UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA
“AÑO DEL CENTENARIO DE MACHU PICCHU PARA EL MUNDO” FACULTAD DE ING. DE MINAS ESCUELA PROFESIONAL DE ING. QUIMICA CURSO
:
TEMA OBTENCION
PROCESOS UNITARIOS I :
“PROCESO PARA LA DEL VIDRIO”
DOCENTE
:
ALUMNO : HUMBERTO.
INGº. SEGUNDO CABALLERO C. OLAYA ALBERCA JOSE
2011
EL VIDRIO I.
Historia El primer descubrimiento de vidrio apareció posiblemente en Egipto aproximadamente en 1500 años A.C , pero fue en Roma donde apareció la primera fabrica; ya que, antiguamente, el vidrio plano para acristalamientos se fabricaba mediante la técnica del soplado del vidrio, obteniendo piezas cilíndricas de gran tamaño que, una vez cortadas, se aplanaban antes de endurecer. La primera descripción de la técnica de flotado del vidrio apareció en los Estados Unidos, en 1902, en una patente de W. E. Heal. Una variante de este proceso apareció en 1925, ideada por Hitchcock. Entre 1953 y 1957 Sir Alastair Pilkington y Kenneth Bickerstaff, de la empresa manufacturera británica Pilkington Brothers, desarrollaron la primera aplicación comercial exitosa de estas patentes, consiguiendo formar una lámina continua de vidrio, vertiéndolo sobre estaño fundido contenido en un gran depósito, donde el vidrio fluía lateralmente, sin obstáculos, hasta donde le permitiera su propia fluidez bajo la influencia de la gravedad y las tensiones superficiales. Las primeras ventas con beneficios se alcanzaron en 1960.
II.
Características:
El vidrio es un material inorgánico, frágil y por lo general transparente presenta diferentes colores según los componentes que se utilicen en su fabricación. Se obtiene por fusión a unos 1.500 °C de arena de sílice (SiO 2), carbonato de sodio (Na2CO3) y caliza (CaCO3). El término "cristal" es utilizado muy frecuentemente como sinónimo de vidrio, aunque es incorrecto debido a que el vidrio es un sólido amorfo y no un cristal propiamente dicho. El vidrio difiere ampliamente de composición, es una mezcla compleja de silicatos; un silicato alcalino y el silicato de una o más bases (calcio o plomo). Esto en lo que se refiere a la mayor parte de los vidrios comerciales; mientras que en vidrios especiales se han reemplazado los álcalis por boratos, fosfatos y aluminatos y el plomo y calcio por otros metales: bario, magnesio, cinc, etc. Para aplicaciones técnicas se emplean casi exclusivamente los silicatos dobles alcalino-cálcicos y alcalino-plúmbicos; que al solidificarse son transparentes y límpidos: y dentro de estos vidrios el más usado es el
III.
calcico-sodico. La razón de que la mayor parte del vidrio sea de soda y cal, es por el bajo valor de la materia prima. En la actualidad, su reciclaje supone un importante beneficio para conservar el medio ambiente.
Propiedades físico químicas
La densidad es algo más elevada que en el cuarzo fundido 2,5 frente a 2,2 g/cm3. El coeficiente de dilatación térmica lineal a temperatura ambiente: 8,72•10-6 °C-1, es notablemente más alto que el de la sílice fundida (unas 20 veces más), por lo que los objetos de vidrios de silicato sódico son menos resistentes al "choque térmico". Su índice de refracción a 589,3 nm es 1,52; es ligeramente mayor que el del vidrio de cuarzo y puede aumentarse mediante el uso de aditivos. Para moldear un vidrio es necesaria una viscosidad que se sitúa entre 1.000 poises y 5.000 poises. En el caso de la sílice son necesarias temperaturas de más de 2.600 °C, en tanto que para los vidrios comunes basta con 1.200 °C, aprox. La absorción de la luz se ve influenciada por la estructura íntima de estas materias transparentes. En el caso de una estructura Si-O la absorción de fotones es baja, incluso para longitudes pequeñas de onda (transparencia a los rayos UV). No es así cuando a esta sencilla estructura se le añaden otros elementos (Na, Mg Ca, etc.) que inciden decisivamente en la absorción a las longitudes de onda pequeñas (menores de 200 nm) y en las infrarrojas (superiores a 700 nm). Por otra parte, la presencia en la red vítrea de elementos de transición , produce absorciones selectivas de radiación visible, lo que permite, entre otras cosas, colorear los vidrios con una amplia gama de matices.
