CLASE 1

INTRODUCCIÓN

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA GEOLÓGICA, MINERA Y METALÚRGICA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA METALÚRGICA

Dra. Ing. Orfelinda Avalo Cortez 2014

PROCESOS EXTRACTIVOS I - ME 422 R

Procesos

Estudio Termodinámico

Estudio cinético

Estudio de fenómenos de transporte

Todo proceso debe ser analizado a través de:

Es de mucha importancia hacer un análisis mineralógico del material a tratar.

Generalidades sobre los Procesos Pirometalúrgicos

Pirometalurgia: se describe como el estudio conjunto de procesos químicos y operaciones físicas a alta temperatura que, convenientemente elegidas entre diferentes variantes y en consecuencia, permiten que el metal en estado nativo o como componente de uno o varios compuestos en un mineral, pueda obtenerse en estado metálico o formando un compuesto con pureza y/o forma adecuada para su utilización posterior.

Los procesos pirometalúrgicos son los métodos mas antiguos y de aplicación mas frecuente de extracción y purificación de metales. Los metales mas comunes que se tratan por estos métodos incluyen cobre, níquel, plomo, cobalto, etc.Son los procesos que utilizan una combinación de tostación, fusión, conversión, refinación (electrolítica, química, etc.).

Procesos Pirometalúrgicos más comunes

1.Calcinación

2.Tostación

3.Fusión

4.Conversión

5.Reducción

6.Volatilización

7.Metalotermia

8.Electrolisis Ígnea

Calcinación:

Descomposición de un mineral en sus óxidos formadores por

la acción del calor.

Tostación:

Oxidación de un sulfuro en presencia de aire.

• Oxidante oxido de metal

• Sulfatante sulfato

• Clorurante cloruro

• Aglomerante oxido aglomerado

23 COCaOCaCO

22 SOMOOMS

Fusión:

Obtención de una fase fundida.

- fase metálica reducida (Me)

- fase oxidada (escoria)

- fase sulfurada (mata)

- fase con arsénico (speiss)

Volatilización:

Obtención del metal o compuesto como gas.

• Oxidante y neutra compuesto

• Reductora metal

)()()()( 2 gCOgZngCOsZnO

Metalotermia:

Desplazamiento de un metal de un compuesto por otro

metal mas activo o mas ávido por el metaloide formador del

compuesto.

Electrolisis ígnea o de sales fundidas:

Obtención de un metal a partir de un compuesto en estado

fundido utilizando como reductor la corriente eléctrica.

24 22 MgClTiMgTiCl

)()()( 234

3232 gOlAlsOAl

La calcinación es el proceso de calentar una sustancia a

temperatura elevada, pero por debajo de su punto de fusión

para provocar la descomposición térmica o un cambio en su

constitución física o química. La calcinación se aplica

principalmente a minerales que se descomponen al calentarlos

formando un oxido y dejando en libertad un gas:

CALCINACIÓN

siderita

gCOsFeOsFeCO

asmithsonit

gCOsZnOsZnCO

)()()(

)()()(

23

23

Un estudio termodinámico de la calcinación nos va a mostrar el sentido hacia donde se desplaza la reacción, por ejm., en condiciones estándar (25° C y 1 atm de presión) ya sea hacia los productos o reactivos y el tipo de la reacción a desarrollar, si es exotérmica o endotérmica.Analizando la calcinación de un carbonato:

como queremos la descomposición del carbonato el sentido de la reacción ya se ha definido y es de izquierda a derecha, pero es necesario saber si la reacción genera o absorbe calor para desplazarse en el sentido deseado.Es necesario calcular el cambio de entalpia, obteniendo los valores de entalpia a 298 K para productos y reactivos.

TERMODINÁMICA DE LA CALCINACIÓN

)()()( 23 gCOsCaOsCaCO

De las Tablas Termodinámicas:

KJ 5.179reacción H

1 1207-1 393.5-1 634-reacción H

: valoreslos ndoSubstituye

reactantes H-productos H reacción H

:entalpia de Cambio

393.5- 634- 1207- )/(

)()()(CaCO

molKJ

molKJ

molKJ

23

molmolmol

molKJH

gCOsCaOs

El resultado positivo nos indica que la reacción es endotérmica y

que requiere calor para desplazarse de izquierda a derecha

Temperatura (K)

H (K

J)

Del HSC:

CaCO3 = CaO + CO2(g)T deltaHK kJ

298 178.175398 177.515498 176.546598 175.378698 174.045798 172.555898 170.906998 169.092

1098 167.111198 164.9491298 162.6091398 160.0891498 157.3851598 154.4971698 113.8661798 109.2471898 104.7281900 104.639

