Fenomenos de Transporte en Metalurgia-Dr. Jesus Casas

Cu rso rs o MI3 MI31A : FENÓMENOS DE TRANSPORTE EN METALÚRGIA

Profesor: Dr . J es ú s Cas Cas as de Pr Pr ad a Consult ons ultor or y Acadé A cadémic mico o Univ. de Chile hil e  j jec ecas asas as@ @i n g .u .ucc h i l e.c e.cll

Departamento de Ingeniería de Minas Univ nive ersi rsidad dad de Chil Chile e

PRESENTANDONOS

¿Qué Exp xpe ect cta atitivas vas Te Teng ngo o Pa Para Est ste e Cur urso so? ?

Materiales

Minerales Aleaciones Industriales

Sales

Metales PROCESOS METALURGICOS

ciencias básicas

operaciones unitarias

ciencias de la ingeniería

FENÓMENOS FENÓME NOS DE TRANSPOR TRA NSPORTE TE Estos Fenómenos:

Fluidodinámica: (Transporte de Momentum)

Frecuentemente ocurren Frecuentemente ocur ren simultáneamente. 

Las ecuaci ecuaciones ones básicas básic as que los describen describen son muy m uy similares. 

Transferencia de Calor: (Transporte de Energía)

Las herramientas matemátic mate máticas as necesarias necesarias son muy similare similares. s. 

Los me m ecanismos moleculare m olecularess que ocurre ocurr en en estos estos fenómenos fenóme nos son so n similare simi laress y son responsabless de la viscosid responsable visc osida ad, la conductivi conduct ividad dad térmi térmica ca y la difusión. 

Trans Transferenc ferencia ia de Masa: Masa:

(Transporte de masa de especies químicas)

Obje bjetivos tivos de dell Curso Curso •Identificar y cuantificar los fenómenos de transporte de cantidad de movimiento, calor y materia en siste sis tema mass metalúr metalúrgic gicos. os. •Calc lcul ula ar prop pr opieda iedades des físi físicas cas de trans transpo port rte e. •Resolver problemas básicos de fenómenos de transporte. •Resolver analítica y numéricamente problemas meta me talúr lúrgic gicos os que q ue involucr invol ucre en fenómenos fenómenos de transport transporte e.

Contenidos del Curso:

1. 2. 3. 4. 5.

Introducción. Trans ransferenci ferencia a de Cant ntid ida ad de Mov ovim imient iento. o. Tr ans nsferenc ferencii a d e Cal o r. Tr an s f erenc rencii a d e Mas a. Análisis Anális is y Apl Aplic ica aci ciones ones en Metalur talurgi gia a Ext xtract ractiv iva a y Mine Min ería ría..

BIBLIOGRAFÍA: •" Fenóme nómenos nos de Tra Transporte nsporte en en Meta Metalurgia lurgia Extra Extractiva ctiva"" . José Luis Otero de d e la Gándara. Gándara. Uni Univers versid idad ad de Alhamb Al hambra. ra. España, 198 1989. 9. •“ Funda undame menta ntals ls of Mome omentum, ntum, Heat and Mass Tra ransfe nsfer” r” . J. J.R R. Welty, C.E. Wicks Wicks and R.E. Wilson Wilson,, Wiley, Wiley, 2n d ed ed., ., 1976. (1st ed ed.. 1969). 1969). • “ Porous Media dia:: Fluid Fluid Tra Transport nsport and Pore Structure tructure”” , F.A. A.L. L. Dullie ullien, n,  Acc ad  A adem emii c Pr Pres esss , 1992. •“ Rate Phe heno nome mena na in Pro roce cess ss Meta tallllur urgy gy”” , J. Szeke kely ly and N.J . Themelis Themel is,, Wiley, Wil ey, N.Y., N.Y., 197 1971. 1. •"R "Ra ate Pr oc oce es s es of Ext xtrr ac ti tivv e Meta tall l ur urg g y ". Eds Eds:: Ho H o ng Yo ng So hn and Milton E. Wadswort dsworth. h. Ple lenum num Press, 1979, New York. •“ Transport ransport Phenome henomena na”” , R.B. Bird, W. W.E. Ste Stewa wart rt and E.N. Lightfoot, 2n d Ed., Wiley, N.Y., 2001, (1st edition 1960). •“ Tra rans nspo port rt Phe heno nome mena na in Meta tallllur urgy gy”” , G. H. Geig ige er and D. R. Poirie oirier, r, Mine inera rals ls Meta tals ls and Mate teria rials ls Socie ociety, ty, 1994.

