Y

A a r i o l L a i s e c a Salamanca,

Juan Jose Rodrfguez Cueto

Ignacio Daniel Zamorano Garcia

IJNIVEllSII3AD AUTONOMA M E T R O L l T A N A

IJNIIAD IZTAPALAPA

INGENIERIA QUIMICA

A'

PROCESO DE LIXIVIACION DE CONCENTRADOS

DE BLENDA DE ZINC PARA LA OBTENCION DE

ZINC ELECTROLITICO

I N D I C E

CAPITULO 1

HIDROMETALURGIA

- Introduccibn - Ventajas y Desventajas - Lixiviacibn

i

CAPITULO 2

OBTENCION DE ZINC EN IIIDROMETA,LURGIA

CAL'IT~~LO 3

ZINC

- Propiedades - Usos Principales

- Custitutos - Volfimen Actual y Proyectado - Principales Productores y Consumidores

1

2

2

4

8

13

14

15

16

18

19

CAPITULO 4

- ANTECEDEN'I'US J' J\ IS'TIL~ ICACIONUS DEL PROYECTO 21

1

CAPITULO 5

ESTUDIO DE MERCADO

- Antecedentes y Proyecciones

- Capacidad de Producci6n de la Planta 4 21

CAPITULO 6

EL PROCESO

- Descripci6n General L

- Materias Primas y Subproductos

1

1

- Reactores - Modelo MatemAtico - Espesadores - Filtros - Celdas Electrolfticas

CAPITULO 8

LA PLANTA

- Descripci6n Detallada - Personal Necesario

1

24

25

27

29

30

32

33

35

46

53

59

65

70

7 1

77

CAPITULO 9

DEE0 DE LA PLANTA

- Diagrama de Flujo - Disefb del Equipo de Proceso - Equipo Auxiliar - Bombas, V&lvulas y Tuberias

CAPITULO 10

COSTOS

- Costo de Equipo - Ganancia

APENDICE (GrBficas)

BIBLIOGRAF LA

82

83

95

109

116

120

121

121

123

2

H I D R O M E T A L U R G I A A

INTRODUCCION

LaHidrometalrgia puede dividirse en dos procesos distintos;

1) La obtencion del mineral deseado del resto del mineral o de prjoductos meta - lurgicos en la solucin, Lixiviacin.

2) L a separaci6n de los metales deseados de la solucin, purificacin de la -- solucin lixiviada.

Es una tknicarelativamente reciente, comparada con los metodos pirome

talrgicos. Tanto los reactivos como el conocimiento del uso de ellos vineron

a existir hasra fechas relativamente recientes. En nuestros das, la Hidrome-..

-

-

-

talrgia es competitiva COQ y muchas veces mds econdmica que los procesos 1

pirometalrgicos. La extraccin por solventes, el intercambio ionico y la pre- i 1

cipitaci6n de metales por gases bajo presin son los logros m& remarcados

i 1

en este campo.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE L A I-IIDROMETALURGIA

Las ventajas de la Hidrometalrgia se pueden sumarizar en los siguientes

puntos :

1 Los metales pueden ser obtenidos directamente en una forma pura de - la solucin de lixiviacion; Ejemplo, por precipitacin con hidrgeno ba-

jo presin, cementacin, o electrlisis.

2 Metales de alta pureza pueden ser recuperados de soluciones impuras 1

de lixiviacin. I

3 La gmza de silicio en el mineral por la mayoria de los agentes lixivian -

3

4

5

6

7

tes

Los problemas de corrosi6n son relativamente leves en los procesos

hidrometalrgicos comparados con el deterioro de los revestimientos

refractarios en hornos.

La mayor parte de los procesos hidrometalrgicos se llevan a cabo a

temperatura ambiente, y por ello no hay consumo de cantidades gran-

des de combustible como en la Pirometalrgia.

El manejo de los productos de lixiviaci6n es m& barato que el mane-

jo de fundiciones, escorias y metales.

Los procesos hidrometalrgicos son especialmente favorables para -

-

el tratamiento de minerales de baja ley.

8 Un proceso hidrometalrgico puede empezar en una escala pequea y

expanderse como luiera.

9 Las plantas hidrometalrgicas usualmente no contaminan el ambiente

como lo hacen las fundidoras.

Sin embargo, existen problemas en la separaci6n de la ganga insoluble de

la solucidn de lixiviaci6n. Tambien, cantidades muy pequeiias de impurezas - en el licor de lixiviaci6n pueden afectar gravemente la electrodepositacidn - del metal, por lo tanto es necesaria una purificaci6n preliminar. Los proce-

-

sos hidrometalrgicos son relativamente lentos debido a y e son usualmente

llevados a cabo a temperatura ambiente.

4

L I X I V I A C I O N

CONCEPTO

La lixiviaci6n es la disoluci6n preferente de uno o m8s componentes de una

mezcla slida por contacto de un disolvente lquido.

Tal vez las industrias metalrgicas son las que m8s utilizan las operacio

nes de lixiviacibn. La mayorfa de los minerales 6 tiles se encuentran en forma

de mezclas, con grandes proporciones de componentes indeseables; por ello - la lixiviaci6n del mineral valioso es un metodo de separacidn p e se aplica con

frecuencia. Por ejemplo, los minerales de zinc se disuelven preferentemnte - a partir de uno de sus minerales por lixiviaci6n con k i d 0 sulfrico y sulfato - ferrico.

PREPARACION DEL SOLIDO

El , .exit0 de una lixiviaci6n y la tecnica 2ue se va a utilizar dependen con - mucha frecuencia de cualpier tratamiento anterior y e se le pueda dar a l s6-

lido (este tratamiento puede ser quiinico o ffsico). En algunos casos las peJue - Ras partkulas de material soluble estan completamente rodeadas por una ma-

triz de material insoluble, entonces el disolvente se debe difundir en la masa-

y la soluci6n resultante o producto deber4 difundirse hacia el exterior antes - de poder lograr su separaci6n. Esto es lo .ye sucede con muchos materiales - metalrgicos .

3 En la trituraci6n y molienda de estos didos se acelera bastante la acciiin 0

de lixiviaci6n (preparaci6n fZsica), porlue las porciones solubles son entonces

5

mSs accesible al disolvente. Por ejemplo, cierto mineral de cobre puede lixi - viarse eficazmente por soluciones de Scido sulfrico de cuatro a ocho horas,

si se muele hasta lue pasa a traves de una lmalla 60; en cinco d a s si se tri-

tura hasta gr8nulos de 6mm. ; y de cuatro a seis aAos si se utilizan rocas de-

150 mm. Puesto y e la molienda es cara , la calidad del mineral tiene mucho

que ver con la eleccin del tamao a l cual se va a lixiviar.

TEMPERATURA DE LIXIVIACION

Por lo general se desea realizar la lixiviacin a temperaturas lo m8s ele

vadas posibles. Las temperaturas elevadas producen l a mayor solubilidad - del soluto en el disolvente y, en consecuencia concentraciones finales mayo

res en el licor de lixiviacih. A temperaturas elevadas la viscocidad del l--

luido es menor y mayores las difusividades.

-

METODOS DE OPERACION Y EQUIPO

Las operaciones de lixiviacin se realizan por lotes o semilotes (estado-

no estacionario), y tambien en condiciones totalmente continuas (estado esta -

- cionario). En cada categorZa se encuentran e p ips del tipo de etapas y en - contacto continuo.

Se utilizan dos tecnicas principales de manejo: la aspersin o goteo del-

lquido sobre el slido y la completa inmersin del slido en el lluido. En-

cualquier caso, la elecci6n del e?uipo que se va a utilizar depende bastante - de la forma fisica de los sdlidos y de las dificultades y costo de manejo.

1

1

6

OPERACION EN ESTADO NO ESTACIONARIO

Las operac.iones en estado no estacionario incluyen a luellas en .ye los -- s6lidos se ponen en contacto Cnicamente en forma de lotes y tambih a -1uellas

en que un lote de sdlido se pone en contacto con una corriente lue fluye con--

tinuamente del liquido (m6todo de semilotes). L a s partculas slidas gruesas

generalmente se tratan en lechos fijos mediante metodo de percolaci6n, mien - tras 4ue los s6lidos finamente divididos, pueden mantenerse m8s fAcilmente-

en suspencih, pueden dispersarse en todo el liquido con la ayuda de cualquier

tipo de agitador.

LIXIVIACION IN SITU

Esta operaci6n iue algunas veces se llama minera en soluci6n, se refie

r e a la lixiviacidn por percolacidn de los minerales en la mina, mediante la

circulaci6n del disolvente sobre y a traves del cuerpo del mineral.

-

Se ha aplicado a la lixiviaci6n de minerales con bajo contenido de cobre;

tan bajo como .2% de cobre y a vetas a profundidades de hasta 335 mts. ba-

jo la superficie.

LIXIVIACION EN LA INTEMPERIE

Los minerales con bajo contenido, cuyo valor del mineral no garantiza - el gasto de molienda o trituracidn, puede lixiviarse en forma de rocas ex--

=ardas de la mina y colocadas en grandes montones sobre el terreno imper

meable. El licor de lixiviaci6n se bombea sobre el mineral y se obtiene - - v .

1

cuando sale del mont6n. I

7

LIXIVIACION EN FILTRO PRENSA

Los s6lidos finamente divididos, -

demasiado finos para ser tratados por -- percolacih relativamente profundos, pueden filtrarse y lixiviarse en el filtro

prensa por bombeo del disolvente a trave S de la torta de la prensa.

TANQUES CON AGITACION -

Para s6lidos gruesos, se han diseado muchos tipos de tanques con agita--

ci6n, en estos casos los tanques cilndricos cerrados se colocan en forma ver

tical y se les ponen remos o agitadores sobre ejes verticales, lo mismo que - fondos falsos para el drenado de soluci6n de la lixiviaci6n a l final del proceso.

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9

01:TENCION DE ZINC EN 1 IIDROMETALURGIA

LIXIVIACION DE ZINC

Hasta donde se sabe no hay ningtin caso en que se lixivien directa-

mente minerales de zinc para recuperar el metal. El zinc se encuen - tra en cantidades comerciales en forma de sulfura (esfalerita), carbo - nato (smithsonit a), silicato (calamina) u 6xido (franklinita, zincita). - La fuente mas importante de zinc es el sulfur0 y se trata facilmente - - por tostaci6n, seguida de lixiviaci6n y electr6lisis, o bien por alguno - de los procesos pirometalrgicos.

Se dispone dc varios disolventes para tratar el calcinado de 6xido

de zinc y el sulfato de zinc, pero actulamente el mas utilizado es el -- hcido sulfrico.

Las concentraciones de este dcido varlan desde 90 gpl, para las - plantas llamadas de kid0 diluido , hasta mhs de 500 gpl para las - - plantas de acid0 concentrado. La lixiviacibn con acid0 concentrado - es mas rapida y tiene mayor capacidad por unidad, pero tiende a disol - . ver grandes cantidades de impurezas, En cualquier caso, la lixivia"

, ci6n se efecta rapidamente, y en general queda terminada en pocas - '1

h

10

horas. La temperatura de la soluci6n lixiviante tiene que ser mas - elevada en una planta de k i d 0 concentrado que en una de slcido dilu -

do, a f in de que pueda mantener en soluci6n las grandes cantidades - de zinc que se han disuelto por unidad de volGmen.