Resistencia eléctrica a 1500 °C es 0.51 Ώ.cm. Calor específico a 25 °C es 0.20 cal/g/°C. Módulo de elasticidad a 25 °C es 719 Kbar.
Modulo de Young: 720.000 Kg/cm2.
IV. Principales variedades de vidrio
V.
Vidrios Sódicos (Silicato de sodio y calcio): Es el vidrio ordinario que se emplea para elaborar vidrios planos, botellas, frascos y otros objetos. Tienen casi siempre un ligero color verde debido al hierro de las materias primas. Resisten a la acción disolvente del agua y los ácidos, tienen poco brillo. Las composiciones extremas de estos vidrios son las siguientes: SiO2 (68%-75%) y Na2O (11%-18%).
Vidrios Potásicos. (Silicato de potasio y calcio): Son más duros que los anteriores, muy brillantes, resisten mejor las variaciones de temperatura y son muy resistentes a la acción del agua y de los ácidos, tienen la siguiente composición: SiO2 a 75% y K2O a 18 %.
Vidrios Plúmbicos. (Silicato de potasio y plomo): Tienen peso específico elevado y poseen notable esplendor, son muy transparentes, sonoros y refractan muy bien la luz. Dentro de estos vidrios se encuentra el cristal, el flint-glass empleado en óptica y el strass que es para elaborar piedras preciosas artificiales. La composición de algunos de estos vidrios es la siguiente: el Cristal posee 53% de SiO2, 11%K2O y 35% de PbO; el Flint 20-54% de SiO2, 0-12% de K2O; y el Strass 40% de SiO2, 7% de K2O y 52% de PbO.
Vidrios Dóricos: En los que se ha reemplazado partes de sus componentes por anhídrido bórico, dando vidrios duros, resistentes al calor, para laboratorios por su bajo coeficiente de dilatación y debido a su bajo contenido en metales alcalinos y alcalino-térreos.
Materias Primas Como materias primas para la elaboración del vidrio se emplean óxidos ácidos y óxidos básicos. a) Los óxidos ácidos utilizan, sea en primer lugar la sílice (SiO 2), que
constituye el 40- 75 % de los vidrios: el anhídrido bórico (B 2O3), constituyente importante de los vidrios de bajo coeficiente de dilatación (Pírex); la alúmina (Al 2O3), etc. b) Los óxidos básicos utilizados se obtienen de metales alcalinos, alcalinotérreos, etc. en forma de óxidos o de sus sales. c) Además se emplean sales y óxidos varios para colorear los vidrios.