FENOMENOS DE TRANSPORTE PROCESOS: PROCESOS: Difusión, Convección, Radiación, Migración, Diálisis, Osmosis, Adsorción, Absorción, Evaporación, Condensación, Cambio de Fase, Cristalización, Lixiviación, Fusión, Flotación, Filtración, Sedimentación, Coagulación, Floculación, Centrifugación, Precipitación, Reacción, Combustión, Oxidación, Neutralización, etc. TRANSPORTE: TRANSFERENCIA, FLUJO (DINÁMICA) • CANTIDAD DE MOVIMIENTO (MOMEN (MOMENTUM, TUM, ENERGÍA ENERGÍA MECÁNICA) • CALOR (ENERGÍA TÉRMICA) • MASA, MATERIA

MATERIA

ENERGIA

MINERAL AGUA

SUPERFICIES

CINETICA DE REACCION Y FENOMENOS DE TRANSPORTE

AIRE Reactivos Energía

AMBIENTAL QUIMICA Y TERMODINAMICA

PROCESO INDUSTRIAL

MODELACION BIOLOGIA Y BIOQUIMICA

SISTEMAS GEOQUIMICOS

CONSERVACION DE LA MASA Y ENERGIA

BALA BA LAN NCE CES: S:

masa y energ nergía ía (mate materia, ria, calor y mov movimi imie ento nto)) Prin rinci cipio pioss de Cons onse ervación

CIN CI NET ETIC ICAS: AS:

tr ansfor transf ormaci macion ones, es, camb cambio ioss de fase, rupt ru ptur ura a de moléculas molécu las (e (enl nla aces)

 At  A t m ó s f era er a transferencia de fase

d n A Flujo Entrada

Sistema Industrial

Flujo Salida

C A = n A

d n A

dnA

V transferencia de fase

d n A Suelo

Transfere ransferenc ncias ias / Transpo Transport rte es en un u n Sis istema tema Ind ndus ustri tria al

CICLO HIDROGEOLÓGICO

Lixiviación

Mineral

Disolución Meteorización

Aire

Agua

EL YACIMIENTO, BASE DEL NEGOCIO MINERO

Codelco-Chile

Esquema de Min Minera eraliliza zaci cion ones es en en un u n Yaci Yacimi miento ento de d e Cob Cobre re Típico Típico

Lixiviación de Minerales en Bateas

LIXIVIACIÓN DE MI MINE NERA RAL L ES EN PI PIL LAS

Flujo de solución   de lixiviación

−  Dv

C 

Transporte de solutos or flu o co conv nvec ecti tivo vo

Flujo de solución de lixiviación lixiviación

∂C  ∂ z

Transporte de solutos o r f lu o di s e r siv o

 A GLOMERA  AGL OMERACIÓN CIÓN DE MINERAL MINERALES ES

Tambor Rotatorio (R. (R. Collado) Coll ado)

PLANTA DE LIXIVIACION EN REACTORES

L IXI IXIVA VACIO CION N EN REA REA CTO CTORES RES

Reactor Agitado Mecánicamente

Rea eacto ctorr Pa Pachu chuca ca  Ag  A g i t ad ado o c o n ai airr e

Reactor a Presión (Autoclave)

PROCESO DE EXTRACCION POR SOLVENTES (SX)

