Estudio de sensibilidad paramétrica en reactores continuos con agitación

ARTÍCULO ORIGINAL Estudio de sensibilidad paramétrica en reactores continuos con agitación Parametric Sensitivity Study on Continuous Reactors with Stirring Dr. Carlos Hernández-PedreraI, Dra. Margarita Rivera-SotoI, Dr. Rafael Matos-DuránI , Ing. Yanetsis Piñó-CuencaII I:Facultad de Ingeniería Química, Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, Cuba. II:Empresa Pedro Sotto Alba, Moa, Holguín, Cuba. RESUMEN En este trabajo se presentan los resultados obtenidos en un estudio de sensibilidad, utilizando un modelo matemático desarrollado para la simulación del comportamiento de un reactor continuo con agitación, utilizando como fuente de información datos de operación procedentes de la planta industrial. El estudio permite valorar el efecto que los cambios en las variables de operación pueden ocasionar en los resultados del proceso y la posibilidad de que existan o no interacciones entre las variables analizadas. Palabras clave: reactores continuos, sensibilidad paramétrica, modelo estadístico, simulación. ABSTRACT In this work present the results obtained in a study of sensibility, by using a mathematical model developed for the simulation of the conduct of an endless reactor with agitation, by using as data source of information of reasonable operation of the industrial plant. The study permits value the effect that the changes in the variables of operation can occasion in the results of the process and the possibility that exists or not interactions between the variables analyzed. 59 Keywords: continuous reactors, parametric sensibility, simulation, statistical model. INTRODUCCIÓN El presente trabajo tiene como bases los aspectos teóricos relacionados con el desarrollo de un modelo matemático tipo caja negra, desarrollado con la finalidad de describir la operación de los reactores utilizados en el proceso de precipitación de sulfuros de níquel y cobalto, a partir de datos procedentes de la industria. En el desarrollo de modelos matemáticos puede ser aplicado el análisis de sensibilidad paramétrica con diferentes propósitos, entre los que se pueden citar: la estimación de parámetros, discriminación de modelos, optimización y/o control, entre otros [3]. La aplicación de métodos estadísticos como el análisis de regresión para identificar el modelo matemático tipo caja negra que mejor reproduzca el comportamiento de los reactores (autoclaves) de precipitación de sulfuros de Ni y Co, resulta de gran utilidad para realizar el estudio de la sensibilidad del sistema, que permita determinar la influencia de las variables de operación que tienen un mayor efecto sobre la calidad del proceso, ya que sus resultados servirían como base preliminar para el desarrollo de modelos matemáticos más robustos con un mayor nivel de descripción que permitirían realizar estudios más detallados del proceso. En el presente trabajo el desarrollo matemático del modelo estadístico, tiene como finalidad presentar el estudio de sensibilidad paramétrica realizado únicamente con fines docentes y tomando este elemento en consideración se han utilizado datos de la operación industrial que no corresponden al período actual. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA Características del objeto de estudio Las autoclaves de precipitación de sulfuros son reactores continuos con agitación; son equipos cilíndricos situados de forma horizontal, preparados para recibir presiones no muy elevadas y ambiente moderadamente ácido. Están divididos en tres secciones: A, B y C, por dos tabiques de tal de manera que la masa reaccionante pasa de una sección a otra por reboso. Los compartimentos (C y B) están provistos de agitadores de tipo axial, ya que en ellos se requiere la mayor absorción posible del H2S (g); mientras que el (A) posee uno de tipo radial, debido a que en esta sección la salida de la pulpa es por el fondo y la suspensión de las partículas deja de ser un problema. Por el compartimiento (C) entra el licor con un flujo que es regulado automáticamente, mientras que el H2S(g) es introducido al autoclave por el compartimiento (A), y al ponerse en contacto con la solución se producen las reacciones en las que se obtienen los sulfuros de níquel y cobalto, esto provoca que la solución se sobresature y comience el proceso de precipitación en forma de núcleos de pequeño tamaño, incrustando las partes fijas y móviles del equipo y haciendo crecer las partículas que fueron alimentadas como semilla, produciendo 60 una pulpa en solución ácida de alrededor de 2,5 % de sólido a la salida de la secuencia de reactores. En esta etapa se produce del 90 al 97 % de la reacción. Las reacciones que se realizan en estos reactores son: Fenómenos que están presentes en la operación de los reactores de precipitación. Los fenómenos que ocurren en estos reactores son: - Transferencia de cantidad de movimiento - Transferencia de calor - Transferencia de masa - Reacción química Influencia de diferentes variables de trabajo sobre la operación de los reactores de precipitación de sulfuros de Ni y Co Influencia de precipitación las condiciones de trabajo sobre los procesos de Entre los principales factores que tienen mayor influencia en el proceso de precipitación de los sulfuros de níquel y cobalto se encuentran: la temperatura, el pH, el grado de agitación, la presión parcial de H2S y las semillas. Para determinar el efecto que estas variables pueden tener sobre el proceso, es necesario hacer un estudio donde se manifieste su papel en el desarrollo de las reacciones [1]. A continuación se analiza Ia influencia de diferentes variables de trabajo sobre la operación de los reactores utilizados en el proceso: Efecto de la temperatura 61 En este sistema el efecto de la temperatura es el resultante de sus efectos sobre dos fenómenos distintos: la absorción del gas en la fase líquida y la reacción química. Un aumento de temperatura produce un aumento en la velocidad de la reacción, pero al mismo tiempo, disminuye la solubilidad de los gases; este efecto negativo del aumento de temperatura puede ser contrarrestado aumentando la presión del sistema [1]. Por esta razón, el efecto resultante en el sistema pudiera no resultar significativo al introducir pequeñas variaciones en esta variable. Por otro lado, un efecto secundario al operar a una elevada temperatura es que provoca que los gases de purga salgan más caliente y con mayor humedad, provocando problemas en el deshumidificador y los compresores. Pedrera [1] señala que en mucha literatura se estudian los procesos de cristalización en sistemas con enfriamiento para lograr la sobresaturación de la solución, o por evaporación del solvente con la misma finalidad; pero el proceso que se estudia no se ajusta a ninguno de estos casos. Efecto del pH Para lograr una eficiencia de precipitación de 90 % o más del Ni y Co se debe neutralizar el licor ácido lixiviado, llevándolo a un pH de 2 a 3 antes de la precipitación [1]. El aumento de la acidez inicial disminuye la solubilidad del H 2S en el licor (...truncated)