Balance de Energía Del Proceso de Tostación de Concentrados de Sulfuro de Zinc 1

BALANCE DE ENERGÍA Los balances de materia y energía son una de las herramientas más importantes con las que cuenta la ingeniería de procesos y se utilizan para contabilizar los flujos de materia y energía entre un determinado proceso industrial y los alrededores o entre las distintas operaciones que lo integran. Por tanto nos permitirán conocer los caudales másicos de todas las corrientes materiales que intervienen en el proceso, así como las necesidades energéticas del mismo, m ismo, que en último término se traducirán en los requerimientos de servicios auxiliares, tales como vapor o refrigeración. El balance de energía al igual que el balance de materia es una derivación matemática de la "Ley de la conservación de la energía" (Primera Ley de La Termodinámica), es decir "La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma". a.

B alance alance de Materi Materia: a:

Se basan en la ley de conservación de la materia, la cual, rigurosamente hablando, hay que aplicarla al conjunto materia-energía, y no a la materia o energía por separado. Sin embargo, en las condiciones que se dan en los procesos industriales al no abordarse el caso de los reactores nucleares, no existe transformación de materia en energía o viceversa, con lo que la forma general del balance de materia TOTAL a un sistema, será:

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La forma del balance a cada uno de los componentes será la misma, excepto cuando existe reacción química, ya que en ese caso habrá que considerar la aparición o desaparición de los componentes individuales por efecto de la reacción (sin embargo la masa total del sistema nunca variará). Por ello el BM al componente ‘i’ tendrá la forma:

Una situación muy frecuente es que el proceso sea continuo, con lo cual el término de acumulación será 0. b.

B alance de energ ía

Uno de los principales intereses del balance de energía es determinar las cantidades de energía que es intercambiada y acumulada dentro de un sistema además de conocer los cambios en los niveles de energía que puede experimentar un sistema, para lo cual es necesario definir claramente la frontera entre el sistema o sus partes y los alrededores o el entorno. Los objetivos del balance de energía son: 

Determinar la cantidad energía necesaria para un proceso.



Determinar las temperaturas a las cuales el proceso es más eficiente.



Disminuir el desperdicio de energía.



Determinar el tipo de materiales y equipos que mejor sean más eficientes.

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Sin embargo el objetivo principal es la estimación de costos de operación del proceso, ya que el gasto energético es uno de los más importantes rubros durante la operación. Cualquier proceso de transformación en la naturaleza conlleva un intercambio de energía. Algunas aplicaciones de los balances de energía en la industria:  

Recuperación máxima del Calor: optimización energética del proceso. Calentamiento o enfriamiento de un fluido.

 

Producción Efectiva de Calor en Hornos y Calderas. Cálculo de Pérdidas y Aislamientos. Optimación de los Procesos de Obtención de Energía Eléctrica (Cogeneración).



Cálculo del consumo de combustible para producir trabajo y calor.



Cálculo de la energía mecánica necesaria que hay que comunicar a un fluido para mantenerlo en movimiento.

En general serán imprescindibles en equipos en los que el intercambio de energía sea determinante, lo que fundamentalmente sucederá en cambiadores de calor, evaporadores, columnas de destilación, etc., es decir, cuando haya que calentar o enfriar un fluido. En el caso de los reactores químicos, también son imprescindibles los balances de energía para su diseño, ya que en cualquier caso habrá que asegurarse de que la temperatura del reactor permanezca dentro del intervalo deseado, especialmente cuando los efectos térmicos de la reacción sean importantes.

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La llamada ecuación de las entalpías, que se incluye a continuación, suele ser suficiente para su planteamiento.

Donde ms y me son los caudales másicos de entrada y salida del sistema, He y Hs las entalpías de los mismos, y Q el calor intercambiado por el sistema, que si es positivo será ganado por el sistema, y si es negativo será cedido por el mismo a los alrededores. El cálculo de la entalpía de cada corriente puede realizarse usando de su capacidad calorífica, y una temperatura de referencia, aunque si hay cambios de fase también habrá que considerar el calor latente. Para el vapor de agua lo ideal es usar las tablas de vapor de agua saturado o recalentado. c.

