Determinación del coeficiente de transferencia de masa en un modelo físico de un reactor metalúrgico: una experiencia en el laboratorio

Resumen

Los modelos físicos son una herramienta fundamental en investigación en Ingeniería de Procesos, que no ha sido aprovechada cabalmente para educación en Ingeniería. Un modelo físico es una representación, a escala y usualmente con materiales distintos, de un reactor industrial. En ese sentido, la mayoría de los modelos físicos en Ingeniería Metalúrgica se construyen con acrílico, lo que permite visualizar patrones de flujo, burbujeo y mezclado, entre otras características del sistema.

En el contexto del estudio de la Ingeniería de procesos metalúrgicos, es importante cuantificar la transferencia de masa sólido-líquido en reactores tales como el convertidor Peirce-Smith para obtención de mata de cobre, debido a que la disolución de los sólidos que se agregan durante la operación está controlada - principalmente - por el transporte de masa. Sin embargo, es difícil cuantificar esto a partir de las ecuaciones gobernantes de dinámica de fluidos y transporte de masa, debido a los fenómenos complejos que interactúan durante la conversión de mata de cobre dentro del reactor. En lugar de eso, se recurre a la llamada aproximación de intercara, que utiliza al coeficiente de transferencia de masa para caracterizar la rapidez de disolución del sólido. Evidentemente, la determinación experimental de este parámetro es de vital importancia para estudiar al reactor.

En este trabajo se reportan resultados obtenidos con un modelo físico del convertidor Peirce-Smith para estimar al coeficiente de transferencia de masa sólido-líquido mediante la medición de la pérdida de peso de cilindros de ácido benzoico sinterizados. Con estos resultados se aseguró que este ejercicio se puede implementar en el laboratorio del curso “Ingeniería de Procesos Metalúrgicos y de Materiales”, por lo que se incorporará al trabajo en el laboratorio.

El modelo físico representa una sección del reactor (que es cilíndrico, con una hilera de toberas), simulando solamente a una de las toberas de alimentación de gas; se trata de un reactor que opera intermitentemente (batch). La inyección del aire genera burbujas que forman una “pluma” (zona donde las burbujas se mezclan con el líquido) cuyo movimiento provoca mezclado en el líquido. Para calcular el coeficiente de transferencia de masa se midió la pérdida de peso de un cilindro sólido soluble en agua; el cilindro estaba sumergido dentro del modelo a profundidad constante. Las variables estudiadas fueron el flujo volumínico de aire inyectado (0, 2, 5, 10, 15 y 20 LPM) y la posición de los cilindros (5, 10 y 20 cm, medidos desde la boquilla de alimentación de aire). Además, se realizaron pruebas de adición instantánea de trazador para caracterizar al tiempo de mezclado.

El análisis estadístico de los resultados indicó que el flujo volumínico es el factor preponderante, seguido de la posición desde la boquilla y de la combinación de ambos. El trabajo en el laboratorio se ha diseñado para que los estudiantes puedan llegar a esta conclusión a partir de sus propias mediciones y no usando un “receta” para guiar el trabajo en el laboratorio.