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Reaction: C1CA1O3=C1O2+CA1O1 C1CA1O3 stable as C1CA1O3_S C1O2 stable as GAS CA1O1 stable as CA1O1_S ***************************************************************** T Delta-Cp Delta-H Delta-S Delta-G (K) (Joule/K) (Joule) (Joule/K) (Joule) ***************************************************************** 298.15 -4.28433E+00 1.78170E+05 1.60173E+02 1.30414E+05 300.00 -4.39452E+00 1.78162E+05 1.60146E+02 1.30118E+05 400.00 -8.48995E+00 1.77493E+05 1.58251E+02 1.14193E+05 500.00 -1.08203E+01 1.76520E+05 1.56088E+02 9.84759E+04 600.00 -1.25701E+01 1.75348E+05 1.53956E+02 8.29742E+04 700.00 -1.41453E+01 1.74012E+05 1.51899E+02 6.76821E+04 800.00 -1.57155E+01 1.72519E+05 1.49909E+02 5.25921E+04 900.00 -1.73635E+01 1.70866E+05 1.47963E+02 3.76988E+04 1000.00 -1.89959E+01 1.69049E+05 1.46051E+02 2.29983E+04 1100.00 -2.07431E+01 1.67063E+05 1.44159E+02 8.48794E+03 1200.00 -2.25394E+01 1.64899E+05 1.42277E+02 -5.83382E+03 1300.00 -2.43438E+01 1.62555E+05 1.40402E+02 -1.99677E+04 1400.00 -2.61278E+01 1.60031E+05 1.38532E+02 -3.39144E+04 1500.00 -2.80052E+01 1.57324E+05 1.36665E+02 -4.76743E+04 1600.00 -2.98223E+01 1.54432E+05 1.34800E+02 -6.12475E+04 1602. ---- C1CA1O3 becomes C1CA1O3_L ,delta-H = 36000.00 1700.00 -4.66747E+01 1.13767E+05 1.09514E+02 -7.24074E+04 1800.00 -4.56633E+01 1.09150E+05 1.06875E+02 -8.32251E+04 1900.00 -4.46759E+01 1.04633E+05 1.04433E+02 -9.37890E+04 Temperature range exceeded for C1CA1O3

Del Thermo-Calc:

(Ver macro en archivo adjunto)

Aquí se utiliza el comando TABULATION

go tab

Pasado un tiempo "t" en que se dio la reacción de calcinación, se corta la partícula esférica por la mitad, para observar el avance de dicha reacción, apreciándose lo siguiente:

a.- La reacción de la calcinación MCO3 = MO + CO2 se presentó en la superficie donde la temperatura es igual a la de calcinación.b.- La reacción continua hacia el centro de la partícula, pero la temperatura en esta zona no fue suficiente para la calcinación.c.- Un núcleo de reactivo de diámetro "d1" menor al diámetro original "d0" (d1< d0), queda sin reaccionar, disminuyendo de esta manera, la eficiencia de la reacción.

Cinética de la calcinación:

El mecanismo sugerido por la cinética (para que reaccione dicho

núcleo de diámetro "d1"), es el siguiente:

1.- Como la reacción de calcinación es endotérmica, es necesario

difundir la temperatura de calcinación al frente de reacción

"interface" (limite de contacto entre d1 y d0).

2.- Con el valor de Td (temperatura adecuada para la calcinación), la

reacción MCO3 = MO + CO2 es rápida en sí misma.

3.- La reacción de calcinación genera dióxido de carbono como

producto, es necesario difundirlo hacia el exterior de la partícula a

través de la capa producto, porque al aumentar la concentración

frenaría la reacción hasta alcanzar el equilibrio.

Mecanismo de la calcinación:

Diferencias entre Calcinación y Tostación:

Calcinación Tostación

Finalidad lograr su descomposición

Finalidad convertir en óxidos, sulfatos, metal, eliminar impurezas volátiles, etc.

CaCO3 + calor CaO + CO2 (caliza)

MgCa(CO3)2 + calor CaO + MgO + CO2 (dolomita)

ZnS + 1.5 O2 = ZnO + SO2

PbS + 3 O2= PbO + 4 SO2

Existen dos tipos de cal: la cal viva (CaO), la cal apagada (Ca(OH)2) también existe la lechada de cal que no es mas que cal hidratada con un exceso de agua.

El proceso de producción de la cal comienza desde la selección de la materia prima requerida, "PIEDRA CALIZA" , carbonato de calcio (CaCO3) de elevada pureza.

La cal viva es obtenida a partir de la calcinación de la caliza(CaCO3) por la siguiente reacción:

CaCO3→ CaO + CO2

La cal apagada se obtiene a partir de la cal viva haciendo una reacción estequiométrica con agua, esta reacción es exotérmica:

CaO + H2O → Ca(OH)2

CAL

Por lo tanto la fabricación de cales comprende dos procesos

químicos: calcinación e hidratación, a las cuales van asociados las

operaciones de transporte, trituración y pulverización de la caliza

además de la separación por aire y el almacenamiento adecuado

de la cal obtenida para evitar los procesos de recarbonatación:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

Proceso de calcinado:

El proceso de calcinación de la caliza ocurre en hornos del tipo

rotatorio y vertical, pero la caliza que se introduce a estos hornos

no puede ser cualquier caliza:

La caliza no puede ser muy porosa o muy húmeda debido a que

esto aumenta la demanda de combustible.

