UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ Facultad de Ingeniería Metalúrgica y de Materiales PIROMETALURGIA GUIA DE LABORATORIO N° 3
TOSTACION DE SULFUROS I.
OBJETIVO Eliminar impurezas como el azufre y arsénico en forma de óxidos volátiles de los concentrados mediante el proceso de tostación.
II.
FUNDAMENTO TEORICO La tostación de minerales sulfurosos es un proceso pirometalúrgico que consiste en la eliminación de azufre, adicionalmente eliminar elementos como el arsénico, bismuto y otros constituyentes que se consideran perjudiciales para los procesos posteriores de recuperación del metal. En el proceso de tostación, los sulfuros se oxidan, este aspecto generalmente presenta propiedades termodinámicas exotérmicas los cuales están representados mediante la siguiente reacción generalizada: MeS( s )
3
2
O2( g )
MeO(s ) 3 2 SO2(g )
o
Hf
(1)
Un diagrama que rige los procesos pirometalúrgicos en general, fue pro puesto por H.H. Kellogg, en reconocimiento a su aporte se denominan diagramas Kellogg, donde se muestra las áreas de predominancia de los distintos compuestos que formará el proceso pirometalúrgicos en cuestión, el diagrama se observa en la Figura (1).
Diagrama d e Kellogg Figura 1: Diagrama El diagrama kellogg indica que la tostación se realiza para oxidar del sulfuro MeS a MeO, sin embargo si el proceso ocurriera en forma incompleta se obtendrá sulfato MeSO 4 como se observa en el diagrama de la Figura 1.
III.
PARTE EXPERIMENTAL 3.1 PROCEDIMIENTO 100 g. de pirita de alta pureza seleccionar a un t amaño de grano -65+100 #.
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La muestra seleccionada introducir en una bandeja de acero inoxidable,
previamente registrado los pesos de la bandeja y de la muestra. Insuflar un caudal de aire determinado por balance de masa. Controlar el tiempo y remover la carga cada cierto periodo constante. Evitar que se encienda la carga. Cuando ya no exista más desprendimiento de
gases apagar el horno y posteriormente extraer la bandeja con la calcina. Pesar la bandeja y la calcina registrando como pesos finales.
3.2 EQUIPOS MATERIALES Y REACTIVOS Horno, bandeja de acero inoxidable, flujometro, termocuplas, crisol de porcelana, pinzas, mineral de pirita.
IV.
DATOS ADQUIRIDOS 4 FeS2 + 11 O2 = 2 Fe2O3 + 8 SO2
V.
Bandeja
Peso(g) inicial
Tiempo (minutos)
Peso(g) final
1 2 3 4 5
100 100 100 100 100
15 30 45 60 75
96,65 80 75,35 71,70 70
Vol. Aire requerido
Fe2O3 formado
Vol. SO2 formado
% transformado
CALCULOS Y RESULTADOS a) Realizar el balance de masa y calorífico en la planilla del Software HSC 6.0
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b) Calcular la formación de SO2 considerando compuestos puros. c)
Graficar el porcentaje transformado en función del tiempo, de ésta gráfica obtenga una ecuación cinética.
VI.
CUESTIONARIO 1. Explique con un ejemplo (metalúrgico) a que se refiere propiedades endotérmicas y exotérmicas. 2. Será necesario agregar carbón al proceso de tostación?, argumente su respuesta. 3. Un mineral de cobre contiene 20 % Cu2S, 40 % F eS2, 30 % SiO2 y 10 % H2O, el cual es tostado usando combustible igual al 5 % del peso del mineral produciendo gases que se mezclan con los gases de las reacciones de oxidación del azufre (SO2) para ser retirados por la chimenea. El mineral tostado contiene CuO, F e2O3, SiO2 y se usó el 100 % de aire en exceso del requerimiento teórico para la tostación y la combustión. El combustible contiene 85 % C y 15 % H. Calcular a) Los m3 de aire usado por tonelada de mineral. b) El peso del mineral tostado c) El volumen de gases en la chimenea y d) Los g. de H2O en la chimenea por m 3 de gas.
