Evaluación de parámetros hidrodinámicos en un reactor airlift piloto para su potencial aplicación en procesos de lixiviación de minerales oxidados de cobre

Abstract

Se evaluó cualitativa y cuantitativamente un sistema multifásico compuesto por un flujo de líquido, aire y mineral dentro de un reactor airlift de recirculación interna con un volumen de trabajo de 18,0 L, empleado en un proceso de lixiviación ácida de minerales oxidados de cobre cuyo tamaño de partícula estuvo en el rango de 55 a 75 µm y con una densidad promedio de 2,94 g/cm3. Se evaluó el efecto de la velocidad superficial del gas de entrada (USG) de 10,55 a 63,59 m/s, el nivel de líquido por encima del tubo interno o draftube (hT) de 5,0 a 20,0 cm y la carga de sólidos en el reactor (sL) de 5,0 a 15,0 % en peso de mineral con respecto al volumen del reactor sobre el comportamiento de los flujos multifásicos y parámetros hidrodinámicos tales como el holdup de gas o fracción volumétrica del gas en la mezcla (εG), las velocidades de líquido en las regiones de flujo ascendente o riser (ULR) y flujo descendente o downcomer en el reactor (ULD), porcentaje de mineral sedimentado (sS) y altura de la columna de espuma formada (hF). La caracterización cualitativa se realizó mediante la visualización de los flujos desarrollados en cada región del reactor airlift. Para todos los valores de velocidad superficial de gas de entrada (USG) testeados, se trabajó con un patrón de flujo de tipo burbuja tanto en la región de flujo ascendente como descendente; caracterizado por burbujas de tamaño pequeño y forma esférica definida. En la zona de desgasificación, el flujo de burbujas es caótico con presencia de burbujas de tamaño y forma heterogénea. Por último, en el fondo del reactor, la presencia de burbujas es prácticamente nula pues transitaban rápidamente desde la región de flujo descendente a la de flujo ascendente. Para los trabajos desarrollados con un flujo bifásico de aire-agua; se encontró que la velocidad superficial del gas de entrada (USG) tiene un mayor impacto sobre los parámetros hidrodinámicos comparado al que ejerce el nivel de líquido por encima del tubo interno (hT). Para el caso del holdup de gas (εG), el valor encontrado en la región de flujo descendente fue aproximadamente un 83,0 % del valor encontrado en la zona de flujo ascendente para todos los valores de USG empleados. Para el caso de la velocidad de líquido, el valor en la región de flujo descendente (ULD) máximo fue de 0,310 m/s y la velocidad de líquido en la zona ascendente (ULR) máxima de 0,305 m/s. En el comportamiento del flujo trifásico (mineral-aire-agua) se observó que la carga de sólidos (sL) impactó directamente en la formación de espuma en el reactor (hF) y el porcentaje de mineral sedimentado (sS), el cual fue como máximo de 60,73 % para una carga de sólidos de 5,0 % y una velocidad superficial del gas de entrada de 10,55 m/s y que se fue reduciendo hasta un 20,24 % para una carga de sólidos de 15,0 % y una velocidad superficial del gas de entrada de 63,59 m/s. Una vez definidas las mejores condiciones de operación del reactor basado en los parámetros hidrodinámicos antes descritos, se realizó la lixiviación de minerales oxidados de cobre usando un nivel de líquido por encima del tubo interno de 15,0 cm, una velocidad superficial de gas de entrada de aire de 10,55 m/s, un porcentaje en peso de 15,0 % de sólidos y con una solución de ácido sulfúrico (0,05 M) como agente lixiviante. Se inició con la solución a pH 1,0 y se registró un incremento hasta un valor de 5,69 a los primeros 5 minutos de iniciado el proceso. Al finalizar el proceso de 4 horas de duración, se extrajo como máximo 0,12 gramos de cobre por kilogramo de mineral, cantidad que fue disminuyendo conforme aumentaba el valor de pH debido a la precipitación del metal a altos valores de pH. Se realizaron, además, dos experimentos de lixiviación a nivel laboratorio en vasos agitados mecánicamente y con iguales condiciones de operación que los empleados en el proceso de lixiviación en el reactor, uno de ellos fue realizado manteniendo el pH en 1,0 durante todo el proceso y el otro a pH variable. Se obtuvo una extracción de 0,21 gramos de cobre por kilogramo de mineral en el vaso con pH controlado y 0,15 gramos de cobre por kilogramo de mineral en el vaso con pH variable, donde se notó el mismo efecto de aumento de pH y disminución en la cantidad de cobre extraído como en el reactor. Se observó que la cantidad de cobre extraído es dependiente de la acidez del sistema, por lo que el control de esta condición abre oportunidades de optimización en el proceso de lixiviación llevado a cabo en estos tipos de reactor.