Los materiales que se encuentran como impurezas comunmente

en las soluciones lixiviantes de zinc son: slice, 6xido de aluminio,'

hierro, arsenico, antimonio, cobre, cadmio, cobalto y algunos otros.

Estas impurezas se deben de eliminar de la soluci6n, o por lo menos

disminuir en cantidad hasta estar dentro de un limite debido antes de

tratarla por electr6lisis pues, de otra manera, la recuperaci6n del - zinc se vuelve incosteable y a veces imposible. Estas impurezas se

dividen en dos grupos por tratamientos separados. El primer grupo - (hierro, sflice, dxido de aluminio, arsenico, antimonio, germanio, - es tab o bismuto) se.elimina al mismo tiempo que el precipitado de - hidrdxido ferrico que se forma cuando se neutraliza la soluci6n. El - segundo grupo (cobre, cadmio, cobalto y niquel) se elimina tratando

la soluci6n lixiviante, ya neutralizada y filtrada, con zinc pulveriza-

do. El germanio, el cobalto y algunos otros; cuando existen en canti -

dades importantes, se eliminan por metodos especiales.

TOSTACION PARA LA LIXIVIACION 1312 ZINC

Puesto que casi toda la materia prima para la lixiviaci6n del zinc

contiene el metal en forma de sulfuros insolubles en casi cualquier -- 1

disolvente comercial, es 16gico que la tostaci6n sea un paso prelimi - nar casi obligatorio para la lixiviaci6n. El objeto de la tostacidn es

volver soluble en slcido sulfrico la mayor cantidad de zinc posible.

AGENTES ,LIXIVIANTES

Para escoger un agente lixiviante se debe pensar en varios facto-

. res : - El caracter quimico y fisico del material que va a ser lixiviado - El costo del reactivo

- La accidn de corrosi6n del reactivo y , consecuentemente los ma - teriales de construcci6n

- Selectividad del constituyente deseable a ser lixiviado

- 1-labilidad de regeneraci6n (por ejemplo, en la lixiviaci6n del 6xi-- do de zinc por slcido sulfrico, el acid0 es regenerado durante la

electrblisis).

La selectividad de un agente lixiviante respecto a un mineral en par - titular en una Inena depende de :

- Concentraci6n del agente lixiviant e

Y - Temperatura 8

- Tiempo de contacto

12

Los agentes lixiviantes mas comunes son:

- Agua, la cual es usada para lixiviar productos calcinados por - sulfataci6n o clorhidracidn tostada, tal como el sulfato de zinc.

- Soluciones de sales acuosas, las cuales se dividen en : + Sulfato ferric0 + Agua clorada

- Acidos, de los cuales el Acid0 su dfrico es el m8s importante a- gente lixiviante. Tiene muy pocos problemas de corrosi6n y es

muy efectivo para la mayoria de las menas,

Es importante mencionar que en el proceso que se describe poste - riorment e , se utiliza la lixiviaci6n directa del mineral sin pasar por

una tostaci6n previa, metodo que evita el excesivo gasto energetico -- que provoca ese paso pirometalrgico. Esta innovaci6n est8 siendo - investigada profundamente en la actualidad conlo ruta alternativa.

Z I N C

1 4

Z I N C

Siendo el zinc e1ec;roltico el producto principal de este proceso,

se enumeran a continuacidn sus caractersticas mas importantes:

PROPIEDADES

El zinc es un metal de color blanco azuloso, fragil, que posee una

estructura cristdina.

Se reporta que se ha encontrado en estado nativo en Australia.

Este metal se funde a 419C y tiene una gravedad especfica de a--

proximadamente 7 .15 . A una temperatura entre 100 y 150C pueden - formarse hojas del meta1,o bien, darle forma de cable; pero a 200C

adquiere una condicidn muy fragil, y puede hacerse polvo facilmente

con un martillo. Se vuelve opaco superficialmente cuando se pone en

contacto con aire hmedo, y es soluble en Acidos diluidos. Hierve a -

907C. Su conductividad elctrica es 1/4 de la que posee la plata. A - temperatura superior a la de fusidn, se inflama en contacto con el ai-

re y se transforma en polvo blanco de 6xido de zinc. El aire seco no

lo altera; pero el aire hmedo provoca que se recubla de una capa de - 6xido y carbonato, que protege al rnetal contra ataque ulterior. El - - zinc posee gran afinidad con numerosos metaloides y metalcs, pr i.nci '

palmente con los elementos negativos; con los metales forma aleacio-

- 1

nes variadas. Aunque no descompone al agua cuando esta en masa, lo

15

hace si esta reducido a polvo y el agua es caliente (80-90C de tem-

peratura.

Se disuleve facilmente en los Acidos sulfrico y clorhdrico, des-

prendiendo hidr6geno; pero resiste la acci6n de estos acidos cuando

es puro. Reacciona con las lajas alcalinas, desprendihdose hidr6ge - no y formandose un cincato.

Se le conocen varios is6topos. Con el estaiio forma la plata falsa.

USOS PRINCIPALES

El principal uso del zinc es en la industria metalrgica como re--

vestimiento protector de otros metales (galvanizado); para obtener

aleaciones de diferentes tipos, sobre todo alpaca y lat6n. Tambien se

utiliza en la fabricaci6n de planchas resistentes a los agentes atmosfe

ricos; como reductor en reacciones qumicas; en grabados sobre plan-

cha; en tipografa.

-

Se utiliza tambin de una manera importante en la fabricaci6n de - pilas electricas, cubetas, tubos para pastas dentifricas, etc.

En fornla de 6xido es un buen pigmento blanco, no tdxico, por lo - cual se utiliza en la fabricaci6n de pinturas. En la industria farma- - ceutica se utiliza para la fabricaci6n de pomadas. En la industria del

caucho, como carga, principalmente en la fabricacih de neumaticos -

para auto m6vil.

En forma de carbonato se utiliza como pigmento, cosmtico y en 1

la industria de la ceramica.

En forma de cianuro Corno insecticida.

16

En forma de cloruro, en la industria de la vulcanizacibn, para temen -

tos especiales, pastas dentifricas y pigmentos.

En forma de cromato para recubrirnientos anticorrosivos.

En forma de fluoruro, para la preservacin de la madera.

En forma de sulfuro, en la fabricacibn de litown y pinturas.

SUSTITUTOS

Como sustitutos principales podemos nombrar:

Aluminio. - Se asemeja al zinc en la fabricacin de : Aleaciones, utewilios para el hogar. En forma de hidr6xido

en la industria de la cer5mica.

Bario . - Se utiliza tambien en aleaciones y en la fabricacibn de pintu- ras. En forma de carbonato para la industria de la ceramica.

En forma de sulfuro en la industria vulcanizadora.

Estao . - Se utiliza para galvanizar el hierro, aleaciones, fabricacibn de planchas, y en recubrimiento de metales. En forma de - cloruro en la industria de la ceramica. En forma de bxido - cn la industria de la ceramica y la fabricaci6n de cosm&icos.

Magnesio. -Se utiliza para la fabricacin de pomadas. En forma d.e sul-

fato en la industria de la ceramica.

9

17

Plomo . - Se utiliza en el recubrimiento de metales aleaciones y - para la produccidn de pigmentos. En forma de arseniato

para la fabricacin de insecticidas. En forma de dxido

en la industria de la cerA&ca.

i *

i i

I

i

j I .

Afinado

Aluminizado

Concentrado

Escorias

Zinc impuro

Oxido

Sulfato

Tot al

VOLUMEN ACTUAL Y PROYECTADO DE

ZINC ( miles de toneladas )

19S4 1985 1986 1987 1988 Crecimiento Prom(84/88) (%I

163 170 175 182 188 3.6

15 16 16 17 18 4.6

88 91 94 98 101 3.5

13 14 14 15 15 3.6

1 1 1 1 1 1.0

15 16 16 17 18 4.7

5 5 5 5 6 4.7

3% 313 321 336 347 3.7

TABLA 1

.

19

PRINCIPALES PKODUCTORES J' CONSUMIDORES

Entre los principales productores a nivel nacional encontramos:

General Products Co. , S. A.

Metales y Sales no Ferrosas, S. A .

Sales Industriales de Mexico

ZINCAMEX S. A .

Zinc Nacional S. A.

Oxidos Procal S . A .

Industrial Minera Mexico, S. A .

Compafiia Fresnillo, S . A. .

Entre los principales paises productores encontramos :

3 ..

E. 11. A.

Canada

Relgica

Alemania

Polonia

Australia

Francia

Gran 13retafia

U.R.S.S.

Mexico

20

Entre los principales consumidores a nivel nacional encontramos:

- Merck-Mexico, S. A . - Metalo Quimica Mexicana, S . A. - Productos Quimicos e Industriales - Prove-Quim, S. A. - Productos Qumicos Mardupol, s. A , - Solventes y Productos Quimicos

10s citados anteriormente, se encuentran como distribuidores

principales:

- Productos Quimicos Mardupol, S. A. - Merck-Mxico, S. A . - Productos Quimicos e Industriales - Prove-Quim, S. A .

Los principales paises i.:llportadores de zinc se encuentran : t

- Repblica Federal de Alemania - Uelgica- Luxenlburgo

- Checoslovaquia

CAPITULO 4

ANTECEDENTES '' JUSTIFICACIONES DEL PROYECTO

. -.. .

22

ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIONES DEL PRO.YECT0 e

"Los patos le tiraron a

las escopetas':

Por lo general, un proyecto de esta naturaleza nace en base a una

necesidad o demanda de un mercado necesitado de un producto, conci-

biendo un proceso economicnmente viable para su obte nci6n. Esto se

logra haciendo un analisis o estudio de mercado, posteriormente se - - contemplan las diferentes rutas de reaccibn viables para su obtenci6n

y en base a ello se disefia u proceso.

Este proyecto naci6 en una forma diferente; primero se especific6 - el proceso a utilizar y despues se buscaron los productos que se podfan

obtener por medio de este. Esto nos llev6 a la conclusi6n de que si se

deseaba realizar una investigaci6n de este tipo debfarnos hacer un ana-

lisis comparativo entre este proceso (proceso Hidrometalrgico) y los

ya existentes (procesos Pirometalrgicos) viendo que tan competitivo - era corno proceso alternativo. Ademas, si se deseaba hacer investiga-

ci6n real o aplicada se tenb que partir de una materia prima comn a - plantas procesadoras de mineral en funcionamiento,

De tal modo, se escogi6 el zinc como producto viable de la 1-Iidrome

talurgia debido a sus caracteffsticas, procediendo posteriormente a ob-

tener materia prima para la investigaci6n (en los procesos de extracci6n 1

~.

