procesos químicos industriales

CURSO: QUÍMICA MENCIÓN
MATERIAL N° 30
PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES
CEMENTO
La caliza, cuyo componente fundamental es el CaCO3 y en menor proporción MgCO3, es la materia
prima de la que se obtienen diferentes compuestos de calcio necesarios en la industria química.
Además es utilizada para obtener la cal hidráulica y el cemento Pórtland, utilizados en la
construcción.
El cemento Pórtland es obtenido, calentando una mezcla pulverulenta de caliza y arcilla en
proporción adecuada, a altas temperaturas (aproximadamente 1500ºC), enfriando y moliendo el
producto resultante.
Importancia y Desarrollo de la Industria Química
Cada vez más, los productos de la industria química desplazan a los productos naturales.
La industria química es hija de los tiempos modernos, si bien en la antigüedad se conocían ya
algunos elementos, sobre todo el oro, plata, hierro, cobre, plomo, estaño y mercurio y con ayuda
de reacciones químicas se obtenían algunas combinaciones, los últimos 200 años han dado lugar a
impresionantes resultados y nuevos conocimientos que han preparado el terreno al desarrollo de
la industria química.
La fabricación de un producto químico requiere en general, la realización de una serie de procesos
parciales, más o menos independientes, de los que la “preparación” y “purificación de las materias
primas” la “reacción” propiamente dicha y el “acondicionamiento de los productos finales” se
presentan en la fabricación de casi todos los productos.
Cada uno de estos procesos parciales se puede subdividir a su vez en fases de trabajo de las que,
por ejemplo, la trituración, la desecación, el tamizado, etc., son procesos físicos, mientras, la
tostación, la reducción, etc., se cuentan entre los procesos químicos. Ambos tipos de procesos
son igualmente importantes y su coordinación garantiza el curso deseado del proceso total.
El químico utiliza signos abreviados para hacerse entender. No sólo emplea los conocidos
símbolos para la representación de reacciones, sino que también con esquemas abreviados la
representación del curso de la producción en la planta industrial.
Con ayuda de los esquemas abreviados se puede describir gráficamente el transcurso de la
producción, desde la obtención de las materias primas hasta el envasado del producto final. Este
esquema se compone, por consiguiente, de varios signos abreviados y representa la marcha de la
producción, se denomina Diagrama de Flujo.
Al contemplar un diagrama de flujo, el químico de laboratorio desea conocer los productos de partida,
intermedios y finales y las reacciones que tienen lugar. El químico industrial quiere saber además los
aparatos utilizados; Al ingeniero le interesan aún las formas y cantidades de energía que hay que
aplicar, y al comerciante las cantidades de materiales.
I. El cobre: un elemento metálico
El cobre es un elemento metálico que provino de las profundidades de la Tierra hace millones
de años, impulsado por los procesos geológicos que esculpieron nuestro planeta. Y al llegar
cerca de la superficie dio origen a diversos tipos de yacimientos.
En su manifestación más evidente aparece en vetas con muy alto contenido de cobre, e incluso
como cobre nativo o natural, una peculiaridad que permitió su descubrimiento por parte de
sociedades primitivas cuando apenas se iniciaban en el conocimiento de los metales. Estos
yacimientos son conocidos como “vetiformes”.
Pero estos depósitos de cobre en estado natural o de muy alta pureza abastecieron a la
humanidad durante largo tiempo, y después de miles de años se agotaron.
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En la actualidad la mayor parte del cobre disponible aparece disperso en grandes áreas,
mezclado con material mineralizado y con roca estéril. Estos son los yacimientos porfíricos,
que sólo pudieron ser explotados cuando se desarrollaron las habilidades metalúrgicas
necesarias para separar y recuperar el metal.
Hay una gran cantidad de compuestos que contienen cobre, que se clasifican en dos grupos:
• los minerales sulfurados y
• los minerales oxidados
El porcentaje de cobre presente en estos minerales es conocido por los especialistas como “ley
de cobre”, y su valor es variable. En algunos yacimientos esa ley es de 1 a 1,8 por ciento, y
con frecuencia resulta menor, así que la mayor parte del material explotado en las minas es
desechado.