ÓXIDOS ACIDOS: SÍLICE: Es el mayor ingrediente de los vidrios comerciales. Se emplea como cuarzo o arena, donde la pureza varía de acuerdo a su origen. La arena debe ser de tamaño uniforme, ni muy pulverizada ni muy grueso el grano: puesto que muy pulverizado forma espuma e hincha la masa durante la fusión y si el tamaño es muy grande no puede reaccionar con los otros metales y no se disuelve completamente, apareciendo el vidrio con piedras. De aquí se requiere arena en su mayoría de grano medio. Las impurezas de Sílice suelen ser: Hierro, Aluminio y materia orgánica. La presencia de pequeñas cantidades de aluminio no afecta al vidrio, el hierro actúa como agente colorante produciendo un verde intenso, que depende de la cantidad existente y del grado de oxidación. Para los vidrios incoloros la arena debe contener la menor cantidad de hierro posible, mientras que para el vidrio común, tales como el de botella, no afecta. ACIDO BORICO (B (OH)3) y BORAX (B4O7 Na2.1OH2O): Se usa para vidrios resistentes al calor y para vidrios de óptica. Eleva la resistencia química, la dureza, la fusibilidad, rebaja el coeficiente de dilatación y modifica el índice de refracción. ALUMINA (Al2O3): Empleada en forma de feldespatos, forma aluminatos, que junto con la cal y la magnesia aumenta la resistencia del vidrio y elevan su punto de fusión. La alúmina en gran cantidad enturbia la masa fundente. ÓXIDOS BASICOS: ALCALINOS:
a. Carbonato de sodio anhídrido (soda Solvay): Es la fuente de sodio más
empleada. El sulfato de sodio que reemplaza a la sosa se emplea mezclándolo con 6 o 7 % de carbón (evitando el exceso porque entonces en el horno se formaría sulfuro de sodio que teñiría el vidrio color pardo y tendrá que corregirse con un oxidante; y también el exceso de carbón facilita la formación de sulfuro de calcio, y a temperatura elevada es descompuesta por la sílice, se desprende todo el azufre como anhídrido sulfuroso y en esa forma se pierde. También se emplea nitrato de sodio, se emplea como oxidante para destruir la materia orgánica y para pasar el hierro a sal férrica. b. Carbonato de potasio (potasa): Es la fuente principal de potasio en la industria del vidrio. El nitrato de potasio se emplea como oxidante. ALCALINOS TERREOS:
Calcio: Se introduce el calcio como carbonato, oxido, etc. En la naturaleza se encuentran calizas de suficiente pureza para usarlas después de un simple desmenuzado, empleándose también Creta blanca. Para vidrios finos se utiliza el mármol; las calizas deben estar en lo posible, exentas de hierro, mientras que el magnesio no afecta la calidad del vidrio. Bario: Se emplea generalmente como carbonato natural o precipitado. Los vidrios que tienen bario son más pastosos y se prestan para artículos prensados. El oxido bárico aumenta el brillo y el peso especifico del vidrio y facilita el proceso de fusión. El bario puede substituir al plomo en el FlintGlass.
OTROS METALES: Plomo: El plomo se emplea en forma de minio (Pb 3O4) y litargirio (PbO) que hacen al vidrio brillante y le dan mayor poder refringente; pero en cambio lo hacen blando y fusible. Magnesio: El oxido de magnesio hace al vidrio refractario sin modificar su dureza y al mismo tiempo aumenta su tenacidad, mucho más que por la acción del oxido cálcico. Por lo tanto su agregado a un vidrio de calcio da un producto más tenas y refractario. Cinc: Se usa como oxido de cinc y reemplaza al calcio y al plomo, especialmente en los vidrios modernos, resistentes al calor; también se emplea en vidrios de óptica porque aumenta la refracción y rebaja la dispersión.
MATERIAS OPACIFICANTES: Para obtener vidrios ópalos y color blanco opaco, muy empleados para la iluminación eléctrica, etc., se agregan al vidrio productos que dan lugar a precipitaciones coloidales por enfriamiento (cuerpos solubles en el vidrio fundido, pero insolubles o poco solubles en el vidrio solido). Se emplean óxidos y sales. Como arsénico blanco (As 2O2).
VI.