La caliza utilizada no debe tener impurezas del tipo partículas de

Si debido a que esta reacciona con el CaO formando silicatos, los

cuales se acumulan en el fondo de los hornos, obstruyendo el

paso del material.

Ejemplos de hornos de calcinado:Los hornos utilizados son de distinto tipo, estos pueden ser:Rotatorios Usados generalmente para calcinar una caliza con un tamaño

pequeño de partícula (6-60)mm Equipados generalmente con calentadores previos y refrigerantes Están mejor equipados para la obtención de una cal de calidad

debido a su instrumentación Produce una cantidad máxima de cal por hombre-hora Su gran desventaja es su alto consumo de combustibleVerticales Usados generalmente cuando la cal obtenida no requiere de una

gran pureza Son más simples Constan de un alimentador de combustible y una correa calentadora Rendimiento de combustible es mayor que el horno rotativo Actualmente existen hornos más modernos.

Esquema de un horno de

calcinación vertical (kiln).

a) Zona de precalentamiento;

b) Zona de calcinación;

c) Zona de enfriamiento.

HORNOS VERTICALES:

Figura . Esquema de unhorno de calcinación coninclinación doblea) Quemadores superiores;b) Quemadores inferiores

Figura . Esquema de unhorno de calcinación anulara) Quemadores superiores;b) Quemadores inferiores;c) Aire de combustion aquemadores superiores;d) Aire de combustión aquemadores inferiores;e) Gases de combustión

Figura. Esquema de un horno con regeneración de flujo paralelo

a) Combustibleb) Aire de combustiónc) Aire de enfriamientod) Quemadorese) Ducto de crucef) Cámara 1g) Cámara 2

Dos hornos con regeneración de flujo paralelo

HORNOS ROTATIVOS:

Figura . Esquema de un horno rotatorioa) Quemador; b) Aire de combustión;c) Pre-calentador;d) Horno;e) Enfriador

Tipo de horno Consumo específico(kJ/tCaO producido)

Horno de la firma Beckenbach GMBH

3 768

Horno regenerativo de flujo paralelo 3 768

Horno con flujo de recirculación 5 024

Horno de la firma Chemstone 5 443

Horno del CBRI 5 652

Horno rotatorio 6 406

Horno ITDG de tiro forzado (Balaka) 6 908

Horno de la KVIC 6 992

Horno ITDG tiro forzado (Chenkumbi)

8 156

Horno ITDG de tiro natural 10 090

Horno ITDG tradicional 19 636

Factores que influyen en las propiedades de la cal obtenidaMuchas de las propiedades de la cal dependen de la calidad de la caliza utilizada como también del proceso de calcinado, y de estas propiedades, dependen los usos que se le de a la cal.

La dureza de la cal obtenida, depende de las impurezas de la caliza utilizada como también de la temperatura de calcinación, una impura, da una cal dura si se calcina a temperaturas elevadas.

La porosidad - y como consecuencia la densidad – de las cales también depende de la temperatura de calcinación, a mayor temperatura menor porosidad y por lo tanto una mayor densidad, como consecuencia de esto a mayor temperatura, la cal va perdiendo actividad química, es por esta razón que conviene sintetizar la cal a temperaturas lo mas cercanas a la temperatura de disociación de la caliza.

Las calizas que contienen entre un 15 – 30 % de materia arcillosa produce cales altamente hidráulicas (cales cementicias)

Usos de la Cal:Sin duda no existe otro material que tenga tan diversos usos y variadas funciones como la cal, ya sea su modalidad viva o hidratada. El siguiente listado enumera solamente algunas de ellas:

PROPIEDAD USO

Fundente Industria del acero y del vidrio

Regulador de Ph Industria minera, procesos de flotación y cianuración

Neutralizante Neutralización de aguas y suelos ácidos

Caustificante Industria del papel, fabricación de soda y potasa

Floculador, coagulador Tratamiento para potabilizar agua

Depilatorio Industria del cuero

Absorbente Purifica gases en procesos industriales

Base Industria azucarera

Oxidante Fabricación de carburo de calcio

Fungicida, esterilizador Destructor de hongos, bacterias y organismos vivos

Preservante Postes, estructuras de maderas, troncos de árboles

Desinfectante Aguas contaminadas restos orgánicos

Estabilizador Suelos arcillosos en construcciones viales

Reactivo Base para la elaboración de mas de 100 sales de calcio

Pigmento Pintura de casas, edificios y estructuras

Adhesivo, lubricante,   retenedor de agua aglomerante y adhesivo

Morteros para albañilería y estucos