El metal rojizo es utilizado en forma pura para fabricar una amplia gama de productos como
cable y tuberías, pero también forma parte de aleaciones para diversos usos logradas a partir
de su combinación con otros compuestos como zinc, estaño, plata, plomo, sílice, berilio, fierro,
aluminio, etc.
La clave para entender el uso intensivo del cobre por parte de la humanidad está en sus
propiedades básicas: es un metal manipulable en caliente y en frío, con gran resistencia a la
corrosión, de un color atractivo, con una alta conductividad térmica y eléctrica, ideal para la
transmisión de comunicaciones, no es magnético y es completamente reciclable.
Esas propiedades son transmitidas a las aleaciones que utilizan cobre.
Las dos más
importantes, conocidas desde la antigüedad, son el bronce, un material de gran dureza que
resulta de combinaciones con estaño, y el latón, de cobre con zinc, fácil de manipular y
resistente a la corrosión.
Procesos productivos
La dispersión con que aparece el cobre hace necesario someter los minerales extraídos a
procesos productivos con la finalidad de obtener un metal puro.
En el principio de la historia del cobre los seres humanos lo encontraron en estado natural, y lo
adaptaron para diversos usos con simples técnicas de calentamiento y martilleo.
Posteriormente, las primeras metalurgias permitieron trabajar vetas de alta pureza donde
obtenían minerales como la malaquita (carbonato de cobre), que sometida a un proceso de
fundición simple permitía obtener pepitas de cobre puro.
Pero a medida que progresaba la civilización también comenzaron agotarse los minerales con
alta ley de cobre, y los procesos metalúrgicos desarrollados durante milenios para obtener el
metal debieron ser reemplazados paulatinamente por nuevas técnicas para el manejo del
material mineralizado.
La alta demanda generada a partir de la Revolución Industrial fue un estímulo para la búsqueda
de tecnologías que permitieron aprovechar los yacimientos porfíricos con baja ley en los cuales
el metal está esparcido en grandes áreas y mezclado con gran cantidad de componentes y roca
estéril, como los que se explotan en la actualidad.
El cobre aparece vinculado en su mayor parte con minerales sulfurados, aunque también se lo
encuentra asociado a minerales oxidados.
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Estos dos tipos de mineral requieren de procesos productivos diferentes, pero en ambos casos
el punto de partida es el mismo: la extracción del material desde las minas a rajo abierto o
subterráneas, lo que requiere la fragmentación y el transporte del material identificado por
estudios geológicos realizados en la etapa previa de exploración.
Codelco opera una de las mayores minas de cobre a rajo abierto del mundo, Chuquicamata, y
también la más grande entre las minas subterráneas, El Teniente.
El mineral extraído pasa en primer lugar por un proceso de chancado. En el caso de los
minerales oxidados el proceso productivo implica someter el material a una solución de
lixiviación, que producirá soluciones de sulfato de cobre, las cuales son sometidas a un proceso
de extracción con solventes y posteriormente a un sistema de electroobtención cuyo resultado
final son los cátodos de cobre con 99,99% de pureza.
Los minerales sulfurados pasan primero por el chancado y la molienda, luego por mecanismos
de clasificación hasta obtener el concentrado de cobre, que tiene 30% de metal.
Su
purificación posterior se realiza en hornos que permiten obtener blister o ánodos con 99% de
pureza. Finalmente la electrorefinación permite transformar los ánodos en cátodos con 99,99%
de pureza.
Propiedades y Características del Cobre
Generalidades:
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Color rojizo
Veta roja
Brillo metálico
Optica opaco
Estético
Dúctil, maleable y relativamente blando
No es magnético; o más exactamente, es un poco para-magnético
Alta resistencia a la corrosión
Bactericida
Alta conductividad térmica, eléctrica y gran capacidad de transmisión de voz y datos. (Es el
segundo mejor conductor, después de la plata).