B alances combinados de materia y energ ía

En todos los problemas de balance de energía, sin importar que tan simples sean, se debe conocer la cantidad de material que entra y sale del proceso en caso de querer aplicar con éxito la ecuación adecuada de balance de energía. Se trabajará en condiciones uniformes. La ley de conservación de la masa suministra una serie completa de ecuaciones que incluyen para un sistema dado un balance de material total o un balance de material para cada componente. El principio de la conservación de la energía nos puede suministrar una ecuación independiente en base total, aunque no puede establecerse un balance de energía para cada componente.

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d.

B alances de energ ía para s is temas cerrados

El balance integral de energía de un sistema cerrado será: Energía final del sistema - Energía inicial del sistema = Energía neta transferida al sistema (entrada - salida)  Ahora: 

Energía inicial del sistema = Ui + Eci + EPi



Energía final del sistema = Uf + Ecf + EPf



Energía transferida = Q +W

Donde los subíndices i y f se refieren a los estados inicial o final del sistema, U, Ek, Ep, Q y W representan energía interna, energía cinética, energía potencial, calor transferido al sistema por los alrededores y trabajo realizado por los alrededores sobre el sistema. Reagrupando llegamos a:

(Uf - Ui) + (Ecf – Eci) + (Epf - Epi) = Q + W o si empleamos el símbolo Δ para significar (final - inicial): ΔU + ΔEc + ΔEp = Q+W

La última ecuación es conocida como la Primera Ley de la Termodinámica para sistemas cerrados.

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e.

B alance de energ ía para s is temas abiertos en rég imen estacionario

En la ecuación de balance de energía para un sistema abierto debemos incluir la energía asociada a la masa que entra y sale del sistema, con lo cual se tiene:

D significa lo que entra lo que sale del sistema menos lo que entra si consideramos régimen estacionario: E entrada = E salida; DE = 0, no hay acumulación

de

energía

por

lo

que

tenemos:

Si se considera que no hay variación de energía potencial ni de energía cinética y que W = 0 se tiene:

Q = DH = DHproductos - DHreactivos

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PLANTA DE TOSTACIÓN DE CONCENTRADOS DE ZINC 1. Descripción General La tostación de concentrados de zinc (blenda) se lleva a cabo en un Tostador de Cama Turbulenta (TLR por su nombre en inglés Turbulent Layer Roaster), en el cual se produce la oxidación de la blenda (sulfuros de zinc y de otros m etales) por acción del oxígeno del aire a una temperatura de entre 900-950 ºC. Este proceso se produce con liberación de calor (reacción exotérmica) y en él la acción del calor y del oxígeno separan el azufre de los metales, obteniéndose como productos la calcina (óxido de zinc y óxidos de otros metales: hierro, cobre, cadmio, plata, etc.) y una masa gaseosa formada principalmente por el anhídrido sulfuroso que sirve de materia prima para la elaboración del ácido sulfúrico. Una planta de tostación de concentrados de zinc está constituida por diversos equipos que pueden agruparse en los siguientes sistemas: a.

Sistema de alimentación: Provee de concentrados al tostador, está

integrado por dos tolvas de almacenamiento de concentrado, dos fajas extractoras de concentrado, una faja de alimentación, un plato giratorio y dos alimentadores de catapulta (slingers belt). b.

Un soplador de aire, para proporcionar el aire de fluidización.

c.

Equipo auxiliar: El tostador de cama turbulenta tiene como equipo

auxiliar a un equipo de precalentamiento para las puestas en marcha, formado por un soplador auxiliar, una bomba de petróleo, quemadores y lanzas de petróleo.

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Sistema de transporte y depuración de gases, formado por:

d.



Una caldera La Mont: formada por paquetes evaporadores y un circuito de agua-vapor para aprovechar el calor generado en la tostación y generar vapor sobrecalentado de 350 ºC y 40 bar de presión. Esto permite enfriar los gases a aproximadamente 350ºC y recuperar partículas sólidas.



Dos ciclones para recuperar partículas sólidas.



Dos electrofiltros (hot cottrell) para recuperar partículas muy finas



Un soplador intermedio que succiona los gases del tostador para enviarlos a la Planta de Ácido Sulfúrico: permite regular el tiro dentro del tostador, mediante una válvula de persiana

Sistema de transporte de calcina formado:  por transportadores de

e.

cadena, un enfriador seccional y un molino de bolas. Panel de control: desde aquí se visualizan los parámetros de operación

f.

y pueden modificarse en caso de desviaciones o de cambios.