23

de metales a partir de minerales, el diseiio de la planta depende de -

la naturaleza de la materia prima a utilizar).

Ida materia prima utilizada en este proceso es un mineral rico en

zinc, el cual es procesado por Industrial Minera Mexico, S . A. y por

lo tanto este proyecto de i11vestigaci611 toma el caracier de ruta alter -

na al proceso utilizado por Industrial Minera Mexico.

Debido a las razones mencionadas con anterioridad y tratandose

ademas de un proceso relativamente nuevo dentro de la industria de

la extracci611, posildenlente no sea conlpetitivo desde el punto de vis-

ta econ6mico en la actualidad, pero representa una innovaci6n intere-

sante dentro del ramo por su gasto mnimo de energ& icos.

Otra de las razones importantes para el nacimiento de este proyec -

to fue la creciente necesidad de tener este tipo de investigacin dentro

de las tlniversidades, ya que la lixiviacin como metodo de ex~racci6n

de metales promcte mucllo en la actualidad.

E S T I I D 1 0 D E M E R C A D O

25

E S T l J D I O D I 3 M E R C A D O

i

ANTECEDENTES PROYECCIONES

En 1983 se produjeron 295 O00 tbneladas de zinc, lo que represen-

t6 un crecimiento anual promedio del 7.3 % en relacibn a las 239 O00 -- toneladas producidas en 1980. El mercado estimado para 1984 mues--

tra un incremento del l . 6 anual contra el afio anterior (comparar Ta-

bla l que se encuentra en el Capitulo 3 con la Tabla 2 que se encuentra

en este Capitulo). Con hase en los crecimientos esperados para los di-

ferentes segmentos del mercado, se proyecta para el periodo 1985-1988 ,

un crecimiento anual promedio del 3.7 x, con lo que la demanda del -- zinc alcanzara las 347 O00 toneladas en 1988.

Afinado

luminizado

Concent rad0

Escorias

Zinc impuro

Oxido

Su lfato

Total

CONSUMO !ISTORICO DE ZINC

(miles de toneladas)

1980 1981 1982 1983 Crecimiento Prom. (80/83) (570)

139 124 140 160 4.8

44. O

6.1

17, O

35. O

10. o

5 3 6 15

72 .. 62. 76 86 IC .. ,i

- I . . .,_. -., 8 9- 7 13

O . 4 O. 4 O. 6 1

11 11 11 15

2 2 2 5 35. O

239 21 1 243 295 7.3

27

CAPACIDAD DE PRODUCCION DE LA PLANTA

La planta disefiada tiene una capacidad de produccidn de zinc e-

lectroltico de

a partir de un consumo de

trados de sulfur0 de zinc) de

c:

300 tons. /da

mineral como materia prima (concen

815.7 tons. /dia

teniendo ademas un consumo de sulfato ft! rrico como reactivo -- principal de

417.6 tons. /da

y un consumo de hidr6xido de calcio (cal) como reactivo precipi"

tante y neutralizante de

518.4 tons. /dfa

sus principales subproductos son; cadmio electrolitico, produci -

do en una cantidad de

3.19 tons. /da

28

sulfato de calcio puro, utilizado en la industria de La construe"

cMn, con una capacidad de

476.4 tons. /dia

c

y sulfato de calcio impuro, con una cantidad de

489.8 tons. /dia

Se puede hacer notar, como un detalle, que la produccidn de la

planta es la misma que aquella que tiene Industrial Minera Mexico,

utilizando la misma cantidad de materia prima inicial.

i

CAPITULO 6

30

El . , P R O C E S O

DESCRIPCION GENERAL

El proceso que a continuaci6n se describe fue disefiado bashdose,

como ya se explicd anteriormente, en la materia prima que utiliza In-

dustrial Minera Mexico, la cual proviene de diferentes plantas de con-

centraci6n de mineral en distintas partes de la Repblica. Este mine-

ral concentrado contiene aproximadamente un 49 % de zinc en forma -- de sulfuro.

El proceso se inicia con la lixiviaci6n del mineral utilizando como - reactivo principal sulfato ferric0 disuelto en agua y acid0 sulftirico, - - este tiltimo producido en las celdas electrolticas. El zinc se disuelve

en forma de sulfato, junto con impurezas de sulfato de cadmio, sulfato

ferrico y sulfato ferroso. Despus de un filtrado por medio del cual se

separa un s6lido conteniendo cobre y plomo (que se manda a otra planta

de procesamiento), la soluci6n se enva a un reactor de precipitaci6n - con hidrbxido de calcio (cal) para separar fierro, estafb y antimonio y

neutralizar el Bcido sulftirico, obteniendo como subproducto sulfato de

calcio (yeso)impuro.

.

La soluci6n se Illanda a un reactor de cement aci6n en donde, agre- - galldo zinc en polvo, se eliminan el cadmio y el nfquel (trazas) 10s cua-

31

0 7 0 2 0 2 les cementan, Este sdlido se manda a una planta de lixiviaci6n y e-

lectr6lisis de cadmio.

El li'quido conteniendo unicamente sales de sulfato de zinc, es - enviado a las celdas electrolfticas, donde por medio del paso de una

corriente el6ctrolflica se separa zinc electrolft ico de alta calidad, - produciendo ademas acido sulfrico y oxgeno, El zinc s6lido es -- llevado a fundici6n, donde termina de procesarse. La soluci6n re-

sultante se divide, mandando parte a los reactores de lixiviaci6n co - mo disolvente y parte a otra zona de la planta donde se neutraliza - el acid0 stlfurico con hidrdxido de calcio, produciendo sulfato de - calcio (yeso) puro.

El proceso puede observarse en el diagrama de bloques de la - Figura 1.

t

I

Neutralizaci6n 4 *

i

W O W 2 CaSO

t

1 r-

1 zno

Zn O

O

MATERIAS PRIMAS Y SUBPRODUCTOS

* Producto Principal :

zinc electrolZtico

Materias Primas :

concentrados de sulfur0 de zinc

sulfato ferric0

hidr6xido de calcio

Subproductos

cadmio electrolftico

sulfato de calcio impuro

sulfato de calcio puro

concentrados de cobre y plomo

.

Y

O 1 " J E T I V O S R E.S LI L T A D O S

I N V E S T I G A C I O N

O B J E T I V O S Y R E S U L T A D O S

A continuacidn se describen las diferentes pruebas hechas para - obtener datos necesarios en el diseilo de una planta de produccidn de

zinc, asf como una breve descripci6n de cada uno de los equipos ne

cesarios para la operaci6n de la misma.

L o s resultados del diseilo pueden ser vistos en el Capitulo .

REACTORES

Det erminaci6n de la Cinetica de Reacci6n

Introducci6n

La determinaci6n de la cinetica y de las etapas controlantes de la -- velocidad en una reacci6n s6lido-fluid0, se efectti a siguiendo la conver-

si6n de las particulas s6lidas. Tambien hay que observar como influye - su tamaiio y temperatura en dicha conversi6n; Esta informaci6n puede

obtenerse de varias maneras, que depende de las 0 ndiciones y los me- - dios disponibles.

Efecto de la Tetnperat u r a

En general, la etapa quimica depende mucho mas de la temperatura

aue las etapas fisicas por lo tanto, los resultados experimentales a dis-

tintas temperaturas permitiran distinguir facilmente, si la etapa contro - lante es la difusi6n a traves de la pelicula gaseosa, a traves de la ceni-

za o si es la reaccidn quimica.

Efecto de1 Tiempo

E l tiempo es una variaVe w e se utiliza como paramentro de referen

cia para construir curvas de conversi6n - tiempo, comparando cada una, I de estas curvas para distintos periodos, se puede indicar cual es la eta-

-

, pa controlant e , sin elllbargo, como las diferencias entre l a difusi6n en -

. / I

""

36

I

la ceniza y la reacci6n qui mica, como etapas controlantes, es pequela,

los resultados pueden estar enmascarados por la dispersibn de los da- - tos experimentales.

Efecto del Tamak de Partfcula

lfcula el exponente disminuye al aumentar el mbdu-

lo de Reynolds.

tO' IR Cuando la etapa. controlante es la difusidn a t raves de la ceniza.

r

Cuando la etapa controlante es la de reaccidn qufmi - ca.

Las ecuaciones anteriores indican el tiempo necesario para alcanzar

la misma conversi6n fracciona1 para particulas de tamafb diferente pero - constante; por consiguiente, last ebr ienc ias cineticas con diferente tama - &I de partkula perminten distinguir las reacciones en las que las etapas

controlantes son las flsicas o la qulmica.

Rutas de Reacci6n

Se planearon 3 posibles rutas de reacci6n en la fase de Lixiviaci6n:

6 .- 1

37

disolvente : k i d 0 sulffirico

sal : sulfato ferrico

disolvente : Acido sulfGrico

disolvente :

sal

Acido clorhfdrico

cloruro ferrico

Ihebas para la determinaci611 del talnaik, medio de partfcula

Se determind experimentalmente la distribuci6n del tamam de parti

cula por medio de tamices de diferentes tamalos. La base o cantidad - de mineral que se utiliz6 fue de 400 gr.

La tabla posterior dice que, por ejemplo :

Entre la malla 20 y 24 se quedaron el 6. S6 % del mineral y que tienen

1 un radio promedio de partfcula de 0,7427 mm.

38

Tamfz o Malla

18

20

24

35

50

80

100

150

200

300

Abertura

(mm.)

1.00

O. 80

O. 71

o. 50

O. 29

O. 18

O. 14

o. 11

O. 07

o, o5

i

\

CORRLDAS PARA DETERMINAR LA INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LA LIXIVIACION DEL SULFUR0 DE ZINC

Disolvente : Acido Clorhdrico

Sal : Cloruro Ferric0

La primera corrida ser6 con las siguientes caractersticas:

- 5 grs. de mineral . - 15 gr. de cloruro ferrico. - 16.7 ml. de Bcido clorhfdrico, para ajustar el PH a O. 95 - el tiempo total de reacci6n sera de cinco horas. - temperatura de reaccidn de 50" C.

-

L a s lecturas se hardn cada tres minutos hasta los 15 minutos de reaccidn,

luego cada 15 min. hasta los 60 min. de operacin, despues cada 2 0 min. has-

ta los 120 min. de reacci6n y finalmente cada 30 min. hasta los 300 min. de - reacci6n. (CrAfica NO. 1)

40

1

TIEMPO Minutos

CONCENTRACION DE Zn P. P. M.

i

27 O 1030 300 910

t.

L a segunda corrida ser5 con las siguientes caracteristicas:

- 5 gr. de mineral. - 15 gr. de cloruro ferrico. - 16.7 ml. de Bcido clorhdrico, (PH igual a 0.95) ' - tiempo de reaccin de cinco horas. - temperatura de reacci6n de 65C. - 1 It. de agua tridestilada. (GrBfica No. 2 ) .

TIEMPO Minutos

3 6 9

12 15 30 49 60 82 1 O0 120 ! 50 180 210 240 270 3 O0 -

CONCENTRACION DE Zn P. P.M.