• Puede alearse con otros metales
• Las impurezas aumentan considerablemente su resistividad
A causa de estas propiedades el cobre se usa en una amplia variedad de aplicaciones, y en
rubros tan variados como lo son:
Decoración, Hogar, Armas, Culto, Medidas, Monedas, Música, Impresión, Ciencia (Salud, entre
otras), Arte.
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Propiedades del Cobre
Fórmula Química: Cu
Clase: Elemento nativo
Subclase: Metal
Etimología: De Cuprus (Siria), donde fue encontrado por primera vez
Sistema y clase: Cúbico holoédrico
Tiene poca actividad química y únicamente se oxida en el aire húmedo muy lentamente,
recubriéndose de una capa de carbonato básico que lo protege de la corrosión posterior. Su
oxidación se favorece en medio ácido por lo que no es recomendable su uso en utensilios de
cocina, ya que las sales que forma son eméticas (provocan vómitos).
Calentado al rojo se oxida y puede arder en el cloro y en el azufre. Sólo es atacado por los ácidos
oxidantes y puede formar complejos con algunas sustancias como por ejemplo el amoníaco.
El cobre forma dos series de compuestos químicos:
• Cuprosos, en los que el cobre tiene valencia + 1
• Cúpricos, en los que tiene valencia + 2
La valencia 3+ ocurre sólo en unos cuantos compuestos inestables.
Los compuestos cuprosos se oxidan fácilmente a cúpricos, en muchos casos por la mera
exposición al aire y son de poca importancia industrial; los compuestos cúpricos son estables.
Fuentes: Nativo. Minerales:
Oxidados
Oxidos:
Cu2O
cuprita
Carbonatos:
CuCO3 · Cu (OH)2
Malaquita
2CuCO3 · Cu (OH)2
azurita
Silicatos:
CuSiO3 · 2H2O
crisocola
CuSiO3 · H2O
dioptasa
Sulfuros:
Cu2S
calcosina
CuS
covelina
Minerales
CuO
melaconita
Sulfurados
Sulfuros dobles: CuFeS2
Calcopirita
Cu5FeS4
bornita
Usos: Conducción eléctrica y de calor (alambres, cables, tubos), monedas, joyería, arte.
Fontanería. De los cientos de compuestos de cobre, sólo unos cuantos son fabricados de manera
industrial en gran escala. El más importante es el sulfato de cobre (II) pentahidratado o azul de
vitriolo, CuSO4 5H2O.
Otros incluyen: La mezcla de burdeos: 3Cu(OH)2CuSO4; Verde de París, un complejo de
metaarsenito y acetato de cobre; Cianuro cuproso: CuCN; Oxido cuproso: Cu2O; Cloruro cúprico:
CuCL2; Oxido cúprico: CuO; Carbonato básico cúprico; Naftenato de cobre, el agente más
ampliamente utilizado en la prevención de la putrefacción de la madera, telas, cuerdas y redes de
pesca.
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Las principales aplicaciones de los compuestos de cobre las encontramos en la agricultura, en especial
como funguicidas e insecticidas; como pigmentos; en soluciones galvanoplásticas; en celdas primarias;
como mordentes en teñido, y como catalizadores.
PROCESOS PRODUCTIVOS DEL COBRE EN CHILE
Extracción subterránea
Fundición
Electrorefinación
Lixiviación
Electroobtención
Extracción a rajo abierto
Exploración Geológica
Chancado y Molienda
Extracción a rajo abierto
Trabajo geológico de exploración: encontrando un yacimiento
Los yacimientos:
Los lugares donde se encuentran las minas de cobre, es decir, un yacimiento de cobre, dependen
de los procesos geológicos que han ocurrido en ese lugar. De esta forma, los yacimientos de
cobre se relacionan con la presencia de intrusivos, que son rocas ígneas y material magmático
que se introdujo a gran temperatura y presión en la corteza terrestre. Estos intrusivos aportan
los minerales que contienen a las rocas circundantes, y de acuerdo a las condiciones en que esto
ocurre, se tienen dos tipos de material mineralizado: los súlfuros y los óxidos. La presencia de
éstos en un yacimiento define dos zonas que tienen características diferentes: la zona de los
sulfuros, y la zona de los óxidos, las que a su vez determinan la manera de explotar el mineral:
la línea de los óxidos y la línea de los sulfuros.