2. Tostador de lecho turbulento: i.

Constitución:

El tostador de cama turbulenta es el equipo donde se realiza la oxidación de la blenda (SZn) a óxidos metálicos, con liberación de anhídrido sulfuroso, el cual es materia prima para la fabricación de ácido sulfúrico. El tostador de cama turbulenta está construido de chapa de fierro y lleva:   Un revestimiento interior compuesto de: una capa de ladrillos

o

refractarios, una capa de ladrillos aislantes y cemento refractario

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(castable) destinados a proteger la chapa del tostador e impedir pérdidas de calor. o

Un revestimiento exterior de lana mineral y chapa de aluminio, destinados a evitar pérdidas de calor y a proteger del medio ambiente al equipo.

o

El tostador de cama turbulenta está formado de: una caja cónica o caja de viento en la parte inferior, una parte cilíndrica inferior, un cono de transición, una parte cilíndrica superior y la bóveda. La parte cilíndrica inferior está separada de la caja de viento por un emparrillado, al cual se le ha soldado toberas de fierro fundido, El emparrillado se llena con cemento refractario (castable) afín que pueda soportar las altas temperaturas desarrolladas en el momento de la tostación (aproximadamente 950 ºC).

Para cumplir su función el tostador cuenta con los siguientes dispositivos: 

Un equipo de precalentamiento formado por tres quemadores, nueve lanzas de petróleo y un ventilador auxiliar,



Dispositivos de refrigeración del lecho formados inicialmente por siete serpentines refrigerantes y dos inyectores de agua.



Dispositivos de descarga de calcina: una descarga superior continua (over flow) y una descarga inferior que se puede programar mediante un atizador de accionamiento neumático.



Dos ventanas de alimentación para introducir la blenda al interior del tostador, mediante las catapultas de alimentación de alta velocidad.



Control de temperaturas constituida por termopares.

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ii.

Funcionamiento

Para iniciar el funcionamiento del tostador de cama turbulenta se deberá calentar el lecho compuesto de material tostado (calcina) con el sistema de precalentamiento hasta 850-900 ºC. Una vez alcanzada esta temperatura, el concentrado de zinc es comenzado a alimentarse al tostador por el sistema de alimentación por medio de las catapultas de alimentación, que permite la distribución uniforme del concentrado dentro del tostador. La blenda al caer al lecho fluidizado dentro del tostador, encuentra material con la temperatura suficiente para que los sulfuros reaccionen autógenamente en el medio ambiente oxidante. El aire es introducido mediante un soplador de gran capacidad a través de la caja de viento, luego por las toberas del emparrillado pasa al tostador, cumpliendo la doble misión de proporcionar oxígeno para la oxidación y de mantener en constante fluidización el lecho. La parte fina de los concentrados alimentados al tostador es acarreada por los gases y la parte gruesa se va acumulando en el lecho. La parte del cono de transición y el cilindro superior se denominan "cámara de combustión posterior agrandada" y tiene como finalidad posibilitar la tostación total, especialmente del material fino y evitar la combustión posterior de los sulfuros en la caldera, que podría traer el deterioro prematuro de los tubos de la caldera. Una vez que se ha logrado estabilizar las temperaturas del lecho, luego de haberse alimentado concentrado, se apaga el sistema de precalentamiento del

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tostador, manteniéndose el calor necesario para el proceso de tostación mediante el calor liberado por la oxidación de los sulfuros. Los parámetros más importantes a regularse en un tostador de cama turbulenta son los siguientes: 

Temperatura del lecho: los sulfuros al oxidarse liberan calor y ceden el calor necesario para continuar la tostación. Para controlar el calor están instalados dentro del tostador serpentines refrigerantes (cooling coils) por los cuales circula agua y enfrían indirectamente el lecho. En caso que las temperaturas del lecho todavía estén por encima de las temperaturas de operación se agrega agua directamente al lecho por inyectores.



Alimentación de concentrado:  la alimentación de concentrado se puede regular desde el panel por medio del aumento o disminución de la velocidad de las fajas extractoras; también se puede regular con la volante de la compuerta de descarga de las tolvas de alimentación de concentrados.



