Balances_Metalurgicos_01_2011.pdf

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FACULTAD DE INGENIERIA

BALANCES MET BALANCES METALUR ALURGICO GICOS S

E.F.P. METALURGIA

BALANCES METALURGICOS

Mg. Rubén Edgar PALOMINO ISIDRO

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PRINCIPALES PROCESOS Y OPERACIONES UNITARIAS DE LA METALURGIA EXTRACTIVA

UNIDAD I

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PRINCIPALES PROCESOS Y OPERACIONES UNITARIAS DE LA METALURGIA EXTRACTIVA

UNIDAD I

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E.F.P. METALURGI E.F.P. METALURGIA A

INTRODUCCIÓN •

•

La metalurgia comienza con el descubrimiento pero también con la obtención de los primeros metales. Algunos metales aparecen en la naturaleza al estado nativo pero otros hubo que obtenerlos por transformación química de sus materias primas naturales.

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•

Estas operaciones de transformación configuran la metalurgia extractiva más primitiva que, a su vez, dio origen a lo que hoy se conoce como metalurgia. 4

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•

La metalurgia extractiva es la rama de la metalurgia que partiendo de las menas minerales o de los materiales reciclados, estudia cómo transformarlos en metales, que son sus productos finales. 5

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•

La metalurgia extractiva es parte de la metalurgia que estudia los métodos químicos necesarios para tratar una mena mineral o un material que se va a reciclar de tal forma que se pueda obtener, a partir de cualquiera de ellos, el metal más o menos puro, o alguno de sus compuestos. 6

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•

Los procesos en metalurgia extractiva caen dentro de uno de estos dos grupos: 1. PROCESOS DE VÍA SECA 2. PROCESOS DE VÍA HÚMEDA

•

A los primeros se les conoce, de forma general, como procesos pirometalúrgicos y a los segundos como procesos hidrometalúrgicos. 7

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•

Los procesos de vía seca se realizan a altas temperaturas entre productos en estado sólido, liquido o gaseoso.

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•

Los procesos de vía húmeda se realizan a través de reacciones en fase acuosa y a bajas temperaturas. 9

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DIVISIÓN DE LA METALURGIA EXTRACTIVA Vía seca o pirometalurgia

Vía húmeda o hidrometalurgia

• Calcinación • Tostación

• Lixiviación

Oxidante Sulfatante Clorurante Aglomerante • Fusión

Ácida Básica Neutra • Purificación

Reductora Ultrareductora Neutra Oxidante • Volatilización

Reductora Oxidante De haluros De carbonilos

y/o concentración

Métodos químicos convencionales Cementación Resinas de cambio de ión Extracción con disolventes •

Precipitación Electrólisis Cementación Métodos químicos

• Electrólisis ígnea • Metalotermia

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CONCEPTOS BÁSICOS: DE PIROMETALURGIA

•

•

Calcinación. Proceso en la que se descompone un compuesto (carbonato, sulfato, hidróxido, etc.) en sus óxidos formadores haciendo uso del calor. Tostación. Proceso mediante la cual un sulfuro, al reaccionar con el oxígeno del aire, se transforma en un óxido (oxidante o a muerte), en un sulfato (sulfatante), en un cloruro (clorurante), en un óxido aglomerado (aglomerante), etc. Proceso previo a la fusión. 11

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•

Fusión. Proceso en la que se obtienen, en un horno adecuado, varias fases fundidas: metal, escoria, mata o speiss. Pueden formarse todas o sólo alguna de ellas. La fase metálica puede ser un metal no reactivo (y entonces la fusión es reductora), un metal reactivo (y entonces es ultrarreductora), un compuesto ( y es neutra) u otro compuesto en un grado superior de oxidación (oxidante). 12

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•

Por ejemplo, se utiliza para extraer el hierro y el plomo (reductora) o como paso previo en la obtención del cobre (neutra; fusión a mata). 13

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•

Volatilización. Proceso que conduce a un metal (reductora), un compuesto (oxidante), un haluro (de haluros) o un carbonilo metálico (de carbonilos) en forma gaseosa. Se utiliza, sobre todo, en la metalurgia extractiva del cinc por vía seca; el metal se obtiene como un gas por reducción del óxido. 14

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•

Electrólisis ígnea o de sales fundidas. Proceso en el que se obtiene un metal a partir de uno de sus compuestos disueltos en un electrólito fundido y utilizando la corriente eléctrica como agente reductor. El ejemplo más significativo es la obtención del aluminio por electrólisis de la alúmina disuelta en un baño de criolita fundida.