1 O0 195 265 330 395 490 68 O 740 940

I O50 I I70 1340 1270 1480 1500 1560 1600

1

L a tercera corrida es con las siguientes caracteristicas:

- 5 gr. de mineral. - 15 gr. de cloruro ferrico. - 16.7 ml. de izcido clorhidrico, (PH igual a 0.95)-

1

I

-?

4 1 010102

- 1 It. de agua tridestilada. - tiempo total de reacci6n de cinco horas. - temperatura de reacci6n de 80C. (Grhfica NO. 3)

CONCENTRACION DE Zn P. P. M.

265 415 665 750 640 930

1150 1270 1470 1560 1640 1670 1710 1760 1780 1720 1810

L a cuarta corrida es con las siguientes caracterst icas : -

- 5 gr. de mineral. - 15 gr. de cloruro ferrico. - 16.7 ml. de 5cido clorhdrico, (PH igual a 0.95) - 1 It, de agua tridestilada. - tiempo total de reacci6n de cinco horas. - temperatura de reaccidn de 87C. (Grafica No. 4)

-

-

Y

42

3 10 12 15 30 45 60 80 1 O 0 120 150 185 2 15 240 270 300

TIEMPO P. P. M. Minutos

CONCENTRACION DE Zn

d

-

180 685 785 865

11 10 1290 1480 1580 1550 1620 1680 1790 1850 1960 1860 1840

SEGUNDA RUTA DE REACCION

Disolvente: Acido Sulfrico.

Se hizo una sola corrida con Cicido sulfrico con las siguientes caracters-

ticas:

- 5 gr. de mineral. - Se ajust6 el PH a O. 997 -

- - Se agregaron 6.1 ml. de Bcido sulfrico. - 1 It. de agua tridestilada. - temperatura de operaci6n de 80C. -

- tiempo de reacci6n de cinco horas. NOTA IMPORTANTE: Se not6 la presencia de desprendimiento de 6cido sul-

ffd5ico durante la reacci6n.

TIEMPO Minutos

4 6 9

12 15 33 45 60 80

100 123 150 180 2 10 2 42 27 1 300

TERCERA RUTA DE REACCION

Disolvente: Acido Sulfrico.

Sal: Sulfato Ferrico.

CONCENTRACION DE Zn P. P. M.

140 210 260 300 410 490 530 62 O 680 740 800 860 95 O

101 o 1090 1150 1200

Se realizaron tres corridas con Scido sulfrico y sulfato ferric0 a diferen-

tes temperaturas para ,determinar la temperatura dptima de reaccin.

Primera Corrida, caracterlrsticas:

fue de l . 29)

- l . 85 ml. de cid0 sulfrico (resultado de ajustar el PH a uno). - 1 It. de agua tridestilada. - temperatura variable aproximadamente de 80C. NOTA: La reaccih de mezcllldo de l a solucin de sulfato ferric0 y Bcido su1 -

Y

fdrico a temperaturas altas es sumamente exotermica (violenta), por lo tanto

, , . _*,,__ ..." ""'_.."." "., . . ._. .., . ~ .r ." .,.',. . 1/1 .I .,.

44

la adici6n deber5 hacerse .gota a gota y con agitaciones. (Grafica No, 5 )

TIEMPO Minutos

3 6 9

12 15 ! 30 i 45 60 80

I O0 120 i 150 180 240 270 300

I

CONCENTRACION DE Zn P. P. M.

2 O0 489 62 4 7 02

i 858 1079 1045 1145 1244 1245 i 349

.I 1353 1070 1420 143 1 1 407

"S

Segunda Corrida con Sulfato Perrico y Acido Sulfrico, Caractersticas:

- 5 gr. de mineral. -. '35 gr. de sulfato ferrico. - Se ajust6 el PH a uno con 9 . 4 ml. de Qcido sulfrico. -

- 1 It. de agua tridestilada. - temperatura de operaci6n de 70C. (Grafica No. 6 ) -

Y

5 7 9

12 15 30 4s 60 80

nmpo CONCENTRACION DE Z n M inutos P. P. M.

1

220 3 O0 490 430 460 600 660 730 790

45

I

TIEMPO P. P. M. Minutos

CONCENTRACION DE Zn

100

1030 210

850 120 790

150 92 O 180 890

240 101 o 27 O 1050 300 f 1190

- O. 9529 de sulfato ferrico. - Se ajust6 el a uno con 11.5 ml. de &ido sulfhico. - tiempo de operaci6n de cinco horas. - temperatura de operacidn de 86C. - (Grhfica No. 7) , . l \ . ' ; ' *

'11 EM 1'0 Minutos

3 6 9

13 16 30 45 60 80 1 02 12 o 150 180 210 i 270 300 I

: /

i r

, CONCEN'I'ItACION DE Zn P. P.M.

480 400 790 460 420 610 760 770 97 O

11 O0 1160 1250 1340 1390 1470 1500

f

Por lo t anto, se escogid como ruta de reaccidn aquella en la

que se lixivia con sulfato ferrico, ya que las otras dos presentan - las siguientes desventajas:

- Acido sulffirico como agente lixiviante : Presenta el grave -- problema de que existe produccidn de acid0 sulfhfdrico, siendo

este alt amente venenoso,

- Cloruro ferric0 como agente lixiviante : Durante la lixiviacibn, y en general a lo largo de todo el proceso, existe la presencia - de cloro que es altamente corrosivo y venenoso, haciendo una - planta incosteable en cuestibn de mantenimiento y proteccibn.

_1 I 1

46

M O D E L O M A T E M A T I C O

LA COMPLEJIDAD DE LA ECUACION CINETICA

En esta ecuacin cinetica ha de tenerse en cuenta el transporte de materia-

entre fases ya .lue estn presentes en el sistema m& de una fase; por consi -- guiente, habran de incluirse los trminos correspondientes al transporte de ma - teria y ademas los cinetico-qumicos.

CONCEPTO DE ETAPA CONTROLANTE DE LA VELOCIDAD

Por lo general nos encontramos con que una de las dos etapas, la de trans-

porte de materia o la de reacci6n qufinica presenta la mayor contribuci6n a la

resistencia global. Debido a ello, decimos lue la etapa ma's lenta es la etapa-

controlante de la tasa de velocidad de reaccibn, y puede considerarse que es - la nica que influye sobre la misma.

REACCIONES SOLIDO-FLUIDO:

A (fluido) i B (s6lido) ~ productos fluidos y s6lidos

Las partculas slidas no cambian de tamao durante la reacci6n cuando -

contienen gran cantidad de impurezas, quedan adheridas como cenizas, o si - estas impurezas forman un producto material consolidado de acuerdo con las - reacciones siguientes:

A (fluido) + 13 (s6lido) ~ productos s6Iidos productos slidos y fluidos

______)

Las partl'culas disminuyen d e tamafio durante la reacci6n cuando se forma-

ceniza no adherente o producto materia1 no consolidado, o bien cuando se - - emplea la sustancia "B" pura.

SELECCION DE UN MODELO MATEMATICO

Modelo d e un Ncleo Sin Reaccionar o Modelo de Ncleo Decreciente: En-

este caso la reaccidn tiene lugar primero en la superficie externa de la partf - cula slida; despue S la zona de reaccin se desplaza hacia el interior del sbli-

do, dejando atrs el material completamente convertido y s6lido inerte ( a l que

llamamos cenizas). De este modo durante la reaccicin existir8 un ncleo de ma

ter ia l sin reaccionar, cuyo tamao ir6 disminuyendo a medida que transcurre-

-

la reaccibn. Fig.

MODELO DE NUCELO DECRECIENTE PARA PARTICULAS ESFERICAS DE TA

MAO CONSTANTE

Durante la reaccin se presentan sucesivamente la 5 etapas siguientes:

ETAPA NO. 1

ETAPA NO. 2

ETAPA NO. 3

ETPPA NO. 4

Difusi6n del reactante lquido "A" hasta la superficie del s6-

lido a traves de la pelcula liquida estancada due la rodea.

Penetraci6n y difusin de "A", a traves de la capa de ceniza-

hasta la superficie del ncleo que no ha reaccionado o super-

ficie de reacci6n.

Reacci6n del reactante lfquido "A" con el d i d o en la super-

ficie de la reacci6n.

Difusi6n de los productos liquidos y s6lidos formados a tra-

vs de la capa de cenizas hacia la superficie exterior del s6

lido.

48

ETAPA NO. 5 Difusi6n de

:pida hacia

los productos de reaccidn a traves de la capa 1Z-

el seno del fluido.

Es frecuente due no se presente alguna de estas etapas; por ejemplo, si - no se forman productos gaseosos o si la reacci6n es irreversible, las etapas-

4 y 5 no contribuyen directamente a la resistencia de la reacci6n.

AJUSTE DEL MODELO DE NUCLEO DECRECIENTE A RESULTADOS EXPE-

RIMENTALES DE LA RUTA DE REACCION SELECCIONADA I

La reacci6n qullmica es:

ZnS + F e (S04)3 , Fe + ZnSO, * So

Si la tasa de reacci6n esta controlada por la difusi6n a traves de la pelfcu

la Hquida: a

donde r : radio del ncleo decreciente

K 2 radio total de la partcula

2 9% R 3 b k, C A L

= tiempo necesario para que la reacci6n sea com-

pleta , (r O)

t : tiempo

i

Ne.- 1\10 x, = = conversidn fracciona1

I Si graficamos x, $ t, los puntos experimentales nos tendrfdn que dar- una k e a recta con pendiente 2 y ordenada al origen igual a cero. Hacien-

do la grafica se observa que no se aproxima a una recta y por lo tanto no esta

controlado el sistema por la difusi6n en la pelcula lfquida.

Ruta de Reacci6n: Acido Sulfrico con Sulfato FErrico

Temperatura: 86" C

Conce ntraci6n maxima de zinc:

Concentraci6n de sulfuro de zinc en el mineral:

I 1 Concentracibn de ZnS 2.919 - - TIEMPO M inutos

O 3 6 9

13 16 3 0 45 60 8 0

1 02 120 150 180 2 1 0 240 270 300

CONCENTRACION

P. P. M. gr. /It . O O

480 .48 400 .4 780 .78 460 .46 42 O .42 610 .61 7 6 0 .76 770 .77 97 O .97

1 1 0 0 1 .1 1150 1.15 3 250 1.25 1340 1.34 1390 1.39

1470 1.47 1 so0 1.5

DE Zn

"- -"

1960 P. P. M.

2.919 gr. de sulfuro ck zinc.

I Concentraci6n de Zn en gr. /It. 1 CONCENTRACION

DE ZnS

2.919 2.203 2.323 l . 757 2.233 2.293 2 . o1 1:786 1.7719 1.474 1.28 1.. 205 1.0569

,9228 .I3483

.7292

.6845

gr. / I t .

