Estudio computacional en tres dimensiones de los fenómenos de oxidación, expansión y fragmentación de partículas de mata de cobre en un horno de conversión instantánea

Abstract

En el presente trabajo se llevó a cabo el desarrollo progresivo de un modelo predictivo en tres dimensiones, que incluye los fenómenos de oxidación, expansión y fragmentación de las partículas de mata de cobre sólida, en un reactor industrial de conversión instantánea. El modelo incluye el transporte de momentum, calor y masa entre las partículas y la fase gaseosa, la cinética heterogénea de las reacciones de oxidación en flujo turbulento y el campo de radiación en el reactor. El desarrollo del modelo incluyó tres etapas. En la primera de ellas se desarrolló un modelo cinético no isotérmico del proceso, incluyendo los efectos de expansión y fragmentación de las partículas. Una vez validado con datos experimentales obtenidos a nivel laboratorio, el modelo fue usado para estudiar la influencia de los fenómenos de expansión y fragmentación sobre la cantidad y composición química de los polvos, bajo condiciones similares a las de un horno industrial. En esta etapa se definió el concepto de índice de fragmentación, el cual permitió cuantificar la extensión de la fragmentación en la población de partículas. Los resultados indicaron que la generación o consumo de polvos es a su vez el resultado de una competencia dinámica entre la expansión y fragmentación de partículas grandes en la alimentación; además, la composición química de los polvos resultó ser, para propósitos prácticos, igual a la composición química promedio de la población total de partículas. La segunda etapa consistió en analizar el efecto de la dispersión de energía radiante en la nube de partículas sobre el comportamiento del proceso. Se estudiaron como variables de respuesta a la temperatura del gas y de las partículas, velocidad del gas, azufre remanente y densidad numérica. Los resultados de las simulaciones mostraron que los efectos de la dispersión tuvieron un efecto significativo en los resultados de consumo de azufre, elevando a este en un 13 % respecto a un caso sin dispersión. De la misma forma, la dispersión de radiación afectó reduciendo hasta un 18.92 % la cantidad de energía intercambiada entre las partículas sólidas y las paredes del horno; así como un decremento del 5.5 % en la temperatura máxima alcanzada por las mismas. Se concluyó que, cuando la dispersión de radiación no fue considerada en las simulaciones, las reacciones químicas fueron retardadas debido a que la fuente de calentamiento provino únicamente de las paredes del horno. Por lo anterior, el no incluir al fenómeno de dispersión de radiación conlleva a un error significativo en las temperaturas y cinéticas reportadas en modelos sin esta característica. La tercera etapa involucró el acoplamiento del modelo cinético con el modelo tridimensional, así como la simulación del horno industrial completo, esto para predecir los campos de velocidad, temperatura y composición química de la fase gaseosa, además de su composición química, temperatura y trayectorias de las nubes de partículas. Las simulaciones se realizaron en condiciones típicas de operación de un horno industrial de conversión instantánea, considerando que la alimentación sólida está compuesta por tres tamaños iniciales: 50, 100 y 150 μm. Los resultados mostraron que las partículas de 50 μm se expandieron en mayor medida que los otros tamaños, alcanzando hasta cinco veces su tamaño inicial antes de empezar a fragmentarse. Sin embargo, solo un 12.4 % de sus partículas presentó fragmentación, la cual fue progresiva hasta que las partículas tocaron el baño fundido. El 27.09 % de las partículas de 100 μm y 150 μm presentó fragmentación, por lo que la generación de polvos provino en su mayoría de estos tamaños. De acuerdo a los resultados de esta investigación, para un reactor industrial, la cantidad neta de polvos presentes en el proceso proviene mayormente de la alimentación al proceso. Lo anterior contradice las ideas preconcebidas en la práctica industrial, en la cual se considera que en general los polvos son producidos por las reacciones químicas violentas. Los resultados anteriores para los tamaños de 50 µm y 100 µm concuerdan con observaciones experimentales sobre la morfología y distribución de tamaños de partículas en el receptáculo de un reactor a nivel laboratorio, las cuales mostraron que en general las partículas pequeñas en la alimentación tienden a expandirse, mientras que las partículas grandes se fragmentan al oxidarse.