Reduccion Del Hierro a Traves Del Gas de Sintesis Final

REDUCCION DEL HIERRO A PARTIR DEL GAS DE SINTESIS

I.

DANIEL CORS

Introducción

Este trabajo de investigación está basado en un estudio del hierro y del gas de de síntesis, para así luego poder reducir dicho metal a través del gas de síntesis. Dentro del análisis realizado se planteara un mejor papel de investigación y análisis sobre la reducción del hierro, sus procedimientos y algunos materiales que se utilizan para la reducción directa. El principal acompañante del gas natural es el metano, aproximadamente el 80%. Los otros acompañantes son el etano, el propano, el butano y otras fracciones más pesadas. El gas natural tiene un bajo porcentaje de impurezas: nitrógeno, bióxido de carbono, helio, oxígeno, vapor de agua, entre otros. El gas natural no requiere de plantas de refinación para procesarlo y obtener productos comerciales. Las impurezas que pueda contener son fácilmente separadas por procesos físicos relativamente relativamente sencillos. El metano, principal constituyente del gas natural, tiene una gran variedad de usos. Principalmente sirve como combustible o insumo en la actividad industrial, como combustible en las plantas térmicas generadoras de electricidad y combustible para el uso doméstico. El gas metano tiene ventajas frente a otras fuentes de energía primaria como el carbón, combustibles líquidos, energía eléctrica, hidráulica y nuclear. Como insumo industrial está en fase de pleno desarrollo. En el caso de utilizarse el gas natural como insumo, se emplearía en la reducción del mineral de hierro en la siderurgia, así como, en el desarrollo de la industria petroquímica II.

Antecedentes

Se tienen varios documentos los cuales nos indican y nos brindan la información necesaria sobre este tema a analizar. Principalmente tenemos q saber que la siderurgia es la técnica del tratamiento del mineral del mineral de hierro de hierro para obtener diferentes tipos de éste o de sus aleaciones. sus aleaciones. El El proceso de transformación del mineral de hierro comienza desde su extracción en las minas. El hierro se encuentra presente en la naturaleza en forma de óxidos, de óxidos, hidróxidos, hidróxidos, carbonatos, carbonatos, silicatos silicatos y sulfuros. Los sulfuros. Los más utilizados por la siderurgia son los óxidos, los óxidos, hidróxidos hidróxidos y carbonatos.


III.

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Objetivo

Objetivo General.- Brindar información sobre la reducción del hierro a partir del gas de síntesis, ampliando los conocimientos de la petroquímica en la industria petrolera. Objetivos Específicos. 

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IV.

Tratar el gas natural para llegar a obtener el gas de síntesis Utilizar el gas de síntesis como materia prima para el proceso de reducción del hierro Producir hierro utilizando el proceso de reducción directa utilizando el óxido de hierro.

Justificación

Una vez que se realicen todos los objetivos específicos, con seguridad se tendrá una buena obtención del hierro a través de una materia prima razonablemente económica. Ya que todos los compuestos necesarios que se requieren para el proceso de reducción llegan a salir de diversos tratamientos del gas natural, uno de los productos obtenidos es el gas de síntesis. V.

Hipótesis

Se realizara una investigación apropiada con toda la información adecuada que nos permitirá obtener mayor conocimiento sobre el tema. VI. I.

Marco Teórico Siderurgia Se denomina siderurgia o siderurgia integral a una planta industrial dedicada al proceso completo de producir acero a partir del mineral de hierro, mientras que se denomina acería a una planta industrial dedicada exclusivamente a la producción y elaboración de acero partiendo de otro acero o de hierro. Lo que realmente nos interesa es la cantidad de hierro que podemos obtener a partir del gas de síntesis, el cual proviene del gas natural. Desde que el hombre descubrió los metales, ha tratado de mejorar su obtención. La siderurgia moderna es la encargada de continuar esa tarea, inventando nuevos y mejores procesos, uno de ellos es la reducción directa del mineral de hierro.

II.

Hierro Es un elemento químico de número atómico 26 situado en el grupo 8, periodo 4 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es Fe.