""

1 O 0

CONVERSION FRACCIONAL

0 .2449 .2041 ,398 ,2347 .2143 .312 .3878 .3929 .495 .56 13 .5868 .6379 .6939 .7 093

,.7501 .7654

" m

En una mol6cuIa de sulfuro de zinc (ZnS), se tiene 1a siguiente cornpsi--

ciqn: 67.13 es de 211 32.86 % es de S

(Crafica No. 8 )

Si la tasa de reacci6n est controlada por la difusi6n a traves de la capa-

* de cenizas:

s i hacemos

" t - 2

x =

T ordenada pendiente

t (min.)

O 3 6 8 9

13 16 30 45 60 80

1 02 120 150 180 210 27 O 300

t

-l a bscisa

X = \ - 3 ( \ - Xo)*'' + 2(1- Y%)

O .O225 .O153 . O651 .O2058 .O169 .O377 .o6 142 .O6325 .lo75 .1453 ,1621 .2001 .2399 ,2648 .3095 .3280

donde el coeficiente de correlaci6n es O. 9826

la ordenada al origen de O. 0147

1 la pendiente de O. O0113 (Grafica No. 9)

, NOTA: Los resultados anteriores se obtuvieron por medio de mnimos cuadra- dos.

Si la tasa de reacci6n est5 controlada por la reacci6n qumica:

ordenada pendiente abscisa

t minutos

O 3

O

.2036 80

.1532 60

.1508 45 ,1168 30 .0772 16 .0853 13 .1556 9 . O732 6 .0893

1 02

.3375 210

.255 1 120

.2401

150

.3832 300

.37 O1 27 O

.3187 180

.2872

El coeficiente de correlacidn es de .9040

La ordenada al origen de .O847

La pendiente es de .O0115

Nuestros datos experimentales de la corrida a 86C se ajustaronrel'tiva--

mepte bien a un modelo de ncleo decreciente donde el paso controlante es la-

, difusi6n del reactivo fluido a rrav6s de l a capa de cenizas en la partkula ; sin-

52

embargo se observa que a tiempos mayores de cuatro horas y media el mo--

delo deja de servir y otro fen6meno empieza a controlar. Pudiera ser que el-

zinc en forma de sulfur0 se empiece a agotar y el resto del zinc se encuentre

en forma de silicato m& dificil de lixiviar, por este motivo se har5 caso o--

miso del ltimo punto (a t-. 5 hrs. ), ya p e en el lapso de la ltima media ho-

ra solo se lixivia un l. 53% del zinc total en el mineral.

Ajustando los puntos desde cero hasta las cuatro horas y media de opera - ci6n (por mnimos cuadrados), tendremos:

Rz = O. 9965

Ordenada al origen = O. 00358

Pendiente = 0.001294

Ver grBfica no. \O

ESPESADORES L

La finalidad principal de estos es incrementar la concentracibn de

una cantidad relativamente grande de sblidos suspendidos en una co- - rrient e de alimentacibn.

Espesadores continuos. - Consisten en un tanque, un medio para - introducir la alimentaci6n con un mfnimo de turbulencia, un mecanis-

mo de rastrillo propulsado para mover los s61i dos asentados hasta un

punto de descarga, un medio para retirar los d i d o s espesados y otro

para eliminar el licor clarificado. Los espesadores continuos se divi - den en dos ramas:

A) Espesadores de comportamiento simple (unitarios). Estos se

dividen en tres:

- Los espesadores de soporte de puente. Estos son cornu-- nes en diamentro hasta de 100 pies. La propulsi6n a nsis - te de un gusano en un engrane cilindrico, montado normal - mente sobre cojinetes de precisi6n e impulsado por u n mo-

tor, mediante una transmisibn de una o m& reducciones -- de engranaje. Un eje vertical de trans.misi6n se fija al en-

grane principal. Normalmente se sujetan dos brazos de -- rastrillo al eje central mediante estrellas de acero. Los -

. brazos largos tienen suficientes aspas para raspar el fondo,

dos veces por revolucidn y cuando es conveniente, dos bra - zos cortos adicionales para rastrillar el area interna cua-

54

tro veces por revolucibn con el fin de retirar las -- grandes cantidades de particulas gruesas que se a--

sientan cerca del centro. Ias raspadores c6nicos - atornillados al eje central impiden que se atascane

el cono de descarga del fondo. El puente que cubre

el espacio del tanque puede ser de la forma de viga - o caballete, este soporta el mecansmo espesador, la

pasarela y la artesa o tuberia de alimentaci6n.

- Espesadores de soporte de columna central. Suelen tener un diam etro de 75 pies. El mecanismo lo so-

porta una columna central estacionaria de concreto

o acero. Los brazos rastrilladores se fijan en una

mla impulsara, que gira en torno a la columna cen--

tral. Existen dispositivos elevadores que elevan los

brazos del rastrillo de 2 a 36 pulgadas.

- Espesadores de tracci6n. Utilizan un carro motori- zado que va sobre la pared del tanque. Un caballete

de transmisi6n, que se ext iende de la jaula girato--

ria central al carro de la periferia sirve como bra-

zo largo de rastrillo. Se suministra corriente el&-

trica al carro mediante unos anillos de desplaza- - miento conectados a la columna central, con contac-

i

i

tos mediant .-= escobillas colocadas en el caballete.

B) Espesadores de bandeja. - Este tipo de espesadores es Sola- - mente una variaci6n de los espesadores de comportamiento -- simple con varios compartimientos, uno sobre otro, Y un me-

canismo comGn de propulsi6n.

Ventajas y desventajas.

Los espesadores de soporte de puente tienen ventajs sobre el de -- colunlna central en los siguientes aspectos:

I

- Capacidad para transferir cargas a la periferia del tanque. - Capacidad para dar una concentraci6n mas densa y consistente

de flujo interior con el punto simple de extracci6n.

- Un dispositivo menos complicado de elevacidn (aliviar cargas - anormales).

- Menos estructuras sujetas a la acumulaci6n de Iodos. - Acceso a la transmisi6n desde los dos extremos de puente.

El espesador de tracci6n tiene las siguientes desventajas respecto

a los otros.

- MUY costoso. - NO se puede utilizar ningn dispositivo practico de elevaci6n. - El funcionamiento es dificil en los climas de nieve y hielo.

'1 - El esfuerzo de par nlotor se de!-e trnsmitir de la periferia del del tanque hacia adentro , donde se producen las condiciones

56

mas fuertes de rastrilleo.

Procedimiento para el DiseiTo de Espesadores.

,

Para la determinacidn del area minima de un espesador, se requie-

re sucesiv'amente de :

1 La identificaci6n de la concentraci6n a la cual la proporcidn

de masa de s6 lidos sedimentados es un minimo

2 La determinacidn de la velocidad de sedimentacidn en esta - concentraci6n

3 El calculo de la cantidad de agua rechazada de la suspesi6n

entre esta concentraci6n y la del producto, o sea, la canti- .I

dad que fluye hacia arriba en el nivel limitrofe

El primer paso se lleva a c a b por calculos maternaticos de las pro-

porciones de sedimentaci6n, y con la interpretaci6n apropiada de las pen - dientes de una curva de sedimentaci6n. El segundo se lleva a cabo por - la reintrepretaci6n de los mismos datos, en una curva de velocidad de -- sedimentaci6n contra concentraci6n. El tercer factor se basa en c a l ~ ~ - -

los sucesivos de la velocidad hacia arriha del fludo a varias concentra--

ciones.

DeterminaciCin de la Profundidad de Espesamiento J 'L

Para determinar la profundidad de espesamiento es necesario calcu--

lar el volumen requerido para la zona de compresibn, el cual es igual a -

57

la suma del volmen ocupado por los s6lidos y el volmen ocupado - por los liquidos asociados y esta dado por la sigueinte ecuaci6n:

Una vez obtenido este volmen, la profundidad puede calcularse -

dividiendo el volmen por el area de espesador ya calculada. La -- profundidad total del espesador puede estimarse sumando a la pro--

fundidad de la mna de compresidn las siguientes profundidades:

- por inclinacion del fondo de 1 a 2 pies - por capacidad del tanque de 1 a 2 pies - por sumersi6n de la alirnentacidn de 1 a 3 pies

Pruebas de Espesamiento

Las pruebas se llevaro a c a b usando 236 gramos de mineral por - litro de soluci6n con una probeta de 40 cm de largo y un volGmen de -- 1000 ml, 'La prueba utilizada para el diseilo de los espesadores di6 -- los siguientes resultados:

1

tiempo (min)

O

50 (segs)

1: 37

2: 23

3: 10

3: 33

4: O0

4: 29

5: 17

5: 53

6: 20

6: 45

7: 50

12: 10

59

FILTROS

Los medios necesarios para escoger una filtraci6n son los si- - guientes:

- capacidad para detener los s6lidos sobre sus poros, con rapi- dez despues de que se inicia la alimentacidn

- velocidad baja de arrastre de s6lidos dentro de intersticios -- (o sea, propensi6n mln ima a los estancamientos)

- resistencia mlnima al flujo de filtrado

- suficiente resistencia para retener la presi6n de filtraci6n

- resistencia aceptable al desgaste mechico

- capacidad para desgastar torta con facilidad y limpieza

- capacidad para conformarse mecanicamente al medio filtrante que se utilizara

- costo InInilno

Filtros al Vado

Los filtros al vacio se 1imitan a una presi6n maxima de.filtraci6n

de una atmbsfera. 1.a ' om"a a l vaclo, es un accesorio importante - para este tipo de filtros, puesto que es la fuente de la fuerza impulso

\

ra de filtraci6n y en muchas instalaciones, el dispositivo de mayor -- costo operacional.

Dentro de los filtros al vacfo por lotes se encuentran:

- filtros de succi6n al vacfo - filtros de hoja al vaclo (filtros Moore) - filtros Sparkler

Los filtros contfnuos al vacfo se clasifican en tres categorfas; de - tambor, de disco y horimntales. Su caracterfstica comtn es una super

ficie de filtraci6n que se desplaza de un punto de aplicaci6n de la lecha - da en donde se deposita la torta bajo el impulso de un vacfo a un punto - de separaci6n de s6lidos, donde se descarga la tort a por met odos mecA - nicos y neumaticos y de ahf de regreso al punto de aplicaci6n de la le- - chada; una valvula que regula la presi6n por debajo de la superficie en - varias etapas de su recorrido; un ciclo aparentemente conthuo de fun--

cionamiento que de hecho es una serie sin f i n de eventos estrechamente

espaciados por lotes que se aproxima a un patrbn continuo.

