Modelación y simulación termodinámica para la optimización del proceso de tostación de una mezcla de concentrados de zinc

Abstract

La presente tesis tiene como principal propósito modelar el proceso de tostación en la refinería Cajamarquilla, ubicada al este de la ciudad de Lima. En este proceso se reciben aproximadamente 60 000 toneladas métricas húmedas de concentrados de zinc al mes, provenientes de las diferentes unidades mineras en el sur y centro del país. El capítulo I describe la actual simulación de mezcla de alimentación al tostador de lecho fluidizado, que sólo controla la ley de zinc necesaria para cumplir con la meta presupuestada de 330 000 t de zinc refinado en el año, mas no lleva un control directo de los stocks finales de concentrados en cada mes, lo que genera incertidumbre en los inventarios finales de stock de concentrados para el Balance Metalúrgico de la refinería. Además, no se cuenta con un simulador que prevea el comportamiento de las principales variables de proceso de Tostación con respecto a una mezcla predeterminada de concentrados de zinc y concentrado de zinc pre-tratado proveniente del proceso de hidrometalurgia; es por eso que se estudia y propone parámetros de operación, con el fin de garantizar las condiciones para el desarrollo óptimo del proceso de tostación. Por otro lado, el capítulo II recopila toda la información teórica necesaria para tener una base sólida en el desarrollo del simulador. En los capítulos III y IV, se plantea la optimización de mezcla que realiza una proyección homogénea de la mezcla en todo el mes, tomando en cuenta una recepción de concentrados uniforme y sus respectivos contenidos metálicos. Esto, acompañado de un seguimiento de control de stocks de concentrados hasta fin de mes a través de inventarios con peso neto de balanza, permite tener una mezcla y proceso estable; así como también un inventario de concentrados confiable para realizar el cálculo del porcentaje de recuperación que es el indicador del performance de producción de la refinería Cajamarquilla. A partir de la determinación de la mezcla se plantea un simulador termodinámico del proceso de tostación donde se toman ciertas consideraciones importantes como: análisis químicos y mineralógicos de los concentrados y estudios del proceso de hidrometalurgia para la caracterización de la mezcla, ensayos de descomposición térmica de sulfatos, diagramas de fase y energía libre de Gibbs para la formulación de las reacciones básicas de tostación, las entalpías específicas para obtener la cantidad de calor generado o absorbido por cada reacción química y por consiguiente, la temperatura a la que operará el tostador. Finalmente, en base al simulador desarrollado se logra brindar conocimiento e instrucciones necesarias al personal que opera la planta como lo mencionado en el capítulo V, para alcanzar la estabilidad operacional minimizando los desvíos o anomalías que se presenten y en consecuencia, desarrollar los planes y proyecciones de producción de la refinería alineados a su misión y visión como negocio.

The main purpose of this thesis focus on the simulation of the roasting process in Cajamarquilla zinc refinery, located in the east of Lima. In this process are received approximately 60 000 wet metric tonnes of zinc concentrate per month, from different mining units in the south and center of the country. The chapter I described the currently simulation of the feed mixture, that get into to the Fluidized bed roaster. It is important to mention that it just controls the law of Zinc needed to keep the budgeted goal of 330 000 t of refined zinc in the year; however it does not take direct control of the end of each month focused on stocks, which creates uncertainty in the final concentrate inventories of stock for Metallurgical Balance refinery. In addition, there is no simulator that provides the behavior of the main roaster’s variables with corresponds to a predetermined mixture of zinc concentrate and zinc concentrate pre-treated from the area of hydrometallurgy. For those reasons we study and proposed operating parameters, in order to ensure optimal conditions for the development of roasting process. On the other hand, chapter II compiles the theory and the technical information needed to have a solid base in the development of the simulator. In the chapters III y IV, there is our approach about the optimization of the mixture that makes a homogeneous projection of the mixture throughout the month, taking into account the reception of uniform concentrates and their metal content. This, accompanied by a tracking control stock of concentrates until month's end through inventories with net weight of balance, allows a stable mixture and process; as well as a reliable inventory of concentrates to calculate the Percent Recovery which it is the indicator of the performance of Cajamarquilla refinery production. From the determination of the mixture is proposed a thermodynamic simulator of roasting process where certain important considerations are taken such as: chemical and mineralogical analysis concentrates and hydrometallurgical process studies for characterization of the mixture, assays thermal decomposition of sulphates, phase diagrams and Gibbs free energy for the formulation of the basic reactions of roasting, the specific enthalpies for the amount of heat generated or absorbed for each Chemical reaction and therefore the operating temperature of the toaster. Finally, the knowledge and instructions necessaries are shared to the operating personal in the plant as mentioned in chapter V based on the simulator developed, in order to achieve operational stability minimizing deviations or anomalies that occur and consequently develop production plans and projections Refinery aligned to the mission and vision of the business.