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Este metal de transición es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5% y, entre los metales, sólo el aluminio es más abundante. El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel, generando al moverse un campo magnético. III.

Características principales 3.1. Hierro puro Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Es extremadamente duro y pesado. Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes. Es el elemento más pesado que se produce exotérmicamente por fusión, y el más ligero que se produce a través de una fisión, debido a que su núcleo tiene la más alta energía de enlace por nucleón (energía necesaria para separar del núcleo un neutrón o un protón); por lo tanto, el núcleo más estable es el del hierro-56 (con 30 neutrones). Presenta diferentes formas estructurales dependiendo de la temperatura y presión: 

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Hierro-α: estable hasta los 911 °C. El sistema cristalino es una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc). Hierro-γ: 911 °C - 1392 °C; presenta una red cúbica centrada en las caras (fcc). Hierro-δ: 1392 °C - 1539 °C; vuelve a presentar una red cúbica centrada en el cuerpo. Hierro-ε: Puede estabilizarse a altas presiones, presenta estructura hexagonal compacta (hcp). El hierro es ferromagnético hasta la temperatura de Curie (768 °C), a partir de la cual pasa a ser paramagnético. El paramagnetismo es la tendencia de los momentos magnéticos libres (espín u orbitales) a alinearse paralelamente a un campo magnético.


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Propiedades físicas Estado ordinario

Sólido (ferromagnético)

Punto de fusión

1808 K

Punto de ebullición

3023 K

Entalpía de vaporización

349,6 kJ/mol

Entalpía de fusión

13,8 kJ/mol

Resistencia máxima

540 MPa

Presión de vapor

7,05 Pa a 1808 K

3.2. Aplicaciones

El hierro es el metal más usado, con el 95% en peso de la producción mundial de metal. El hierro puro (pureza a partir de 99,5%) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo excepciones para utilizar su potencial magnético. El hierro tiene su gran aplicación para formar los productos siderúrgicos, utilizando éste como elemento matriz para alojar otros elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos, que confieren distintas propiedades al material. Se considera que una aleación de hierro es acero si contiene menos de un 2,1% de carbono; si el porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundición. El acero es indispensable debido a su bajo precio y tenacidad, especialmente en automóviles, barcos y componentes estructurales de edificios. 3.3. Aceros

Los aceros son aleaciones férreas con un contenido máximo de carbono del 2%, el cual puede estar como aleante de inserción en la ferrita y austenita y formando carburo de hierro. La austenita es una forma de ordenamiento distinta de los átomos de hierro y carbono. Ésta es la forma estable del hierro


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puro a temperaturas que oscilan entre los 900 a 1400 ºC. Está formado por una disolución sólida del carbono de hierro, lo que supone un porcentaje máximo de C del 2%. Es dúctil, blanda y tenaz. Las ferritas son materiales cerámicos ferromagnéticos (sólo la alfa), compuestos por hierro, boro y bario, estroncio o molibdeno. Las ferritas tienen una alta permeabilidad magnética, lo cual les permite almacenar campos magnéticos con más fuerza que el hierro. Las ferritas se producen a menudo en forma de polvo, con el cual se pueden producir piezas de gran resistencia y dureza. 3.4. Fundiciones

Cuando el contenido en carbono es superior a un 2.11% en peso , la aleación se denomina fundición. Este carbono puede encontrarse disuelto, formando cementita o en forma libre. La cementita o carburo de hierro se produce por efecto del exceso de carbono sobre el límite de solubilidad. Son muy duras y frágiles. Hay distintos tipos de fundiciones:      

Gris Blanca Atruchada Maleable americana Maleable europea Esferoidal o dúctil

Sus características varían de un tipo a otra; según el tipo se utilizan para distintas aplicaciones: en motores, válvulas, engranajes, etc. IV.

Gas de Síntesis

Es un combustible gaseoso obtenido a partir de sustancias ricas en carbono (hulla, carbón, coque, nafta, biomasa) sometidas a un proceso químico a alta temperatura. Contiene cantidades variables de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2). 4.1. Métodos de producción

Según los diferentes métodos de producción1 , puede recibir diferentes nombres. 