Las ventaias de este tipo de filtros son :

- se pueden diseflar 'como filtros continuos eficaces - como tales, utilizan paca mano de obra y son adiciones eficientes

para los procesos contfnuos 1

0 7 0 1 0 2

- La superficie de filtreci611 sc p w d c ~ abrir a la ut m6sfvrtl, v por consiguiente, es facil llegar a ella para efectuar inspec-

ciones y reparaciones

- por lo comCtn los costos de nlantenimientos son reducidos

Las desventajas son

- se debe mantener un sistema al vacio

- no se pueden usar filtros al vacfo para filtrados volatiles, ya sea debido a un punto normal de ehllici6n bajo o a una tem-

peratura de operacin elevada

- la mayorla de los filtros al vacio no pueden manejar s6lidos - compresihles, cuya filtracidn es diffcil

- Los filtros contfnuos al vacfo son inflexibles y no ofrecen un buen desempefb si su corriente de alimentaci6n cambia con - respecto a la velocidad, la consistencia o el caracter de los

S61 idos

Procedimiento para el diseb de filtros

' laciendo pruebas de filtracidn al vaclo, se toman datos de volG - men de filtrado contra el tiempo de filtracin. AI graficar ne con 1 m - tra v se ohtiale una linea recta, de la cual, de acuerdo a la si--

6 2

guiente ecuaci6n :

se ohtiene una lnea recta cuya pendiente es

y la ordenada al origen es A0 b v -

\

Ahora partiendo de la misma ecuacion integrada, obtenemos el - area de filtracibn necesaria para un volClmen de filtrado fijo (ver la

siguiente ecuacibn)

Datos obtenidos de las pruebas de filtrado para el producto de la

lixiviaci6n :

volmen de filtrado

(Its. )

o. 1

O. 25

o. 4

O. 65

O. 77

O. 9

O, 98

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1 .6

1.7

1.8

tiempo

begs )

5 , O

10. o

15. o

40. O

52. O

66. O

78. O

94. O

110. o

120. o

138. O

155. o

168. O

185. O

200. o

Datos obtenidos de las pruebas de filtrado para el producto de la -- neutralizacidn y l a precipitacidn :

volGmen de filtrado tiempo

(Its, ) begs )

o. 2 4 . 2 O. 4

1 .8

77.3 2.6

67.2 2.4

57.7 2 .2

48.8 2. o

41. O 1 .8

33.4 1.6

26.7 1.4

20 .5 1 .2

1 5 . 4 1.0

1 1 . 2 O. 8

7.5 O. 6

2.8 88.7

CELDAS ELECTROLlTICAS

Electr6lisis

Es la separaci6n de los componentes de una substancia o substan--

cias laciendo pasar una corriente electrica a traves de ella o ellas.

En este caso particular, se intent a separar un metal (zinc) que se - encuentra en forma de una sal en soluci6n (sulfato de zinc en agua). - - Para est o , se utilizan las llamadas celdas electrolfticas, que son reci-

pientes en los cuales esta contenida la soluci6n y a traves de la cual se

hace pasar una corriente electrica por medio de electrodos (ver Fig ).

I - c rirooo El mecanismo de la electr6lisis es el siguiente:

La substancia que se encuentra en soluci6n esta separada en sus io-

nes correspondientes, es decir

A B A + B -

_____$

-i I "

66

AI hacer pasar una corriente electrica a traves del circuito mos-

trado en la figura , se produce un flujo de electrones del A nodo al

catodo, lo que provoca una migraci6n de los iones deficientes en elec

trones hacia el catodo (cationes) y una migracibn de los iones con -- -

exceso de electrones hacia el anodo (aniones).

El flujo electrdnico va a provocar una corriente y una diferencia

de potencial (voltaje), que va a depender de las diferentes resisten- - cias existentes en el circuito.

Procedimiento para el disek de celdas electrollticas

Para disefiar una celda es necesario conocer :

- La naturaleza de la(s) reaccion(es) electrolltica(s)

- h s potenciales electr6dicos standard de cada uno de 10s iones presentes

- La masa de producto que se quiere obtener

- La conductividad de la solucidn presente

- El calor desprendido por el paso de la corriente

Pasos a seguir:

- Calcular la masa te6rica que se va a depositar en el electrodo 1

\

(en este caso el catodo) por medio de la Primera Ley de Faraday:

n F

o. bien, partiendo de la misma Primera Ley, calcular la corrien-

te necesaria para depositar una determinada masa por unidad de tiempo.

- Ha: que conocer las reacciones que puedan suceder al pasar una- corriente a traves de la soluci6n.

- Una vez conocidad las reacciones, se busca el valor de la conduc- tividad para la soluci6n, para poder aplicar la siguiente f6rmula:

(anodo)

P

o H

- Se procede a calcular el voltaje de descomposici6n de la soluci6n por Incdio de :

- El objetivo principal es minimizar el consumo de energfa, es de- cir, la potencia se calcula por medio de :

O

pero manteniendo una produccih de especie necesaria depositada

de acuerdo a los requerimientos establecidos.

Variables de disefb :

T = Temperatura de la soluci6n

c = Concentraci6n de las diferentes especies del electrolito

A = Area de los electrodos

1 = Distancia entre los electrodos $

N = Nomero de celdas electrollticas

69

M = Nmero de electrodos por celda

k = Conductividad elecirica

I = Corriente electrica

8

CAPITULO 8

I , A 1 I, A N T A

71

070102

I, A 1 I, A N 1- A

La planta de lixiviaci6n de concentrados de blenda de zinc para la - obtenci6n de zinc electrolltico tiene cinco etapas principales que son :

- Etapa de Lixiviaci6n

- Etapa de Precipitaci6n

- Etapa de Cementaci6n

- Etapa de Electr6lisis

- Etapa de Neutralizaci6n

A continuaci6n se describe cada una de ellas.

Etapa de Lixiviaci6n

El concentrado de mineral llega por tren a la planta y es introducido

a unas camas de almacenamiento de donde se extrae, mezcl8ndose con -

el sulfato fer r i c0 por medio de un tornillo sin f in (ver plano isom6trico - en el anexo). tin elevador de cangilones levanta este s6lido a una altura

de 13 metros, en donde sc mezcla por medio de un mezclador helicoidal 1

72

c o n la corriente que viene de electr6lisis y contiene el Acid0 sulforico

necesario para mantener la suspensi6n en pH igual a 1,. Saliendo del

mezclador, la corriente se divide en tres para entrar a los intercam-

biadores de calor que la van a calentar antes de alimentar a los reac-

tores de lixiviacidn colocados a 8.7 metros de altura, sobresaliendo - 1,1 metros de la plataforma que los sostiene. AI salir de estos reac-

tores, las corrientes pasan a traves de otro intercambiador de calor,

aue eleva su temperatura a la deseada para entrar al segundo grupo de

reactores de lixiviaci6n , colocados a 7 .6 metros de altura. Las co-

rrientes oue salen de la lixiviaci6n se unen, para despues entrar a al-

guno de los espesadores que se encuentran a continuaci611, cuyo fondo

esta elevado a l. 5 metros sobre el suelo, Todas estas llneas de ah--

mentacion present an u n declive para evitar que la suspensi6n las obs-

truya. Los espesadores descargan el s6lido a un filtro de tambor ro--

tatorio, en donde se extrae el l iqu ido restante para unirlo con la co- - rriente que desborda de los espesadores, Esta nueva corriente se man -

da a la torre de enfriamiento colocada a nivel de piso (obviamente para

ser enfriada). El s6lido ohtenido en los filtros es mandado a un almacen

y descargado en el por medio de una banda transportadora elevadora de tipo Z (T. E. 2. ), para ser enviado a una planta de procesamiento de - cobre y plonlo por metodos pirometalrgicos.

Etapa de Precipitaci6n 1

El liquido frio oue sale d e la torre de enfriamiento es mandado por -

una llnea elevada (4 metros de altura) al reactor de precipitacibn, el -

cual se encuentra a 5.76 metros de altura sobresaliendo 1.2 metros - de la plataforma, al igual que el reactor de neutralizaci6n que se en- - cuentra adyacente. A ambos reactores llega una corriente de hidrbxi-

do de calcio (cal) en agua y sulfato de zinc que viene de u n tanque mez-

clador, localizado a nivel de piso y Que es alimentado por medio de una

handa T. E. Z. desde el almacen de hidr6xido de calcio. La corrien -

te que sale del reactor de precipitaci6n es filtrada a nivel de piso en -- unos filtros de tambor rot'atorio. El s6lido es enviado a un secador -- para despues ser almacenado por medio de una banda T. E. Z. , ven- - diendose posteriormente como sulfato de calcio (yeso) impuro; el If--

quid0 es enviado a la casa de celdas electrollticas por una l h e a elevada

a 4 metros en donde funciona como liquido de enfriamiento, a la vez que

se calicnta, regresaldo por otra Ilnea a la mis ma altura que la anterior,

Etapa de Cementaci6n

La corriente antes mencionada se envla al reactor de cementacibn,

que se encuentra a 8.82 metros de altura, antes del cual se mezcla a - - 10.7 metros de altura con polvo de zinc, que es alimentado desde su al-

m a c h por medio de una banda T . E. Z.. La mezcla se lleva a cabo en

un n-rezclador helicoidal y dcspuC.s alilnenta hl reactor de cementacibn.

El producto del reactor pasa a unos filtros de tambor rotatorio, El s6-

lido se nlanda a nna planta de oi~tenci6n de cadmio electrolltico por me-- 'I

7 4

dio de una banda T. E. 2. ; el 114 udo es enviado al tanque de almacena--

miento de electrolito neutro colocado a nivel de piso y de 10 metros de - profundidad, del cual se bombea a las celdas electrollticas.

Etapa de Electr6lisis

Las celdas electrolfticas (2 .5 metros de largo, O. 75 metros de an--

cho, 1 . 5 metros de profundidad) estan colocadas en 50 grupos de 8 cel-

das en cascada, siendo alimentados simultaneamente 25 grupos a cada - extremo de la casa de celdas, descargando por el centro todas ellas a -

un canal comn. Los 50 grupos de celdas estan colocados en equipos - - de 5 grupos, estando estos equips escalonados para poder descargar al

canal en declive, permitiendo as r el flujo por gravedad en este canal. - El equipo que se encuentra mas elevado esta situado a 10 metros de al-

* tura sobre el nivel del piso en su parte mas alt a , y a 6 metros de altu-

ra sobre el nivel del piso en su parte mas baja. El canal vacla en el -- tanque de almacenamiento de electrolito acido, colocado a nivel de piso

y a 10 metros de profundidad. El liquido de enfriamiento circula a con-

t racorriente siguiendo el mismo trayecto que el electrolito pero en sen-

tido ascendente. Todos los flujos, en cada uno de los 50 grupos, son -- controlados por medio de valvulas de globo. El zinc se deposita en for-

ma de placas en los electrodos de aluminio, siendo despues separado - por medios mecanices y enviado a fundici6n.

, .