Aire de tostación: se regula desde el panel, manipulando una válvula del soplador principal y la cantidad de aire a introducir al tostador depende de la cantidad de concentrado que se está alimentando y de la resistencia de cama.



Resistencia de cama:  Esto es la resistencia que ofrece el lecho a dejar pasar el aire hacia el tostador y depende de la cantidad de calcina almacenada dentro del tostador. Para que no se eleve demasiado la resistencia de cama, se deberá:

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

Descargar en forma continua: por la descarga superior (over flow), cuyo funcionamiento se puede comparar con una represa, donde el material en exceso es continuamente descargado (se hace una regulación inicial de la altura de descarga y luego permanece constante).



Descargar en forma periódica: por medio del atizador automático para realizar la evacuación del grano grueso del piso del tostador.



Regular el tiraje a la salida del tostador: el tostador trabajar a un tiraje de 0 mbar a la salida del tostador. Cuando el concentrado contiene gran porcentaje de finos, se deberá trabajar en +0.1 ó 0.2 mbar, para evitar la pronta salida del material fino sin tostarse completamente, junto con los gases, lo cual dará una calcina de mala calidad, con alto contenido de azufre como sulfuro (S/S=). El tiraje se regula desde el panel y acciona una compuerta tipo persiana en la entrada del soplador intermedio.

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PROCESO DE TOSTACIÓN DE CONCENTRADOS DE SULFURO DE ZINC EN UN HORNO DE LECHO FLUIDIZADO O TURBULENTO (TLR) Los concentrados de sulfuro de zinc se tuestan por una variedad de métodos, todos con la intención de reducir el contenido de azufre por oxidación a menos del 1%, forma en la cual el óxido de zinc que resulta puede reducirse por medio de carbón en un horno de retorta o de cuba a zinc metálico. Mientras más completa sea la tostación oxidante mejor es el resultado, ya que cualquier residuo de sulfuro de zinc que quede en los calcinados no podrá ser reducido por el carbón durante la operación del horno de retorta y se perderá como residuo para deshecho. El sulfato de zinc que se forme durante la tostación también se pierde, ya que se reduce a sulfuro de zinc en la retorta y sale en esta forma, sin reaccionar como residuo. Siendo el peso atómico del zinc el doble que el del azufre, 65 en comparación con 32, cada libra (454 g) de azufre del ZnS se combinará con más de 2 libras (908 g) de zinc que sea retenida sin reducción en el residuo de retorta. Por esta razón, la tostación del sulfuro de zinc a óxido debe ser completa. Los calcinados tratados en el horno de cuba para zinc no son sensibles al conteni8do de azufre, y en este caso el aire caliente inyectado por las toberas se combinará con cualquier azufre existente para formar SO 2, el cual sale en forma de gas. Los métodos utilizados para la tostación oxidante de los concentrados de sulfuro de zinc son: tostación de acción instantánea, tostación el lecho fluido, tostación en horno de hogar múltiple, y sinterización, métodos que se aplican por

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sí solos o combinación. Todos están diseñados para producir material de la forma física y resistencia mecánica apropiadas para el proceso que sigue. Tos tadores de lecho fluido

Los tostadores de lecho fluido utilizan alimentación peletizada (menos 3 a más 14 mallas) a temperaturas de tostación superiores a 1472°F (950°C). Los tostadores que se usan son rectangulares, de 15 ½ pies de altura y 20 pies de largo (4.73 x 6.1 m), y tiene inclinación, con sección transversal de 6 ¼ pies en la parte superior y 3 ¼ pies en la inferior (1.91 x 0.99 m). La profundidad del lecho fluido mide 6 pies (1.83 m), con la abertura de entrada de la alimentación situada a 6 ½ (1.98 m) desde el fondo del tostador y la abertura de descarga del calcinado a 8 pulgadas (20 cm) desde el fondo. La inyección de aire al lecho se hace a razón de 14,000 a 17,000 pies cúbicos por minuto (398 a 483 metros cúbicos por minuto), utilizándose los gastos de aire más bajos con las temperaturas más altas. El calcinado grueso, en el cual se ha reducido el contenido de azufre de 33% en el concentrado alimentado a sólo 0.5%, pasa del tostador a un enfriador de calcinado y de allí a una tolva de almacenamiento. Esto constituye 55% del producto calcinado total. Los gases calientes que escapan por una abertura para gases situada en la parte superior del tostador, van primero a una caldera de calor de deshecho para recuperar parte de su calor sensible, luego pasan a un colector de polvo ciclónico en el que se separa el 38% del calcinado total. La mitad del producto del ciclón se agrega a los calcinados de derrame en el enfriador de calcinados, y la otra mitad se regresa a la planta peletizadora como