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TOSTACIÓN DE CONCENTRADOS DE ZINC I.
OBJETIVO Calcinar en forma completa un concentrado de zinc.
II.
FUNDAMENTO TEORICO La tostación del sulfuro de zinc está de acuerdo con la reacción: 2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2
El concentrado de zinc por su característica mineralógica trae constituyentes como hierro, plomo, arsénico, etc. que dificultan el proceso pirometalúrgico y la reacción se complica debido a la formación de otros productos complejos, éste problema se muestra en la Figura 1 que es un diagrama de estabilidad del sistema Zn-Fe-S-O. En la Figura 1 se observa la fase sulfato y su formación se favorece a bajas temperaturas y altos potenciales de oxígeno. El ZnSO 4 o el ZnO ∗ 2ZnSO4 coexisten con el F e2O3. Si la temperatura es muy baja el ZnSO 4 y el Fe2(SO4)3 coexistirán como está indicado con la línea 6 en el diagrama. En cambio si la temperatura es alta y los potenciales de oxígeno son bajas el ZnS formará soluciones sólidas con el FeS como (Zn, Fe)S, a potenciales de oxígeno mayores se formara (Zn, Fe)Fe 2O4. Con una temperatura de 800 a 900 °C el Fe3O4 comenzará a oxidarse a Fe 2O3 con potenciales del orden -8 a -7 aproximadamente y la fase estable es ZnO + ZnO ∗ F e2O3 y recién a un potencial oxígeno de -2.5 el ZnO se convertirá el sulfato básico ZnO ∗ 2ZnSO4. Adicionalmente a un potencial de -1.5 el ZnO ∗
Fe2O3 se convertirá en ZnO
2ZnSO4 y posteriormente a un potencial igual a la
∗
atmosférica se obtendrá el ZnSO 4, este comportamiento ocurre por efecto del hierro principalmente ya que es más noble que el zinc y con cierta cantidad de carbón las ferritas liberan al ZnO [5, 6].
Figura 1: Efecto de la temperatura sobre el potencial de oxígeno para 1 atm de SO 2 del sistema Zn-Fe-S-O, Diagrama escaneado , Ref. T.Rosenqvist
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III.
PARTE EXPERIMENTAL 3.1 PROCEDIMIETO Calentar el horno de tostación a una temperatura de 700 °C y pesar 100 g. de
mineral de Zinc cuya composición química debe ser conocida, el tamaño de grano de ser
−100#.
Colocar en un recipiente de acero inoxidable e introducir al horno durante 30
min. al cabo de 3 a 5 min se observará el desprendimiento del gas SO 2. A 30 min de trabajo sacar con precaución la calcina del horno, esperar a que
enfríe y pesar la muestra para enviar una alícuota a análisis por Azufre y hierro.
3.2 EQUIPOS, MATERIALES Y REACTIVOS Horno de tostación; pinzas; mineral (sulfuros de cinc); recipiente de acero, termocupla, bomba de aire y flujómetro.
IV.
V.
DATOS ADQUIRIDOS Peso(g) inicial
Tiempo (minutos)
Peso(g) final
100
30
88,49
Vol. Aire requerido
Fe2O3 formado
Vol. SO2 formado
% transformado
CALCULOS Y RESULTADOS 1. Realizar el balance másico de la tostación y la comparación con el diagrama de la Figura 1 y el diagrama kellogg que debe construirlo con el programa HSC. 2. Realizar el cálculo de la cantidad de oxígeno que se requiere, si el aire tiene una humedad relativa del 60 % además determinar la cantidad de aire húmedo que se requiere.
VI.
CUESTIONARIO 1. Si la presión de SO2 = 0.1 atm. ¿Cuál será el comportamiento del cinc, hierro y azufre? 2. Discutir en el diagrama Kellogg los sistema Zn-S-O y Fe-S-O sobrepuestos a 700 °C