1

,

75

Etapa de Neutralizaci6n

La corriente de electrolito acido es bombeada desde su tanque de - almacenamiento a traves de una tukrra elevada a 4 metros de altura-

hacia el reactor de neutralizach, recirculando parte de esta corrien - te a la etapa de lixiviaci6n con el objeto de alimentar esta etapa con - el Acid0 sulfrico necesario para su operaci6n. El Uquido restante en-

tra al reactor de neutralizaci6n, mezclandose antes con la suspensi6n

de hidrdxido de calcio en agua y sulfato de zinc que viene del tanque mez - clador. El producto de la neutralizacidn es filtrado a nivel de piso en

un filtro de tambor rotatorio. El d i d o es enviado a un secador por - medio de una banda T. E. Z . y despues almacenado para posteriormente

venderse como sulfato de calcio puro. El Ifquido, totalmente neutraliza

do, es enviado parte al tanque mezclador para la obtencibn de la suspen-

si6n de hidrdxido de calcio y parte a la etapa de lixiviaci6n, uniendose - con la corriente que contiene acid0 sulffirico y calentandose en un inter--

cambiador de calor (1-2) a nivel de piso, de donde se eleva a 13 metros

para mezclarse con el s6lido que viene de los almacenes.

-

Can10 informaci611 adicional se menciona que los almacenes son ali--

mentados en la parte superior y descargados en la parte inferior por me

dio de bandas T. E. 2. , y su fondo se encuentra elevado 1 metro sobre - el nivel del piso. Unicamente las camas que contienen sulfato ferric0 y

el concent rado de hlehda se zinc son descargados lateralmente hacia un 1

tornillo sin fin. Todos los almacenes tienen 10 met ros de latura , a excep

7 6

ci6n hecha del almacen de zinc en polvo, que tiene una altura de me - t ros.

Todas las tuberlas &e circulan en espacios abiertos fueron eleva--

das 4 metros para permitir el paso de gente y vehfculos, a excepci6n

de aquellas que tienen valvulas o bombas que deben estar a un nivel ma-

niobrable.

PERSONAL NECESARIO

La siguei nte tabla muestra el personal necesario para el hen -- funcionamiento de la planta ( Estos datos fueron tomados de una plan

t a en existencia y funcionando):

\

a No. de Indivfduos

1

Categora

31

30

27

26

25

25

23

22

Puesto

Gerente General

Director de ProduccicSn y Control de Calidad

Gerente de Investigacidn y 'Jefede' Planta Piloto

Director de Mercadotecnia

Director de Recursos 3umanos y Relaciones Industriales

Gerente de Ingeniera y Procesos

Investigador ' I A"

Investigador "B"

Salario Mensual (miles de $1

543

389

347 10

308

308

245

217

$3

4

No, de Individuos Categoria

1

1

1

1

15

1

Puesto

22 Jefe de Compras y Coordinador Administrativo de Ventas

20 Gerente de Contabilidad y Cos- to S

20 Jefe de Mantenimiento Electri- co y Servicios

20 Jefe de Mantenimiento Preventi vo

-

19 Ingeniero de Turno

18 Jefe de Almacen

14 Secretaria de la Gerencia Gral.

Salario Mensual (miles de $)

217 8

170 lo

170 6

170 6

4

No. de Individuos

%

1

a,

5

1

z 1

2

Categora

14

14

14

13

13

13

12

11

Puesto

Jefe de Control de Produccibn

Gerente de Capacitaci6n y De- sarrollo

TBcnico Laboratorista

Secretaria "A"

Jefe de Caja y Bancos y Encar- gado de Cuentas por Pagar

Supervisor de Vigilancia

Auxiliar de Contabilidad

Enfermera

Salario Mensual (miles de $)

84

84

84

77

77

77

71

66

5

5

3

/ # 9 m O

I' S.

I

Yc, ,de Individuos

5

6

66

6

4

2

10

Categorfa Pues to

10 Secretaria "B"

9 Recepcionista

9 Vigilante

5 Operario "A'

5 Electrucista

4 Operario "B"

4 Mecanica

4 Chofer

1 Jardinero x 1 Operario de Limpieza

Salario Mensual (miles de $)

61

57

57

40

40

35

35 * '

35

23

23

2

2

l . -

2

1

i

I

CAPITULO 9

DISEO DE L A PLANTA

Y

83

D E E M DE LA PLANTA

DIAGRAMA DE FLUJO

El Diagrama de Flujo puede ser consultado en el anexo; a con-

tinuaci6n se dan las especificaciones de las corrientes:

F 1

ganga

ZnS

CdS

F 2

,

34.25 toneladas/hr

15.0 O c (&lidos a granel)

= 26.66 %

= 72.58 %

= 0.75 %

17.48 toneladas / h r

15.0 O c (s6Iidos a granel)

84

F 3

282.59 toneladas /hr

79 .5 "C

(suspensibn).

1-1 2 so, = 1.26 %

H 2 i l = 7 7 . 7 0 %

ZnSO, = 2.35 %

Fe, W,), = 6.19 %

ZnS = 8 . 8 0 %

CdS = 0.10%

F 3a

94.19 toneladas/hr

7 9 . 5 " c (suspensibn)

. " ~ _

85

F 3b

94.19 toneladas/hr

92.0 o C

(suspensibn)

H 2 so4 = 1.26 %

* 20 = 7 7 . 7 0 % ZnS04 = 2.35 %

Fe ,(SO, )3 = 6.19 %

ZnS = 8 . 8 0 %

CdS = o. 10 %

1 I

F 3c

94.19 toneladas/hr

80C '

(suspensidn)

CdS = 0 . 0 6 %

ZnSO = 7 . 7 2 %

= 3.42 %

= 0.06 %

= 2.51 %

F 3d

0.06 70

1.64 %

79.80 %

7.72 x) 1.19 x, 3.63 y& 3.42 %

0.06

2.51 y)

86

94.19 toneladas/hr

94.0 o C

(suspensi6n)

1

8

87

F 3e

94.91 toneladas/hr

82.0 O C

(suspensibn)

CdS = . 0 3 %

I 1 2 so4 = 1.59 % T I 2 0 = 71.56%

Ranga = 3.21 %

ZnSO 4 = 13.20 %

Fe, (SO4 )J = 1 . 7 6 %

ZnS = 2.18 :; CdSO 4 = 0.09

FeSO 4 = 3.70 z,

F 4

15.42 toneladas/ hr

76.66 OC

(sblidos)

= 59.21 %

= 40.27 %

= 0.50 %

-. 88

F 5

26 1.66 toneladas/ h r

76.66 o C

(1 fqu ido)

2 = , 1 . 7 3 %

F-l 2 0 = 77.87 %

ZnSO = 14.36 %

Fe,(S0,)3 = 1 . 9 1 %

FeS04 = 4.03 %

CdSO 4 = 0.09 %

1; Sa

t

t-I zso 4 = 1 . 7 3 %

11,o = 77.87 %

ZnS04 = 14.36 %

Fe ,(SO qI3 = 1 . 9 1 %

FeSO4 = 4.03 1

CdSO 4 = 0.09 %

261.66 toneladas/llr

25.0 " C

(liquido)

F 6 6

20.41 toneladas/hr

25.0 o C

(didos)

CaSO = 67.71 %

FeO = 15.58 %

Fe 2C)3 = 8.67

Ca(OH), = 8.04 %

F 7

289.52 toneladas/hr

* (1 Iquido)

1-1 20

ZnSO

CdSO 4

= 86.55

= 13.37 '770

= 0.09 %

90

F 7a

289.52 toneladas / h r

45.0 "C

(1 iqu ido)

11 2 0 = 86.55 %

ZnSO 4 = 13.37 %

cdso 4 = 0.09

F 8

O. 103 toneladas/hr

15.0 O c (sblidos a granel)

Zno = 100 %

F 9

O. 143 toneladas/hr

40 .0 o C

(sblidos)

'I

Cd"

Zn"

= 92.80 %

= 7.20 ?7.

91

F 10

249.45 toneladas/ hr

40.0 " C

(liquido)

ZnSO 4

M 20

F 10a

= 13 .44%

= 86.56 %

273.67 toneladas/hr

50 " C

(1 iqu ido)

F 11

242.49 toneladas/hr

45 " c (liquido)

ZnSO

= 97.11

= 2 . 8 9 %

= 90.29 %

= 2.83%

= 6.88 %

92

F 12

56.70 toneladas / h r

38.0 o C

(suspensibn)

Ca(0H) = 19.05 %

H z 0 = 78.99 % ZnSO = 1.96%

F 13

21.60 toneladas/hr

15.0 o C

(sblidos a granel)

Ca(OI I) = 100

F 14

113 4 toneladas/hr

38.0 o C

(suspensi6n)

1 Ca(OH), = 19.05 x, I H 2 0 = 78.90%

ZnSq = 1.96 %

93

F 15

Zno

)-T 2 0

ZnSO

f" zso 4

12.5 toneladas/hr

50.0 O c (solido en placas)

= 1 0 0 %

68,04 toneladas/hr

50.0 O c (1 fqu ido)

= 90.29 %

= 2 . 8 3 %

= 6.88 %

F 17a

19.85 toneladas/hr

45.0 o C

(didos)

Caso4 = 100%

F 18

233.74 toneladas/hr

96.0 o C

(1 fqu ido)

H 2 0 = 95.21 %

ZnSO = 2 . 8 4 %

2so4 = L 9 3 X

95

DBEO DEL EQLJIFO DE PROCESO

Reactores de Lixiviaci6n

El tiempo que transcurre para que una molecula pase por un reactor,

recibe el 11 o mbre de tiempo de residencia, 8 . En este caso, desea-- mos que las particulas liquidas y s6lidas permanezcan reaccionando un -- tiempo minimo de residencia de 4 . 5 horas para que alcancen una conver-

si6n del 75 %, aue es la deseada.

El tiempo medio de residencia, promediado para 10s elementos del -- fluido, esta dado por

Q = 222.19 E03 Its. /hr

por lo tanto , si s610 se utilizara un reactor para procesar dicho flujo vo-

lumetrico, tendrfa un voltimen de

1

3 v = Q = 999.85 m

Obviamente no se trabajara con un reactor de tal capacidad, sino --- con un conjunto de reactores que sumando el voltimen individual de cada

u r d den 1000 metros cabicos de voltimen total,

Para poder deducir el ntimero necesario de reactores a utilizar es -- preciso fijar con anterioridad las dimensiones y los voltimenes de los - reactores.

Se pretende untilizar tres trenes de reacci6n con dos reactores con-

tfnuos de tanque agitado adiabgticos conectados en serie en cada tren. -- El flujo entre el primero y el segundo reactor sera por diferencia de al--

turas entre los dos reactores ( en cascada ).

El flujo volumetrico que tiene que procesar cada tren de reacci6n se-

ra de 74.09 metros cbicos/hora.

La mezcla reaccionante debe permanecer mfnimo dos horas dentro - del primer react or; ademas, se dispone de reactores con las siguientes

caracterfsticas:

97

Si tomamos el segundo reactor tendremos un tiempo de residencia -- de :

@ = 2 ,22 1-Irs.

y sus caracteristicas son :

Diamet ro. Capacidad de Motor Tamail0 de Profundidad Propela

(m ) (hP) (mts. ) (mts. ) (mts. ) Tanque

6.08 165 30 1.52 6.08

Para conocer la temperatura de salida de las corrientes del primer - reactor, se hace un balance de masa y energfa simult aneament e. El a--

gitador mecanico suministra energia a'l sistema en forma de trabajo; por

otro lado, como se esta trabajando con un reactor adiabatico, se supon--

dr8 que la energia en forma de calor disipada por el reactor es igual a -- cero.