BATEMAN® MIXER-SETTLER DECANTA DEC ANTADOR DOR BATEM BA TEMA A N DE FLUJO FLUJ O REVERSO REVERSO

OUTOTEC Mixer-Settlers

Converti on vertido dorr Te Tenie ni ente nt e

Esq squema uema de dell Con onverti vertido dorr Teni nie ent nte e

TECNO TEC NOL L OG OGIA IA HO HORN RNO O FLA FL A SH Concentrado seco  Air  A ire e + Oxígeno Oxíg eno

QUEMADOR CONCENTRADO

Distribuci ón Aire

TORRE REACCION

GAS SALIDA

ESCORIA

MATA SEDIMENTADOR Escoria Mata

Cel da El El ec tr trol olíítitica ca

Celda • Electrólito •  An  A n o d o (+) • Cát o d o (-)

Solución • H2O • H2SO4 • CuSO4 • aditivos • Impurezas

ELECTRODIALISIS

Trata ratami mie ent nto o de d e Gas es Fun Fundi dicc ió ión n

Trata ratami mie ent nto o de d e Gas es La L abo borato ratori rio o

Planta Plant a de Tratamien Tratamiento to de RILes RILes Labo Laborato ratorio rio CENMA CENMA

Tranque de Relaves

IMPACTO DE FAENA MINERA EN AGUAS DE DESHIELO

Flujos Involucrados en un Botadero de Mineral

Manejo de Residuos Sólidos en Zonas Lluviosas

Trans ranspo port rte e en Agua Agu as Sub Subterránea terráneass

Recu cupera peraci ción ón de d e Ag Agua ua (relaves en past pasta a)

Celd lda as de d e Flo Flotaci tación ón de Min Mine erales

Celd lda a de Flo Flotaci tación ón

Flo lotaci tación ón de d e Min ine erales

Niv ive ele less de d e Est stud udio io o Abst Ab stra racc cció ión n Macroscópico: Sali Salida da de Flujo

Balances Macroscópicos “ Caja ne negra gra”” con respecto a flu flujos jos de de entrada y salida. salid a. No se requiere requi ere un estud studio io de los detalles deta lles del sistema si stema punto punt o de partida partida

Entrada de Fluj Flujo o

Niv ive ele less de d e Est stud udio io o Abst Ab stra racc cció ión n Micr icrosc oscópic ópico o y molecul molecula ar: Interesa Interesa lo que qu e ocurre ocurr e en un área pequeña del equipo. Ecuaciones de cambio para ese ese volumen vol umen de de control. Interesa Interesa obtener o btener “ perfile perfiles” s” de velocida velocidad, d, temperatura, presión presió n y concentración en el sistema. Molecular: Entendimiento fundamental fundamental de los mecanismos de transporte en términos de la estruc estructura tura molecular y fuerzas intermoleculares.

Modelación Fenomenológica: • Balances Balances de de Masa, Masa, Energía Energía y Cantidad Cantidad de Movimi Movimiento ento • Leye Leyess fís físic icas as • Relacione Relacioness de Equilib Equilibrio rio Químic Químico o y de Fases Fases • Ecuac Ecuacion iones es Cinéti Cinética cass • Correlac Correlaciones iones para cálculo cálculo de Propiedad Propiedades es • etc. ∂ ρ  + ∇ ⋅ ( ρ v ) = 0 Continuida d  ∂ t  r

 Balance − de − Masa

∂ci = −∇ ⋅ N i + Ri ∂t  r

 N i = ci vi = − zi ui Fci ∇Φ − Di ∇ci + ci v r

r

 Difusión   Convección

 Mi gra ción

 Navier − Stokes

⎛ ∂v  ⎞  ρ ⎜ + v ⋅ ∇v ⎟ = −∇ p + μ ∇ 2 v +  ρ g ⎝  ∂t   ⎠ r

r

r

r

∂ 2c  Difusion  Difusion − Convecion  D 2 ∂ y

∂c ∂c = vx + v y ∂x ∂y

∑ z c

 Electroneutralidad 

i i

=0

i

i = −κ ∇φ  r

Corriente Eléctrica

r