Proceso del vidrio
Los procedimientos de producción de vidrio pueden dividirse en cuatro etapas principales: a) mezcla y fusión, b) formado o moldeado, c) templado y d) acabado. a) Mezcla y fusión
Después de una cuidadosa medida y preparación, las materias primas se mezclan y se someten a una fusión inicial antes de aplicarles todo el calor necesario para la vitrificación. En las industrias modernas, la mayor parte del vidrio se funde en grandes calderos, introducidos por primera vez en 1872. Estos calderos pueden contener más de 1000 toneladas de vidrio y se calientan con gas, fuel-oíl o electricidad. Las materias primas se introducen de forma continua por una abertura situada en un extremo del caldero y el vidrio fundido, afinado y templado, sale por el otro extremo. En unos grandes crisoles o cámaras de retención, el vidrio fundido se lleva a la temperatura a la que puede ser trabajado y, a continuación, la masa vítrea se transfiere a las máquinas de moldeo. Los hornos de vidrio pueden clasificarse: Los hornos de marmita: Se emplea ventajosamente para la producción de vidrios especiales en pequeña escala, o en donde es esencial la protección de la carga en fusión de los productos de combustión. Se emplea principalmente en la manufactura de vidrio óptico y de vidrio artístico, por el proceso de vaciado. Es muy difícil fundir vidrio en estos recipientes sin contaminar el producto o sin fundir parcialmente el recipiente mismo; excepto cuando se utiliza platino. En un horno de tanque, los materiales se cargan en un extremo de un gran “tanque” construido de bloques refractarios; en algunos cuales miden 38x9x1.5 y tienen una capacidad de 1359 toneladas de vidrio fundido. El vidrio forma un estanque en el corazón del horno a través del cual las llamas van de un lado al otro. La calidad del vidrio y de la vida del tanque depende de la calidad de los bloques de construcción. Por esta razón se ha dado mucha atención a los refractarios para hornos de vidrio. b) Moldeado o Formado Se puede dar forma al vidrio por medio de maquinas o con moldeado a mano. El factor más importante que debe tomarse en cuenta es el moldeado a máquina; es que el diseño de la máquina de vidrio debe permitir que el artículo sea completado en unos cuantos segundos. Durante este tiempo, relativamente corto, el vidrio pasa de líquido viscosos a sólido claro. Por lo tanto se puede apreciar fácilmente que los problemas de diseño que deben resolverse, como el flujo de calor, estabilidad de los metales y espacio libre entre los cojines, son muy complicados. El éxito de estas maquinas constituye un notable tributo a los ingenieros de vidrio. A continuación se describen los tipos más comunes de vidrio formado mecánicamente: Vidrio de ventana
En la actualidad, casi todo el vidrio de ventana se fabrica de forma mecánica estirándolo desde una piscina de vidrio fundido. En el proceso de Foucault, la lámina de vidrio se estira a través de un bloque refractario ranurado sumergido en la superficie de la piscina de este material y se lleva a un horno vertical de recocido, de donde sale para ser cortado en hojas. Vidrio de placa El vidrio de ventana normal producido por estiramiento no tiene un espesor uniforme, las variaciones de espesor distorsionan la imagen de los objetos vistos a través de una hoja de ese vidrio. El método tradicional de eliminar esos defectos ha sido emplear vidrio laminado bruñido y pulimentado, conocido como vidrio de placa. En la actualidad, el bruñido y el pulimentado están siendo sustituidos por el proceso de vidrio flotante, más barato. En este proceso se forman superficies planas en ambas caras haciendo flotar una capa continua de vidrio sobre un baño de estaño fundido. La temperatura es tan alta que las imperfecciones superficiales se eliminan por el flujo del vidrio. La temperatura se hace descender poco a poco a medida que el material avanza por el baño de estaño y, al llegar al extremo, el vidrio pasa por un largo horno de recocido. Botellas y recipientes Se fabrican mediante un proceso automático que combina el prensado (para formar el extremo abierto) y el soplado (para formar el cuerpo hueco del recipiente). En una máquina típica para soplar botellas, se deja caer vidrio fundido en un molde estrecho invertido y se presiona con un chorro de aire hacia el extremo inferior del molde, que corresponde al cuello de la botella terminada. Después, un desviador desciende sobre la parte superior del molde, y un chorro de aire que viene desde abajo y pasa por el cuello da la primera forma a la botella. Esta botella a medio formar se sujeta por el cuello, se invierte y se pasa a un segundo molde de acabado, en la que otro chorro de aire le da sus dimensiones finales. En otro tipo de máquina que se utiliza para recipientes de boca ancha, se prensa el vidrio en un molde con un pistón antes de soplarlo en un molde de acabado. Los tarros de poco fondo, como los empleados para cosméticos. Vidrio óptico Éste se diferencia por su forma de desviar (refractar) la luz. La fabricación de vidrio óptico es un proceso delicado y exigente. Las materias primas deben tener una gran pureza, hay que tener mucho cuidado para que no se introduzcan imperfecciones en el proceso de fabricación. Pequeñas burbujas de aire o inclusiones de materia no vitrificada pueden provocar distorsiones en la superficie de la lente. Las llamadas cuerdas, estrías causadas por la falta de homogeneidad