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•

Metalotermia. Proceso en la que un metal desplaza a otro de sus compuestos al ser más reactivo. Un ejemplo clásico es la obtención del titanio utilizando magnesio para reducir al tetracloruro del primer metal.

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CONCEPTOS BÁSICOS: DE HIDROMETALURGIA

•

Lixiviación. Proceso en el que tiene lugar el ataque químico, en fase acuosa, del metal valioso contenido en una mena mineral. El que sea ácida, básica o neutra depende del carácter del reactivo químico utilizado, que a su vez es función de la ganga del mineral. 17

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•

Purificación y/o concentración. Proceso que se realiza sobre la disolución obtenida en la etapa anterior de lixiviación. Surge de la necesidad de retirar determinadas impurezas de la disolución antes de que ésta ést a sea sometida a la etapa siguiente de precipitación. La intensidad en la purificación depende del metal valioso en disolución y del método m étodo que se vaya a aplicar. Se suele realizar por métodos químicos de precipitación, por cementación (reacción de desplazamiento similar a la metalotermia pero en fase acuosa), etc. 18

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•

•

•

Si las disoluciones son muy diluidas, se pueden realizar operaciones de concentración, que por ser muy selectivas son también purificadoras. Para ello, se utiliza ampliamente la extracción con disolventes y el cambio el cambio de ión utilizando las resinas adecuadas. El resultado de esta operación es la obtención de una disolución lista para la etapa siguiente de precipitación. 19

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•

Precipitación. Se aplica para separar el metal valioso de la disolución, en forma elemental (casi siempre) o en forma oxidada (en raras ocasiones). Normalmente, se realiza por el paso de una corriente eléctrica entre dos electrodos. Un ejemplo típico es el del cobre. En algunos casos, como en el de las disoluciones cianuradas de oro, se utiliza la cementación. También es posible utilizar cualquier método convencional dela química. Como ejemplo de esta última posibilidad, se puede mencionar la cada vez más utilizada precipitación de metales, como el níquel y el cobre, con hidrógeno gaseoso a presión y temperatura altas. 20

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OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS OPERACIONES UNITARIAS •

Es cada una de las acciones necesarias de transporte, adecuación y/o transformación de las materias implicadas en un proceso químico. 21

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•

•

Este concepto fue introducido en 1915 por el profesor Little, del Massachussets Institute of Technology (MIT). La definición dada entonces, fue la siguiente: "... todo proceso químico conducido en cualquier escala puede descomponerse en una serie ordenada de lo que pudieran llamarse OPERACIONES UNITARIAS , como pulverización, secado, cristalización, filtración, evaporación, destilación... El número de estas operaciones básicas no es muy grande, y generalmente sólo unas cuantas de ellas intervienen en un proceso determinado." 22

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•

Los procesos químicos en general y cada operación unitaria en particular tienen como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil a nuestros fines. 23

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•

Este cambio puede realizarse por tres caminos: –

–

–

Modificando su masa o composición (reducción de tamaño, separación de fases, mezcla, …). Modificando el nivel o calidad de la energía que posee (enfriamiento, vaporización, aumento de presión, ...). Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo su velocidad o su dirección). 24

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•

•

Los tres cambios mencionados son los únicos cambios posibles que un cuerpo puede experimentar. Un cuerpo está absolutamente definido cuando están especificadas: Cantidad de materia y composición. – Energía total (interna, eléctrica, magnética, potencial, cinética). – Las componentes de velocidad de que está animado. –

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•

Este hecho experimental tiene su expresión matemática en tres leyes de conservación: Ley de conservación de la materia. – Ley de conservación de la energía. – Ley de conservación de la cantidad de movimiento. –

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PROCESOS UNITARIOS PROCESOS NATURALES Y ARTIFICIALES •

•

•

La relación existente entre el medio natural y la sociedad industrial implica la existencia de un flujo de materia y energía entre ambos. En la siguiente figura se representa un esquema muy simplificado del marco de relaciones existente desde el punto de vista de circulación de la materia y energía manufacturadas. Dentro de este intercambio continuo se diferencia dos tipos de procesos: 27