Temperatura de salida del pr i - - mer reactor

= 8 O o C

En el trayecto entre el primer reactor y el segundo se colocara un in-

tercambiador para suministrarle calor perdido a l a corriente que entra al

i

segundo reactor. La corriente de salida del primer reactor va a 80 o C - y se calienta por medio de un intercambiador hasta 94 o C.

'I

98

Reactor de Cementaci6n

Se desea remover de la solucidn el i6n Cd que constituye una im--

pureza para poder refinar el Zn,

El proceso para remover el cadmio se llama cementacidn, es decir,

hacer el i6n de Cd pase a C d o a costa de ganar dos electrones que le

son transferidos por el Zno para que pase a Zn , el cual queda en la

solucidn.

++

++

La forma de hacerlo es agregando polvo de zinc a la soluci6n para - que se lleve a cabo la siguei nte reacci6n :

Zno + Cd ++ Cdo + Z;'

L a reacci6n de cementaci6n se llevara a cabo a 40 o C de tal forma - que al salir del reactor de cementacidn entre directamente a las celdas

electrolfticas (la cinetica de cementaci6n fue tomada de resultados ex--

perimentales de acuerdo a Roever - 1958- reportados en :'Principles of - Extractive Metallurgy" de Fathi 1 labashi). (GrBfica No, 11) *., ,'.I I ]

/

La corrient e total volumetrica sera :

Se desdea tener

tor, por lo tanto se t

Q = 2 50.58 m3 /hr.

un tiempo de residencia de una hora dentro del reac - trabajar8 con uno cuyas caracterfsticas son:

99

Diamentro Capacidad del Motor Tamafio de Profundidad Propela Tanque

(mts , ) . (m 1 (hp) (mts. ) (mts. )

7.32 287.70 40 1.82 7.32

El cual dB un tiempo de residmcia de :

1 . 1 4 hrs. e =

1

Reactor de Precipitacidn

+2 t 3 Se desea remover todo el F e y el Fe que se encuentra en la co -

rrignte. Para esto se utiliza un reactor continuo de tanque agitado el - cual tendra un tiempo de res idencia de :

e = 15 mins.

Se tiene un flujo voIum!trico de :

Q = 206.28 m / h r .

Diamentro

(mts.)

4.26

4.86

5.47

Profundidad

(mts. )

4.26

4.86

5.47

Capacidad de Tanque (m 1

56.3

82.7

122. o

Se trahajar8 con el primer reactor, ya que proporciona un tiempo de

residencia de :

e = 16.37 mins.

19 que equivale a utilizar un reactor de tanque agitado cuyas dimensio-

, nes son 4.26 metros de diamentro y 4.26 metros de profundidad.

El volnlen del segundo reactor sera de igual maginitud que el prime-

ro, ya que la diferencia en los flujo de entrada es muy pequefia, pero su

tiempo de residencia en el reactor sera diferente:

8 = 2.28 hrs.

Ehevament e , haciendo un balance de masa y energa para calcular - la temperatura de salida del segundo reactor :

Temperatura de salida del segun - 82 " C do reactor

El tiempo total de residencia en los dos reactores sera :

er = 9 1 ' @, = 2.2825 + 2.2268 e1 = 4.509 hrs.

y el flujo total de los 3 trenes en serie de reactores sera :

3 Q = 211.21 m / h r .

102

Espesadores

De la tabla de datos experimentales para espesadores que se encuen -

tra en el CapRulo 7, se obtuvo la grafica No. 12 de la cual se estim6

el tiempo ajustado de espesamiento para una cierta altura:

0 = 7.30 mins.

a una altura de

z, = 14.00 cms.

La velocidad de sedimentaci6n en este tiempo es la pendiente de la - curva. Esta velocidad de sedimentaci6n esta dada por la siguiente ecua-

ci6n :

Con esto, se traza una grafica de velocidad a, ntra concentracidn me - diante la ecuaci6n anterior y la siguiente: (Grafica No.13 )

Despues se construye otra grafica a partir de las diferentes veloci-

dades de asentamiento contra diversas areas (ver grafica No. \4). Don - de la intersecci6n del Brea mfnima es el area utilizada para el espesa--

dor . 1

I

103

Esta area es igual a:

S = 2.95 E05 cm,

El dMmetro es igual a :

D = 6,50 m.

La profundidad del espesador fue calculada de acuerdo a el proce-

dimiento descrito en el Capftulo 7 , y es de :

L = 3.00 m.

En base a estos calculos, podemos obtener de tablas referentes al

tema la velocidad de revolucidn de los rastrillos y la potencia necesa-

ria del motor, los cuales son:

V = O. 60 rpm

W = O. 50 hp

t

104

Filtros

De los datos obtenidos en la experimentaci6n (ver Capitulo 7), se - construy6 una grAfica de contra V, de donde se obtuvo una pendien

K v - te > una ordenada al origen. Esta recta esta dada por la siguiente ecua -

Donde el volGmen de filtrado equivalente a la resistencia del medio -

filtrante y la tuberla esta dado por :

ordenada al orIgen Ve =

pendiente

Por Gltimo, el Area de filtrado esta dada por la siguiente ecuacidn :

Las areas de los diferentes filtros obtenidas son :

Filtro de la corriente neutralizada = 6.80 n? de Brea de filtrado

1.60 m de dihmer: ro

105

Filtro de la corriente despues de la precipitaci6n

= 7 .50 m de area de filtrado 2

1.74 m de diametro

Filtro de la corriente que sale de la cementaci6n 2

= 7 .23 m de drea de filtrado

1.70 m de diamet m

Filtro de la corriente que sale de la lixiviaci6n ?.

= 3.15 m de area de filtrado

l . 12 m de diame: ro

106

Celdas Electroliticas

El diseflo de las celdas, debido a la falt a de material apropiado, se

r e a l i d de acuerdo a datos tedricos siguiendo 10s pasos que se t-icio-

nan a continuaci6n.

Dado que dentro de las celdas se disponen los electrodos y para - - evitar en principio problemas en la velocidad de deposici6n debido a la

difusisn, colocaremos los electrodos lo suficientemente cerca uno del - otro. De datos de operaci6n :

76 mm entre cat odo y catodo

si los anodos son de O. 80 c m de espesor, ladistancia entre dos electro-

dos sera de 34 mm.

Se trabajara con un tamafb de electrodo tal que permita el facil ma-

nejo de las placas de metal que se depositen en ellos, por lo tanto, las

medidas de los electrodos seran:

largo - 1,50 metros ancho - O. 75 metros

- -

IJna vez fijado el t amam de las celdas, que serfa de :

largo - 2.50 metros

ancho - 1.10 metros

- -

profundidad = l . 50 metros

107

se procedi6 a calcular el n

menos dentro de los rangos manejados, no es tan importante el tiempo

de residencia del fluido dentro de las celdas,

Las celdas electrolfticas trabajan en regimen continuo, y colocadas

en cascada, como puede observarse en el plano isometrico que se en-

cuentra en el anexo. El calor generado por la corriente al pasar a tra-

ves de la soluci6n es tornado por la corriente que sale de los reactores

de precipitaci6n que funciona como flufdo de enfriamiento a traves de - serpentines colocados a los lados de las celdas, manteniendo de esta - manera la soluci6n electrolitica a una temperatura de salida de 50 o C.

EQUIPo AUXILIAR

Intercambiadores de Calor

Para aumentar la temperatura del flujo de proceso a la entrada y a - la salida de los reactores de Iixiviaci6n, se escogieron los intercambia-

dores de tubo en t u b , debido a la necesidad de evitar el estancamiento

de los sdlidos en suspensi6n que provocarfa un taponamiento o , cuando - menos, una disminuci6n en la velocidad afectando el proceso, No son - sensibles a cambios termodinamicos; presentan bajo costo inicial: facil

mantenimiento y menor desgaste en todas sus partes.

Diseib

Fluido Frfo ( t u b )

t , = 176v

t , = 201.2 T

w 158.35 C03 Ib/hr

Fluido Caliente (gnulo)

T ,= T,= 212

calor de vaporizaci6n= 972.89

BTU/lb

W = 4.07 E03 Ib/hr

- Falance de Calor

1

I

110

MLDT = 21 o F

- Area de contacto

A= 121 ft2

Esta area fue obtenida para un coeficiente total de limpieza (U,) - de 1550 PTU / (hr)(ft') (" F).

- Se calcula la longitud requerida a partir de

L= A/(superficie exterior por pie )

donde la superficie exterior se obt iene de tablas propias al caso,

de donde

I,= 19 ft = 5.9 mts.

El cal culo de los intercambiadores a la salida de los reactores de - lixiviaci6n se efecta de la misma manera, teniendo los siguientes datos

de entrada y salida para el fluido que se desea calentar:

Fluido Fro (tulm)

t , = 175.2 OF

t = 197.6 OF

w = 1.59 E05 lb/hr

y obteniendo la siguiente longitud para el intercambiador :

L = 14.6 ft = 4.5 mts.

Para el intercamhiador que va a calentar el flufdo de entrada al --- proceso (es decir, aquel que viene de la electr6lisis), se diseflo un in-

tercamhiador de t u b y coraza 1-2 debido a que se necesitaba un mayor

incremento de temperatura ademas de que, tratandose de una soluci611,

tendrfa pocos problemas de taponamiento. Como medio de calentarnien - to se utili26 tambien vapor de agua saturado,

DiseiIo

Fluido Frfo (tubo)

t t = 113F

t , = 2 0 5 F

w = l. 29 E08 Ib/hr

112

Utilizando el mismo procedimiento que para los intercambiadores -- anteriores, se obtuvo un intercambiador de 10 in. de diametro interno,

que tiene 52 tubos de 3/4 de in, de diAmentro exterior y de 16 ft. de lar

go arreglados en forma cuadrada de una pulgada de paso.

Torre de Enf r ia miento

Estas torres generalmente estan construidas de madera, formando

estructuras de puentes mflltiples parecidas a huacales. Sin embargo, - de vez en cuando, se emplean estructuras de aluminio, ladrillo, wncre

to, ashesto cemento y fibra de vidrio. El agua suele introducirse por -- la parte superior mediante lluvia provocada, hajando a traves de los nu-

merosos puentes y deflectores hasta la parte baja de la torre que esta - montada sobre una laberca. A menudo se utilizan torres de corriente - de aire forzada o inducida. En estas torres los ventiladores pueden en--

contrarse situados en la parte superior de la torre, y el aire es forzado

a traves del emparrillado a contracorriente con el flujo del agua., En -- las torres mas grandes, es decir, con capacidades hasta de 100 O00 gal.

por minuto de agua, el ai re puede forzarse a traves de ellas mediante 9 -

dos lados abiertos de la torre hasta un ventilador central a traves de -- deflectores inclinados. Las correlaciones empleadas para el diseib de

-

1 torres de enfriamiento son enlph-icas.

113

Disefb

Las correlaciones para e