química del vidrio, también pueden causar distorsiones importantes, y las tensiones en el vidrio debidas a un recocido imperfecto afectan también a las cualidades ópticas. En los últimos años se ha adoptado un método para la fabricación continua de vidrio en tanques revestidos de platino, con agitadores en las cámaras cilíndricas de los extremos (llamadas homogenizadores), este proceso produce cantidades mayores de vidrio óptico. Para las lentes sencillas se usa cada vez más el plástico en lugar del vidrio. Aunque no es tan duradero ni resistente al rayado como el vidrio, es fuerte y ligero y puede absorber tintes. Vidrio fotosensible En el vidrio fotosensible, los iones de oro plata del material responden a la acción de la luz, de forma similar a lo que ocurre en una película fotográfica. Este vidrio se utiliza en procesos de impresión y reproducción, y su tratamiento térmico tras la exposición a la luz produce cambios permanentes. Vitrocerámica En los vidrios que contienen determinados metales se produce una cristalización localizada al ser expuestos a radiación ultravioleta. Si se calientan a temperaturas elevadas, estos vidrios se convierten en vitrocerámica, que tiene una resistencia mecánica y unas propiedades de aislamiento eléctrico superiores a las del vidrio ordinario. Este tipo de cerámica se utiliza en la actualidad en utensilios de cocina, conos frontales de cohetes o ladrillos termo-resistentes para recubrir naves espaciales. c) Templado Para reducir la tensión, es necesario templar todos los objetos de vidrio, ya sea que hayan sido formados por métodos manuales de moldeo o maquina. En resumen; el templado comprende dos operaciones: 1. Mantener una masa de vidrio por encima de cierta temperatura critica durante el tiempo suficiente para reducir la tensión interna, haciéndola fluir plásticamente hasta un valor inferior a un máximo predeterminado. 2. Enfriar la masa hasta la temperatura ambiente con bastante lentitud para mantener la tensión por debajo de este máximo. El horno de templado no es más que una cámara de calentamiento cuidadosamente diseñada en el cual la velocidad de enfriamiento puede ser controlada fin de cumplir con los requisitos precedentes. El establecimiento de una relación cuantitativa entre la tensión y la birrefringencia causada por la tensión, ha
permitido a laso especialistas en la tecnología del vidrio diseñar vidrio que cumpla con ciertas condiciones de tensión mecánica y térmica. d) Acabado Todos los tipos de vidrio templado deben pasar por ciertas operaciones de acabado que, aunque son relativamente simples, tienen mucha importancia. Entre ellas están limpieza, el esmerilado, pulido, cortado, pavonado esmaltado, clasificado y calibrado. Aunque no todas se requieren para cada objeto de vidrio una o más son necesarias casi siempre.
VII.
Proceso para la obtención de vidrio flotado
En el proceso de flotación se emplea el sistema de fusión con horno de tanque en el que las materias primas se alimentan por un extremo del horno y el vidrio fundido pasa a través de la zona de refinación dentro de un canal angosto que conecta el horno con el baño. La velocidad del gasto se controla en forma precisa elevando o bajando automáticamente una compuerta que extiende el canal. El vidrio fundido es conducido encima y la largo de la superficie de un estanque de estaño fundido en una atmosfera no oxidante, en condiciones de temperatura estrictamente controladas. El calentamiento controlado funde las irregularidades y produce un vidrio con ambos lados planos y paralelos. En 1975, las industrias PGG 12 lograron una mejora sustancial al proceso Pilkington al hacer que la corriente de vidrio fundido proveniente del horno de fusión fuera del ancho deseado (por lo general , unos 4 m) a medida que fluía sobre el baño fundido. Esto disminuye los efectos del flujo desde una masa gruesa deformada hacia la hoja, lo que introduce distorsión óptica. El vidrio es enfriado mientras se encuentra todavía en el metal fundido, hasta que las superficies son lo suficientemente duras para entrar al horno de templado sin que los rodillos del horno echen a perder la superficie del fondo. Se pueden producir alrededor de 50000m2/ día de vidrio flotado con espesores que van de 3 hasta 19 mm, y con anchuras de 3 a 3.5 m. este proceso a eliminado prácticamente la producción de vidrio pulido y lustrado.