Gas de coque o gas de coquería. Se obtiene por calentamiento intenso y lento de la hulla (hulla grasa) con una combinación de aire y vapor, a


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alta temperatura, en las coquerías. Aparte del (coque) sólido fabricado, de gran interés para la industria siderúrgica y la síntesis de acetileno, se forma un gas que contiene hidrógeno, monóxido de carbono, nitrógeno y dióxido de carbono) 

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Gas de generador, de gasógeno o gas de aire. Se obtiene haciendo pasar aire a través de una capa gruesa de gránulos de carbón o de coque incandescente. A mayor temperatura, mayor proporción de monóxido de carbono y menor proporción de dióxido de carbono.4 Tiene escaso poder calorífico, mucho menor que el gas de agua, debido principalmente a la dilución con el nitrógeno atmosférico.

Gas de agua. Se obtiene haciendo pasar vapor de agua sobre coque a alta temperatura. Su llama es de color azul por lo que también se llama gas azul. Este gas se puede transformar en metanol o alcanos, empleando catalizadores heterogéneos apropiados.5 Esta reacción es fuertemente endotérmica por lo que requiere temperaturas muy altas.

Gas de agua carburado. Se obtiene mezclando gas de agua con petróleo gasificado en un carburador. Posee un poder calorífico más alto que los anteriores. Gas natural sintético o gas de síntesis. Combustible que se fabrica a partir del carbón, del petróleo o de sus derivados, por métodos modernos, distintos de los procesos clásicos ya comentados: Reformado de gas natural con vapor de agua. Reformado de hidrocarburos líquidos para producir hidrógeno. Gasificación del carbón,8 de la biomasa, y de algunos tipos de residuos en instalaciones de gasificación. Gasificación integrad en ciclo combinado o o o

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4.2. Utilización del gas de síntesis 

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V.

El nombre gas de síntesis proviene de su uso como intermediario en la creación de gas natural sintético (GNS) y para la producción de amoníaco o metanol. El gas de síntesis también se utiliza como producto intermedio en la producción de petróleo sintético, para su uso como combustible o lubricante a través de la síntesis de Fischer-Tropsch, y previamente al proceso Mobil para convertir metanol en gasolina. El proceso Fischer-Tropsch es un proceso químico para la producción de hidrocarburos líquidos (gasolina, keroseno, gasoil y lubricantes) a partir de gas de síntesis (CO y H2). Fue inventado por los alemanes Franz Fischer y Hans Tropsch en los años 1920. El gas de síntesis está compuesto principalmente de hidrógeno, monóxido de carbono, y muy a menudo, algo de dióxido de carbono. Posee menos de la mitad de densidad de energía que el gas natural. Se ha empleado y aún se usa como combustible o como producto intermedio para la producción de otros productos químicos. El gas de síntesis producido en las grandes instalaciones para la gasificación de residuos puede ser utilizado para generar electricidad.

Abundancia y obtención del Hierro

El hierro es el metal de transición más abundante en la corteza terrestre, y cuarto de todos los elementos. También existe en el Universo, habiéndose encontrado meteoritos que lo contienen. Es el principal metal que compone el núcleo de la Tierra hasta con un 70%. Se encuentra formando parte de numerosos minerales, entre los que destacan la hematites (Fe2O3), la magnetita (Fe3O4), la limonita (FeO (OH)), la siderita (FeCO3), la pirita (FeS2), la ilmenita (FeTiO3), etcétera. Se puede obtener hierro a partir de los óxidos con más o menos impurezas. Muchos de los minerales de hierro son óxidos, y los que no se pueden oxidar para obtener los correspondientes óxidos. 

