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http://hdl.handle.net/1843/BUOS-AX5L5U| Type: | Dissertação de Mestrado |
| Title: | Desenvolvimento e validação de um modelo de balanço populacional para a lixiviação de um concentrado ustulado de zinco em bancada e em escala piloto |
| Authors: | Fabrício Eduardo Bortot Coelho |
| First Advisor: | Antonio Eduardo Clark Peres |
| First Referee: | Afonso Henriques Martins |
| Second Referee: | Adriane Salum |
| Third Referee: | Julio Cezar Balarini |
| Abstract: | No presente trabalho, foi desenvolvido um modelo matemático utilizando o equacionamento do Balanço Populacional (BP) para a lixiviação, em batelada e contínua, de um concentrado ustulado de zinco em soluções de ácido sulfúrico, dado que nenhum trabalho anterior havia validado com dados experimentais um modelo de Balanço Populacional para esse sistema. Inicialmente, a composição química e mineralógica do concentrado ustulado foi determinada e indicou a predominância de zinco (65%m/m), majoritariamente na forma de zincita (ZnO). Outros minerais, como a ferrita de zinco (ZnFe2O4), esfalerita (ZnS) e willemita (Zn2SiO4), também estão presentes nesse material. Em seguida, foram realizados experimentos de lixiviação em bancada para validar e refinar o modelo proposto. A partir dos resultados obtidos, foi observado que a concentração inicial de ácido afetou mais a taxa inicial de lixiviação, do que a conversão máxima de zinco obtida. Essa foi determinada pela razão molar entre o ácido sulfúrico e a zincita presente no concentrado ustulado, carregados no reator. Comparando-se os resultados do modelo, com os dados experimentais de bancada, foi observada uma excelente correspondência entre os mesmos, o que permitiu realizar a próxima etapa do trabalho, a modelagem da lixiviação contínua. Para tanto, duas abordagens foram consideradas para o modelamento dos padrões de escoamento nos reatores, a do fluxo segregado e a da mistura perfeita. Para a primeira abordagem, determinou-se a Distribuição de Tempos de Residência (DTR) dos reatores da planta piloto de lixiviação, utilizando-se experimentos do tipo degrau positivo para diferentes velocidades de agitação, vazões de alimentação e configurações (1 reator, 2 reatores em série e 3 reatores em série). Foi constatado que o comportamento do sistema se aproxima do comportamento de reatores ideais (reator perfeitamente agitado). Esse comportamento era favorecido por maiores velocidades de agitação e menores vazões de alimentação. Em seguida, foram realizados ensaios de lixiviação contínuos na planta piloto, sendo os resultados obtidos comparados com os dados gerados pelo modelo. Constatou-se que a abordagem da mistura perfeita é a mais indicada para representar o padrão de escoamento dos reatores, sendo os resultados do modelo bastante próximos dos obtidos experimentalmente. Utilizando análises estatísticas, foi possível comprovar a acurácia do modelo proposto e validá-lo, uma vez que esse foi capaz de reproduzir os principais fenômenos que ocorrem durante a lixiviação em questão. Potenciais aplicações para o modelo proposto incluem prever como alterações em parâmetros operacionais (distribuição granulométrica da alimentação, concentração de ácido, vazões de alimentação, entre outros) afetam o desempenho dos reatores. Além disso, o modelo proposto fornece uma ferramenta robusta para o design e controle de plantas hidrometalúrgicas, podendo levar à uma melhor tomada de decisões e à redução dos custos. |
| Abstract: | A Population Balance (PB) model was developed for the leaching of a roasted zinc concentrate (RZC) in sulfuric acid solutions, considering that no previous work has validated with experimental data a PB model for this system. Therefore, leaching experiments were done in order to validate and refine the proposed model. Initially, the chemical and mineralogical composition of the RZC, determined by XRF, XRD, and AAS, indicated the predominance of zinc (65% w/w), mainly as zincite. Next, batch leaching experiments were carried out using typical conditions of industrial processes. The parameters investigated were the stirring speed, the acid concentration, the reaction time, and the molar ratio, which is the molar ratio between the acid and the zincite present in the RZC loaded to the reactor. It was observed that the initial acid concentration affected only the initial leaching rate, while the molar ratio determined the maximum zinc extraction achieved. It was also found that the model correctly described this behavior, which suggests that the model accounted for the major phenomena occurring during the leaching. In the next step, the modeling of continuous leaching was done, considering two different approaches for the modeling of flow patterns in the reactors, the segregated flow, and the perfect mixing. For the first approach, the Residence Time Distribution (RTD) for the reactors of the pilot plant was determined, using positive step type experiments at different stirring speeds, feed rates, and configurations (1 reactor, 2 reactors in series, and 3 reactors in series). It was verified that the behavior of the system approaches the behavior of ideal reactors (continuous stirred-tank reactor). This behavior was favored by higher stirring speeds and lower feed flow rates. Then, continuous leaching tests were carried out in the leaching pilot plant, and the results obtained were compared with the data generated by the model. It was verified that the perfect mixing approach is the best one to represent the flow pattern of the reactors, and the results of the model are very close to those obtained experimentally. Then, using statistical analysis, it was verified the validity and accuracy of the proposed model. A potential application of this model would be predicting the effect of changes in operational parameters (e.g., particle size, distribution polydispersity, and acid concentration) on the reactor performance. Thus, the model provides a robust technique for plant design and control, which may lead to better decision-making and costs reduction. |
| Subject: | Tecnologia mineral Engenharia de minas Minerios de zinco Modelos matemáticos Lixiviação |
| language: | Português |
| Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Publisher Initials: | UFMG |
| Rights: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/BUOS-AX5L5U |
| Issue Date: | 5-Oct-2017 |
| Appears in Collections: | Dissertações de Mestrado |
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| desenvolvimento_e_valida__o_de_um_modelo_de_balan_o_populacional_para_a__lixivia__o_de_um_concentrado_ustulado_de_zinco_em_1.pdf | 6.26 MB | Adobe PDF | View/Open |
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