VIII.
Reacciones químicas Las reacciones químicas comprendidas se pueden resumir así:
Na2CO3 + SiO2
Na2O.SiO2 + CO2
(1)
CaCO3
CaO.SiO2
(2)
+
SiO2
Na2SO4 + SiO2 + C
+ CO2
Na2O.SiO2 + SO2 + CO
(3)
La última reacción puede tener lugar como en las ecuaciones (4) o (5), y (6): Na2SO4 + C
Na2SO3 + CO
(4)
2Na2SO4 + C
2Na2SO3 + CO2
(5)
Na2SO3 + SiO2
Na2O.SiO2 + SO2
(6)
Las relaciones Na 2O/SiO2 y CaO/SiO2 no son relaciones molares. Por ejemplo, la relación puede ser del tipo Na 2O/1.8 SiO2. En un vidrio común para ventana, las relaciones son, aproximadamente, 1.5 mol Na 2O, 1 mol CaO, y 5 mol SiO2. Otros vidrios varían ampliamente.
IX. Diagrama de flujo para el proceso de vidrio flotado Zona de pulido a fuego
Zona de calor
Gas Carg a crud a
Zona de enfriamien to
Atmosfera controlada
Calentad or Entrada de aire Metal liquido Vidr io
Vertedero Calo r
Calo r
Baño de flotació n
Tanque de vidrio u horno
X.
Calo r
Horno de templado
Diagrama de bloques Arena
HORNO DE FUSION
Na2CO3
CaO
Cristal roto
Vidri o fundi do
HORNO DE FLOTACION
ACONDICIONAMI ENTO
VIDRIO PLANO
Sección de cortado
X.
Diagrama de bloques Arena
HORNO DE FUSION
XI.
Na2CO3
CaO
Cristal roto
Vidri o fundi do
HORNO DE FLOTACION
ACONDICIONAMI ENTO
VIDRIO PLANO
Reciclaje del vidrio
El vidrio es un material totalmente reciclable y no hay límite en la cantidad de veces que puede ser reprocesado. Al reciclarlo no se pierden las propiedades y se ahorra una cantidad de energía de alrededor del 30% con respecto al vidrio nuevo.
XI.
Reciclaje del vidrio
El vidrio es un material totalmente reciclable y no hay límite en la cantidad de veces que puede ser reprocesado. Al reciclarlo no se pierden las propiedades y se ahorra una cantidad de energía de alrededor del 30% con respecto al vidrio nuevo.
Contenedor de recogida de botellas de vidrio en España. Para su adecuado reciclaje el vidrio es separado y clasificado según su tipo el cual por lo común está asociado a su color, una clasificación general es la que divide a los vidrios en tres grupos: verde, ámbar o café y transparente. El proceso de reciclado luego de la clasificación del vidrio requiere que todo material ajeno sea separado como son tapas metálicas y etiquetas, luego el vidrio es triturado y fundido junto con arena, hidróxido de sodio y caliza para fabricar nuevos productos que tendrán idénticas propiedades con respecto al vidrio fabricado directamente de los recursos naturales. En algunas ciudades del mundo se han implementado programas de reciclaje de vidrio, en ellas pueden encontrarse contenedores especiales para vidrio en lugares públicos. En ciertos casos el vidrio es reutilizado, antes que reciclado. No se funde, sino que se vuelve a utilizar únicamente lavándolo (en el caso de los recipientes). En acristalamientos, también se puede aprovechar el vidrio cortándolo nuevamente (siempre que se necesite una unidad más pequeña).
XII. Bibliografías
Manual de procesos químicos en la industria – George T. Austin Quinta edición. Tomo I. pág. 229 – 251. Enciclopedia virtual: http://es.wikipedia.org/wiki/Vidrio_flotado ".
Raymond Chang - novena edición Sólidos amorfos: vidrio pag.476-479.