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•

•

•

PROCESOS NATURALES, como pueden ser la función clorofílica, la acción de plantas y animales o la producción de alimentos por agricultura. PROCESOS ARTIFICIALES, que dan como resultado productos que generalmente no se encuentran en la naturaleza. Los procesos artificiales, son los propiamente denominados PROCESOS QUÍMICOS. 28

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CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS. • •

Las operaciones unitarias son de naturaleza física. Se dividen en 5 grandes grupos: 1. 2. 3. 4.

Flujo de fluidos. Transmisión de calor. Mezclado. Separación: Destilación, extracción, absorción, adsorción, evaporación, cristalización, humidificación, secado, filtración y centrifugación. 5. Manejo de sólidos: Compresión, molienda, tamizado y fluidización. 29

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CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS UNITARIOS.

•

•

• •

Son aquellos que requieren de una o más operaciones, en las que ocurren transformaciones químicas. Los procesos unitarios están clasificados de acuerdo con el tipo de reacción química involucrada. Se lleva a cabo por lo general en un reactor. En el texto "The Chemical Process Industries" el profesor R. N. Shreve clasificó los principales procesos unitarios de la siguiente manera: 30

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1. Combustión 2. Oxidación 3. Neutralización 4. Formación de silicatos 5. Caustización 6. Electrólisis 7. Doble descomposición 8. Calcinación 9. Nitración 10. Esterificación 11. Reducción 12. Amonólisis 13. Halogenación

14. Sulfonación 15. Hidrólisis 16. Hidrogenación 17. Alquilación 18. Reacción de FriedeíCrafts 19. Condensación 20.Polimerización 21. Fermentación 22.Diasotización y acoplamiento 23.Pirolisis 24.Aromatización 25.Isomerización 31

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Proceso de Producción del Cobre 33

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Propiedades Intrínsecas de los Procesos de Alta temperatura • • • • • • • • •

Altas tasas de reacción a alta temperatura. Puede utilizarse una variación de temperatura para cambiar el equilibrio de una reacción. Los sulfuros metálicos pueden utilizarse como combustible. Los flujos involucrados tienen altas concentraciones de metal. Muchos metales fundidos son inmiscibles con las escorias fundidas. Los metales preciosos son solubles en el metal fundido. Las presiones de vapor son por lo general elevadas a alta temperatura. Invariablemente todos los procesos pirometalúrgicos originan subproductos gaseosos. Las escorias metalúrgicas son relativamente estables en el ambiente natural. 34

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Algunas definiciones •

•

Inmiscibilidad: Se dice de cada uno de dos o más elementos o compuestos que no se mezclan entre sí. Solubilidad: Es una medida de la capacidad de una determinada sustancia para disolver en un líquido. Puede expresarse en moles por litro, en gramos por litro, o en porcentaje de soluto; en algunas condiciones puede sobrepasarla, denominándose solución sobresaturada. La solubilidad de una sustancia depende de la naturaleza del disolvente y del soluto, así como de la temperatura y la presión del sistema. 35

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•

Presión de Vapor: La presión de vapor o más comúnmente presión de saturación es la presión a la que a cada temperatura las fases líquida y vapor se encuentran en equilibrio; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado. El factor más importante que determina el valor de la presión de saturación es la propia naturaleza del líquido, encontrándose que en general entre líquidos de naturaleza similar, la presión de vapor a una temperatura dada es tanto menor cuanto mayor es el peso molecular del líquido. 36

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•

Escoria: Las escorias son un subproducto de la fundición de la mena para purificar los metales. Se pueden considerar como una mezcla de óxidos metálicos; sin embargo, pueden contener sulfuros de metal y átomos de metal en forma de elemento. Durante la fundición, cuando la mena está expuesta a altas temperaturas, sus impurezas se separan del metal fundido y se pueden retirar. La colección de compuestos que se retira es la escoria. La escoria tiene muchos usos comerciales y raramente se desecha. A menudo se vuelve a procesar para separar algún otro metal que contenga. 37