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La reducción de los óxidos para obtener hierro se lleva a cabo en un horno denominado comúnmente alto horno (también, horno alto). En él se añaden los minerales de hierro en presencia de coque y carbonato de calcio, CaCO3, que actúa como escorificante. Los gases sufren una serie de reacciones; el coque puede reaccionar con el oxígeno para formar dióxido de carbono:

C + O2 → CO2 

A su vez el dióxido de carbono puede reducirse para dar monóxido de carbono:


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CO2 + C → 2CO 

Aunque también se puede dar el proceso contrario al oxidarse el monóxido con oxígeno para volver a dar dióxido de carbono:

2CO + O2 → 2CO2

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El proceso de oxidación de coque con oxígeno libera energía y se utiliza para calentar (llegándose hasta unos 1900 °C en la parte inferior del horno). En primer lugar los óxidos de hierro pueden reducirse, parcial o totalmente, con el monóxido de carbono, CO; por ejemplo:

Fe3O4 + CO → 3FeO + CO 2 FeO + CO → Fe + CO 2 

Después, conforme se baja en el horno y la temperatura aumenta, reaccionan con el coque (carbono en su mayor parte), reduciéndose los óxidos. Por ejemplo:

Fe3O4 + C → 3FeO + CO 

El carbonato de calcio (caliza) se descompone:


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CaCO3 → CaO + CO 2 

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Y el dióxido de carbono es reducido con el coque a monóxido de carbono como se ha visto antes. Más abajo se producen procesos de carburación:

3Fe + 2CO → Fe 3C + CO2 

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VI.

Finalmente se produce la combustión y desulfuración (eliminación de azufre) mediante la entrada de aire. Y por último se separan dos fracciones: la escoria y el arrabio: hierro fundido, que es la materia prima que luego se emplea en la industria. El arrabio suele contener bastantes impurezas no deseables, y es necesario someterlo a un proceso de afino en hornos llamados convertidores.

Procedimiento para producir hierro esponjoso mediante la reducción directa de material que contiene oxido de hierro.

Procedimiento para producir hierro esponjoso por reducción directa de material que contiene óxido de hierro, en el cual gas de síntesis o gas natural reformado, se mezcla con gas de cabeza que se forma en la reducción directa del material que contiene óxido de hierro y siendo empleado como gas reductor que contiene CO y H2 para la reducción directa y para el calentamiento del material que contiene óxido de hierro a la temperatura de reducción, caracterizado por la combinación de las siguientes etapas operativas:

- utilizar para la reducción además del gas reductor un gas que contiene carbono tal como gas natural o un gas que contiene hidrocarburos de mayor número de átomos de carbono;


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- exponer al material que contiene óxido de hierro al gas reductor y al gas que contiene carbono alimentado adicionalmente durante un período predeterminado que excede al período necesario para la reducción completa: - ajustar en el gas reductor una razón co/co2 comprendida entre 2 y 5, preferentemente en una razón que excede 2,5 VII.

Conclusiones Se pudo lograr una lectura apropiada de las propiedades del hierro, y del gas de síntesis. Además de la utilización del gas de síntesis o del gas natural sintético para la obtención del hierro a través del proceso del “Alto Horno”. Se puede ver que gran parte de las reacciones necesarias que se llevan a cabo en el proceso dentro del Alto Horno se obtienen del gas de síntesis c omo gas reductor. Adicionando oxido de hierro para realizar la reducción o la se paración en si del hierro para obtenerlo como elemento.


VIII.     

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Bibliografía http://es.wikipedia.org/wiki/Siderurgia http://www.aprendizaje.com.mx/Curso/Proceso1/Imagenes/altohorno.gif http://www.aprendizaje.com.mx/Curso/Proceso1/Imagenes/diagramaesponga.gif http://es.wikipedia.org/wiki/Gas_de_s%C3%ADntesis http://www.patentesonline.com.ve/proceso-para-la-reduccion-directa-de-unmaterial-conteniendo-oxido-de-hierro-45640.html http://es.wikipedia.org/wiki/Hierro http://co.patentesonline.com/procedimiento-para-producir-hierro-esponjosomediante-la-reduccion-directa-de-material-31139.html

Reduccion Del Hierro a Traves Del Gas de Sintesis Final

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