho empacado

Abstract

El presente trabajo corresponde al estudio de la cinética de reducción de cobre oxidado durante el proceso de refino a fuego utilizando lecho empacado de carbón, y se enmarca en el proyecto FONDEF D01I1017 denominado Refinación a fuego continua de cobre en lecho empacado . La tecnología correspondiente considera la utilización de dos hornos dispuestos en cascada, uno de oxidación y otro consecutivo de reducción, ambos contienen en su interior material fragmentado y reactivo denominado lecho, en el caso del primero resulta ser ladrillo refractario y en el segundo carbón vegetal. Este trabajo se enfocó en investigar la fenomenología que ocurre en el segundo reactor de reducción y en específico, en determinar la constante cinética de la reducción del cobre oxidado mediante la utilización de carbón vegetal como lecho empacado, para ello se realizaron distintas pruebas experimentales a escala laboratorio y se determinó la dependencia de la constante cinética en función de tres variables; tamaño de grano del carbón vegetal (Tg), temperatura del proceso (Tp) y concentración inicial de oxígeno en el cobre oxidado de alimentación [Oi]. La metodología de trabajo consistió en la realización de pruebas a escala crisol y el análisis de composición indirecto en continuo utilizando las técnicas de termogravimetría, e infrarrojo espectral para gases de salida obteniendo la razón CO(g)/CO2(g). Lo anterior, permitió establecer balances de masa, construir curvas cinéticas de reacción, determinar parámetros asociados como son la constante cinética (kc) y la energía de activación (EA) y finalmente deducir el mecanismo de reducción correspondiente. El cobre oxidado de alimentación al reactor fue preparado utilizando cobre electrolítico y oxido cuproso (Cu2O) resultando en una mezcla homogénea. Al finalizar las pruebas se realizó el enfriamiento bajo una atmosfera neutra de nitrógeno y posteriormente se obtuvieron muestras representativas mediante corte mecánico que fueron analizadas por ICP y LECO para determinar el contenido de cobre y oxígeno, respectivamente. Respecto a las pruebas experimentales, se realizaron 12 en total y se consideraron los siguientes valores para las 3 variables estudiadas; Tp (1403, 1453, 1503 y 1553 K), Tg (1, 5, 8 y 12 mm) y [Oi] (0.22, 0.52 y 1% en peso). De acuerdo los resultados experimentales y análisis correspondientes, se concluyó que en el proceso de reducción existen dos zonas con distinto mecanismo cinético controlante, para la zona 1 la constante cinética presentó valores entre 3 a 17 veces mayor que para la zona 2, con valores de energía de activación de 48 y 132 KJ/mol, respectivamente. La desoxidación del cobre presentó una fuerte dependencia de las tres variables estudiadas sobre la constante cinética, la que fue determinada mediante un análisis multivariable quedando definida por: k_1=4.64 x 〖10〗^(-6) Tg+2.60 x 〖10〗^(-7) Tp-4.98 x 〖10〗^(-4) [O]i+1.39×〖10〗^(-4) (Primera zona) k_2=1.52 x 〖10〗^(-6) Tg+1.49 x 〖10〗^(-7) Tp-1.2 x 〖10〗^(-4) [O]i-9.82 x 〖10〗^(-5) (Segunda zona) k_1=5.97×〖10〗^(-6) Tg+1.62×〖10〗^(-7) Tp-2.71×〖10〗^(-4) [Oi]+5.31×〖10〗^(-5) (Primera zona) k_2=1.80×〖10〗^(-6) Tg+1.61×〖10〗^(-7) Tp-3.19×〖10〗^(-5) [Oi]-2.02×〖10〗^(-4) (Segunda zona) Finalmente, se realizó un modelamiento matemático que permitió establecer una primera aproximación del dimensionamiento de un horno piloto-industrial de reducción en lecho empacado, dicho modelo fue calibrado y validado con los resultados obtenidos en pruebas a escala piloto industrial utilizado en la fundición Hernán Videla Lira de ENAMI llegando obtener una predicción del comportamiento del oxígeno superior al 95%.