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ESTEQUIOMETRIA •

•

Se ocupa del estudio de las relaciones de masa, moles y de volúmenes; de gases, en las reacciones químicas; es decir la estequiometria se ocupa de las relaciones cuantitativas entre los materiales que entran y salen de un determinado proceso. Las relaciones estequiometricas son muy sencillas y constituyen la base de una amplia variedad de cálculos de Ingeniería y los principales principios en los que se basa son: a. Ley de la conservación de la masa b. Ley de los pesos de combinación c. Ley de los gases 38

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•

Muchas de las aplicaciones de estos principios a los procesos metalúrgicos son con el propósito de calcular: pesos, volúmenes y composición de los materiales que intervienen en el mencionado proceso. 39

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LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MASA •

•

•

En toda reacción química la masa se conserva, esto es, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos. Es una de las leyes fundamentales en todas las ciencias naturales. El enunciado más aplicable es: “La ley de la conservación de la masa menciona que en cualquier reacción química la masa se conserva, es decir la masa no se crea ni se destruye, solo se transforma y permanece invariable. 40

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Ley de Conservación en Sistemas Reaccionantes •

Los sistemas reaccionantes, además de cumplir la ley de conservación, siguen las leyes de las proporciones definidas, proporciones múltiples y proporciones

reciprocas.

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•

•

•

Ley de las Proporciones definidas. Un determinado compuesto químico contiene siempre los mismos elementos en las mismas proporciones en peso. Ley de las Proporciones múltiples. Si dos o más elementos se combinan para formar más de un compuesto, lo hacen en pesos múltiples que están en la relación de números enteros pequeños. Ley de las proporciones recíprocas. Los pesos de dos o más sustancias que reaccionan separadamente con pesos idénticos de una tercera sustancia, son múltiplos sencillos de los pesos que reaccionan entre si. 42

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Ley de Conservación en Sistemas No Reaccionantes •

Si no hay reacciones químicas, tanto los compuestos químicos como la masa total y los elementos individuales se conservan.

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Ley de los Gases Ideales •

•

• •

Los gases ideales son gases hipotéticos, idealizados del comportamiento de los gases reales en condiciones corrientes. Así, los gases reales manifestarían un comportamiento muy parecido al ideal a altas temperaturas y bajas presiones. Debido a su estado idílico, también se les conoce como gases perfectos. Empíricamente, se pueden observar una serie de relaciones entre la temperatura T, la presión P y el volumen V de los gases ideales. 44

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Ley de los Gases Ideales •

•

La hipótesis de Avogadro dice que a volúmenes iguales de gases a las mismas condiciones de presión y temperatura contienen el mismo número de moléculas. Para la mayoría de los problemas metalúrgicos los cálculos sobre volúmenes de gas se hacen fácilmente empleando la ecuación del gas ideal, sin embargo los cálculos de Ingeniería están basados en el empleo de constantes que representan el volumen de un mol de gas a condiciones normales, esto es a cero grados (0º C) y 1 atm. 45

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Ley de los Gases Ideales Ecuación de estado: P * V = n * R * T

Donde: P indica la presión del gas. V indica el volumen del gas. n es el número de mol-gr del gas. R la constante de los gases. T la temperatura del gas en K.

Las cantidades más empleadas son: 1 mol-gr = 22,4 lt a TPS 1 mol-Kg = 22,4 m 3 a TPS 1 mol-lb = 359 ft3 a TPS

Valores de R:

8,314472 J/K · mol 0,08205746 lt · atm/K · mol 8,2057459 x 10-5 m³ · atm/K · mol 8,314472 lt · kPa/K · mol 62,3637 lt · mmHg/K · mol 62,3637 lt · Torr/K · mol 83,14472 lt · mbar/K · mol 1,987 cal/K · mol 10,7316 ft³ · psi/°R · lbmol

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UNIDADES Y DIMENSIONES

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¿Qué son las unidades y las dimensiones, y en qué se distinguen? •

•

•

Las dimensiones son nuestros conceptos básicos de medición, como longitud, tiempo, masa, temperatura, etc. Las unidades son la forma de expresar las dimensiones, como pies o centímetros para la longitud, u horas o segundos para el tiempo. Al anexar unidades a todos los números que no son fundamentalmente adimensionales, se obtienen los siguientes beneficios: 48

