Modelamiento y simulación de un sistema de flujo bifásico en el interior de un tanque airlift de circulación interna usando dinámica de fluidos computacional

Abstract

Actualmente en el Perú, la minería es una de las actividades más importantes pues genera ingresos económicos al país. Sin embargo, su materia prima es cada vez más escasa y se tiene que recurrir a procesos fisicoquímicos optimizados que permitan obtener los metales valiosos de minerales cada vez más complejos de ser procesados. Para esto, algunas compañías mineras utilizan tanques agitados que permiten que el proceso de lixiviación (extracción de un constituyente soluble de un sólido por medio de un solvente), tradicionalmente llevado a cabo por percolación en pilas, se intensifique y se acelere. Uno de estos tanques, llamado airlift, (porque realiza un transporte mediante el uso de aire) logra la suspensión del mineral y su mezcla con la solución lixiviante a partir únicamente de una inyección de aire. Dos zonas importantes del tanque airlift son el riser y el downcomer, el riser es la zona del tanque airlift donde el sistema de fluidos asciende y el downcomer es la zona por donde desciende.

Visto desde el punto de vista físico, este proceso se comporta como el flujo de un fluido multifásico, por lo que, mediante el uso de las ecuaciones de la dinámica de fluidos, podemos describir y predecir su comportamiento. No obstante, los sistemas de ecuaciones diferenciales no lineales de la dinámica de fluidos adquieren formas muy complejas en situaciones reales. Su resolución en estos casos debe darse numéricamente. Para ello, debemos recurrir a métodos de solución adecuados para su resolución, como es el caso de la dinámica de fluidos computacional.

El objetivo de este trabajo es determinar un modelo adecuado para simular el comportamiento de un sistema de flujo bifásico líquido-gas en el interior del tanque airlift. Aunque un sistema bifásico sea una simplificación que no representa toda la física de un sistema trifásico reactivo como en una lixiviación de minerales, los resultados aquí encontrados los prefiguran parcialmente y permiten sacar conclusiones valiosas de modelado y de simulación cuya obtención se vería drásticamente dificultada al tratar el problema en su máxima complejidad.

Uno de los métodos para resolver este problema es el uso de un enfoque Euler-Euler, que reproduce el caso de flujos con fases continuas. Con el enfoque seleccionado se usó el modelo Euleriano que es el más adecuado para sistemas en donde hay un ingreso de aire en forma de burbujas y hay valores de la fracción volumétrica considerables, un modelo se dice que es Euleriano porque la velocidad va a depender de las coordenadas espaciales, de la misma manera es para el enfoque Euler-Euler. También se usó un modelo de turbulencia para casos reales. En este trabajo se usó el modelo de turbulencia k- ε realizable.

Los resultados principales que obtuvimos fueron la velocidad del líquido en la zona del riser y las fracciones volumétricas en las zonas del riser y downcomer. Son resultados importantes para, por ejemplo, la selección de las dimensiones del tanque a usar. El resultado final cuando las condiciones de entrada fueron el flujo volumétrico de 3.33 x 10-4 m3/s, el diámetro de burbuja de 0.009 m y el factor de arrastre de 2.75 indico que: velocidad del líquido en la zona del riser de 0.335 m/s, fracciones volumétricas en las zonas del riser y downcomer de 0.046 y 0.026 respectivamente, mientras que los valores experimentales de la fuente bibliográfica usada para comparación fueron de 0.420 m/s, 0.075 m/s y 0.020 m/s respectivamente. También los comparamos con resultados computacionales extraídos de la literatura, los cuales fueron de 0.390 m/s, 0.055 m/s y 0.032 m/s. Ello revela que dos de los parámetros calculados por nuestro modelo dan valores muy satisfactorios. La herramienta computacional aquí desarrollada es ahora una aliada útil para el diseño de equipos y procesos que se lleven a cabo en tanques airlifts.

Currently in Peru, mining is one of the most important activities because it generates economic income to the country. However, its raw material is increasingly scarce and you have to resort to optimized physicochemical processes that allow you to obtain valuable metals from increasingly complex minerals to be processed. For this, some mining companies use agitated tanks that allow the leaching process (extraction of a soluble constituent of a solid by means of a solvent), traditionally carried out by battery percolation, to intensify and accelerate. One of these tanks, called airlift, (because it carries out a transport through the use of air) achieves the suspension of the mineral and its mixture with the leaching solution from only an air injection. Two important areas of the airlift tank are the riser and the downcomer, the riser is the area of the airlift tank where the fluid system ascends and the downcomer is the area where it descends. Seen from the physical point of view, this process behaves like the flow of a multiphase fluid, so, by using the fluid dynamics equations, we can describe and predict its behavior. However, systems of nonlinear differential equations of fluid dynamics take on very complex forms in real situations. Its resolution in these cases must be given numerically. To do this, we must resort to appropriate solution methods for resolution, such as computational fluid dynamics. The objective of this work is to determine a suitable model to simulate the behavior of a two-phase liquid-gas flow system inside the airlift tank. Although a two-phase system is a simplification that does not represent all the physics of a three-phase reactive system as in a leaching of minerals, the results found here partially foreshadow them and allow for valuable conclusions of modeling and simulation whose obtaining would be drastically difficult to deal with the problem in its maximum complexity. One of the methods to solve this problem is the use of an Euler-Euler approach, which reproduces the case of flows with continuous phases. With the selected approach, the Eulerian model was used, which is the most appropriate for systems where there is an air intake in the form of bubbles and there are considerable volumetric fraction values, a model is said to be Eulerian because the speed will depend on spatial coordinates, in the same way is for the Euler-Euler approach. A turbulence model was also used for real cases. In this work, the k-ε realizable turbulence model was used. The main results we obtained were the speed of the liquid in the riser zone and the volumetric fractions in the riser and downcomer zones. These are important results for, for example, the selection of the dimensions of the tank to be used. The final result when the input conditions were the volumetric flow of 3.33 x 10-4 m3/s, the bubble diameter of 0.009 m and the drag factor of 2.75 indicated that: liquid velocity in the riser zone of 0.335 m/s, volumetric fractions in the riser and downcomer zones of 0.046 and 0.026 respectively, while the experimental values of the bibliographic source used for comparison were 0.420 m/s, 0.075 m/s and 0.020 m/s respectively. We also compare them with computational results extracted from the literature, which were 0.390 m/s, 0.055 m/s and 0.032 m/s. This reveals that two of the parameters calculated by our model give very satisfactory values. The computational tool developed here is now a useful ally for the design of equipment and processes that are carried out in airlifts tanks.