Modelo cinético y de fragmentación de la oxidación de partículas de mata de cobre en condiciones de conversión instantánea

Abstract

Tesis de maestría en ciencias de la ingeniería. En el presente trabajo se desarrolla un modelo matemático para predecir simultáneamente la distribución de tamaños y composición química de partículas de matas sólidas de cobre durante su oxidación en un horno de conversión instantáneo a nivel laboratorio. El modelo incluye la expansión, fragmentación, así como los cambios en la composición química a lo largo de la trayectoria de las partículas individuales al pasar por la cámara de reacción hasta llegar al fondo del reactor. El modelo supone partículas esféricas, velocidad constante de las partículas durante el vuelo, temperatura constante y que la composición de la partícula madre se conserva al momento de su fragmentación para producir las partículas hijas. Para su resolución, el modelo requiere la especificación de cinco parámetros: rapidez de expansión de las partículas, fracción de las partículas más finas en la alimentación que logran fragmentarse, fracción de las partículas más grandes en la alimentación que logran fragmentarse, parámetro que indica la distribución de tamaños producidos por la fragmentación y factor de diámetro crítico. El modelo fue codificado en lenguaje Fortran 90 y se utilizó el método de optimización Simplex autoajustable para encontrar los valores óptimos de los parámetros que mejor representaran a los datos experimentales. Las predicciones del modelo concordaron razonablemente con los datos experimentales obtenidos en un horno a nivel laboratorio en términos de las distribuciones de tamaños en el receptáculo y la cantidad de azufre remanente de la población de partículas a lo largo del reactor. Los resultados indican que el tiempo de residencia de las partículas es un factor importante en la generación de polvos y que el tamaño de alimentación de las partículas tiene un efecto significativo sobre su composición y rapidez de reacción. Se predice con aceptable exactitud la generación de polvos durante el proceso, calculando con un 5.6% de error la fracción de polvos en la distribución de tamaños en el receptáculo con respecto a la experimental. Dependiendo de las condiciones de operación, se encontró que las partículas de polvo se consumen o se generan en el horno, variando su magnitud entre -7% (consumo) hasta 23% (generación) de la masa de la alimentación. Se definen los coeficientes de distribución y contribución acumulativos los cuales sirven para analizar los fenómenos de fragmentación y su relación con la generación de partículas finas en el horno. Lo anterior es importante para realizar posteriores estudios con el fin de la optimización del proceso. Los resultados del presente trabajo indican el uso potencial del modelo matemático para entender los mecanismos de fragmentación y de oxidación de partículas sulfurosas a altas temperaturas.