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1. Menor probabilidad de invertir, sin darse cuenta, una parte del cálculo. 2. Reducción en el número de cálculos intermedios y en el tiempo durante la resolución de problemas. 3. Un enfoque lógico del problema, en lugar de limitarse a recordar una fórmula e insertarle números. 4. Fácil interpretación del significado físico de los números empleados. 49

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•

•

•

Todo estudiante de ingeniería sabe que lo que se obtiene al sumar manzanas y naranjas es ¡ensalada de frutas!. Las reglas para manejar las unidades son en esencia muy sencillas. Sólo es posible realizar operaciones matemáticas de cantidades si las unidades de dichas cantidades son las mismas. 50

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Unidades del SI Nombre de la unidad

Cantidad física

Símbolo

Definición

de la unidad*

de la unidad

Unidades básicas del SI

Longitud

Metro

m

Masa

Kilogramo

kg

Tiempo

Segundo

s

Temperatura

Kelvin

K

Cantidad de sustancia

Mol

mol

Unidades derivadas del SI

kg * m2*s-2

Energía

Joule

Fuerza

Newton

N

kg *m*s-2 => J *m-1

Potencia

Watt

W

kg*m2*s-3 =>J *s-1

Densidad

kilogramo por metro cúbico

kg * m-3

Velocidad

metro por segundo

m * s-1

Aceleración

metro por segundo al cuadrado

m * s-2

Presión

newton por metro cuadrado, pascal

Capacidad calorífica

J

N * m-2 ,Pa

joule por (kilogramo * kelvin)

J * kg-1 * K -1

Unidades alternativas

Tiempo

Minuto, hora, día, año

Temperatura

Grado Celsius

Volumen

Litro (dm3)

Masa

Tonelada (Mg), gramo

min, h, d, a ºC L t, g

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Unidades del sistema estadounidense de ingeniería Cantidad física

Nombre de la unidad

Símbolo

Unidades básicas

Longitud

Pie

ft

Masa

Libra (masa)

lb m

Fuerza

Libra (fuerza)

Tiempo

Segundo, hora

lb f s, h

Temperatura

Grado Rankine

º R

Unidades derivadas

Energía

Unidad térmica británica, pie libra (fuerza)

Btu, (ft)(lb f )

Potencia

Caballo de fuerza

hp

Densidad

Libra (masa) por pie cúbico

lb m / ft3

Velocidad

Pie por segundo

ft/s

Aceleración

Pie por segundo al cuadrado

ft/s2

Presión

Libra (fuerza) por pulgada cuadrada

Capacidad calorífica

Btu por libra (masa) por grado Fahrenheit

lb f /pulg2 Btu/(lb m)(º F) 52

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Una de las características más valiosas del sistema SI es que (con la excepción del tiempo) las unidades y sus múltiplos y submúltiplos se relacionan mediante factores estándar designados por el prefijo indicado en la siguiente taba • Es preferible no usar prefijos en los denominadores (excepto kg). •

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Factor

Prefijo Símbolo Factor

Prefijo

Símbolo

109

Giga

G

10-1

deci

d

106

mega

M

10-2

centi

c

103

kilo

K

10-3

mili

m

102

hecto

H

10-6

micro

μ

101

deca

Da

10-9

nano

n

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CONSISTENCIA DIMENSIONAL •

•

•

Un principio básico es que las ecuaciones deben ser dimensionalmente consistentes. Lo que exige este principio es que cada uno de los términos de una ecuación tenga las mismas dimensiones y unidades netas que todos los demás términos con los que se realizan los cálculos. En consecuencia, las consideraciones dimensionales pueden ayudar a identificar las dimensiones y unidades de los términos de una ecuación. 55

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TABLAS DE FACTORES DE CONVERSIÓN EQUIVALENTES DE VOLUMEN

EQUIVALENTES DE MASA

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EQUIVALENTES DE MEDIDA LINEAL

EQUIVALENTES DE POTENCIA

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EQUIVALENTES DE CALOR, ENERGÍA O TRABAJO

EQUIVALENTES DE PRESIÓN

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CONSTANTE DE LOS GASES IDEALES, R

FACTORES DE CONVERSIÓN DIVERSOS

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