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ingrediente aglutinante. El contenido de azufre de este calcinado ciclónico final es ligeramente mayor del 1%. Los gases del tostador contienen todavía 7% de los calcinados totales en forma de polvo fino, y éste se separa en una segunda etapa colectora, por lo general en un precipitador electrostático, después de lo cual el gas depurado se deja salir del circuito de tostación. Este polvo se agrega también a la tolva de almacenamiento de calcinado; tiene muy bajo contenido de azufre, alrededor del 0.1%. El contenido de azufre combinado de los tres calcinados procedentes del derrame del tostador, el colector ciclónico y el precipitador electrostático, es del orden de 0.75% S.

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Diag rama de flujo para la producción de zinc a partir de un concentrado de s ulfuro de zinc

El proceso o la combinación de procesos que se utilizan en una planta dad se ilustran convenientemente mediante un diagrama de flujo. Consiste de combinaciones de pasos u operaciones, y que algunos de los mismos pasos u operaciones se encuentran en la producción de distintos metales y en diferentes lugares.

Concentrado de sulfuro de zinc SO2 para ácido sulfúrico

Tostación parcial Tostación sulfante Sinterización Carbón

Reducción

Zinc carbotérmico (puede refinarse por destilación)

Diagrama de flujo para la  producción de zinc a partir de un concentrado de sulfuro de zinc. Izquierda: reducción carbotérmica; derecha: lixiviación y electrólisis.

Lixiviación

Purificación de la solución

Reducción electrolítica

Impurezas para recuperación de Cd Recirculación del electrolítico a la lixiviación

Zinc electrolítico (alta pureza)

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CONCLUSIONES Luego de hacer el balance de energía para el proceso de tostación de concentrado de zinc en un horno de lecho fluidizado, comprobamos lo expuesto en la primera ley de la termodinámica, “conservación de energía ”, que nos dice que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Encontramos un exceso de calor lo que significa que dentro del horno se produce una reacción exotérmica que está liberando mucho calor, esto no es bueno para el proceso porque lo que se busca es tostar el concentrado es decir sacarlo como óxido de zinc mas no fundirlo. Se pudo observar que gran parte del calor es liberado por las paredes del horno, el cual está recubierto de ladrillo refractario, que tiene ciertas características idóneas para el buen funcionamiento del éste; es más denso y almacena aproximadamente ocho veces más energía térmica que uno ligero, y puede transmitir el calor a una superficie más fría a alrededor de cinco veces más rápido.

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RECOMENDACIONES Para mantener la temperatura en equilibrio es decir a 1173 °K daremos las siguientes recomendaciones:   Aumentar el porcentaje de humedad del concentrado de zinc, esto



ayudará a enfriar el sistema, ya que el agua que está en estado líquido pasara a su estado gaseoso y para ello absorberá calor del sistema. 

Para mantener la temperatura se enfría el lecho fluidizado indirectamente por medio de superficies de enfriamiento y directamente por inyección de una pequeña cantidad de agua pulverizada en la cama fluidizada. La regulación de la temperatura se realiza por la variación de la cantidad de agua de inyección al horno y el ajuste de la adición de agua normalmente se realiza manualmente, pero puede realizarse a distancia. En otros casos se colocan tubos enfriados con agua en la pared del reactor.

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BIBLIOGRAFÍA http://procesosbio.wikispaces.com/Balance+de+Energ%C3%ADa http://www.ugr.es/~aulavirtualpfciq/BMyBE.html http://es.slideshare.net/gerardito8/balances-de-energia http://www3.fi.mdp.edu.ar/procesosindustriales1/archivos/Balance %20de%20energia.pdf Burroughs Gill, Charles. Metalúrg ica extractiva no ferros a. ISBN: 231  – 247.

Rosenqvist, Terkel. Fundamentos de Metalúrg ica E xtractiva . ISBN: 25 – 31; 164 – 168; 251 – 265.

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