Características de sulfuros y óxidos:
• La zona de sulfuros corresponde a la mineralización original del yacimiento, también llamada
primaria. Los sulfuros contienen minerales formados por combinaciones de cobre, azufre y
hierro los que otorgan a las rocas un aspecto metálico.
• La zona de óxidos se encuentra en la superficie de yacimiento o cerca de ella, y contiene
óxidos de cobre, los que típicamente tienen un color verde o azul. Los minerales oxidados se
han formado por acción del oxígeno y otros agentes que atacan las rocas mineralizadas que se
encuentran en la superficie.
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Cobre Sulfurado
Explotación de la mina
A diferencia de la explotación a rajo abierto, una mina subterránea extrae el mineral desde abajo
hacia arriba, utilizando lo más posible la fuerza de gravedad para producir la fragmentación y el
desplazamiento del mineral hacia los puntos de carguío. La otra diferencia importante es que en
la mina subterránea no se extrae roca estéril, sino que debido a los altos costos que implica la
construcción de túneles, la explotación se concentra preferentemente en las zonas de mineral.
Sistema de “hundimiento por bloque”. Se ponen explosivos en la base de un cubo imaginario el que se
debilita y por efecto de la gravedad cae como grandes rocas por los embudos construidos en el cerro.
Existe una variedad de métodos de explotación subterránea, pero el más utilizado en la extracción
de grandes yacimientos es el conocido como hundimiento por bloques. Éste consiste en provocar
el desprendimiento de una porción del macizo rocoso del resto de la masa que lo rodea.
Para
ello y mediante el uso de explosivos, se socava la base de una columna de roca mineralizada, de
manera que el resto de la columna se fragmente paulatinamente hacia arriba y se desplome hacia
los puntos de extracción especialmente ubicados para captar la casi totalidad del material
quebrado de la columna.
En general, los bloques tienen dimensiones entre 100 y 200 m. de altura y un área basal de 60 m.
x 90 m., lo cual implica entre 1.000.000 y 2.500.000 toneladas por cada bloque.
Cuando el hundimiento se produce en forma secuencial, por tajadas menores del bloque, se habla
de método de hundimiento por paneles.
Concentración: de la roca al mineral de cobre
El objetivo del proceso de concentración es liberar y concentrar las partículas de cobre que se
encuentran en forma de sulfato en las rocas mineralizadas, de manera que pueda continuar a
otras etapas del proceso productivo.
Generalmente, este proceso se realiza en grandes
instalaciones ubicadas en la superficie, formando lo que se conoce como planta, y que se ubican lo
más cerca posible de la mina. El proceso de concentración se divide en las siguientes fases:
1) Chancado.
2) Molienda.
3) Flotación.
Primera etapa:
Chancado
El mineral proveniente de la mina presenta una granulometría variada, desde partículas de
menos de 1 mm. hasta fragmentos mayores que 1 m. de diámetro, por lo que el objetivo del
chancado es reducir el tamaño de los fragmentos mayores hasta obtener un tamaño uniforme
máximo de ½ pulgada (1,27 cm).
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Segunda etapa:
La Molienda
Mediante la molienda, se continúa reduciendo el tamaño de las partículas que componen el
mineral, para obtener una granulometría máxima de 180 micrones (0,18 mm), la que permite
finalmente la liberación de la mayor parte de los minerales de cobre en forma de partículas
individuales.
Proceso de molienda
El proceso de molienda se realiza utilizando grandes equipos giratorios o molinos de forma cilíndrica, en
dos formas diferentes: molienda convencional o molienda SAG. En esta etapa, al material mineralizado
se le agregan agua en cantidades suficientes para formar un fluido lechoso y los reactivos necesarios
para realizar el proceso siguiente que es la flotación.
La molienda convencional se realiza en dos etapas, utilizando molino de barras y molino de bolas,
respectivamente, aunque en las plantas modernas sólo se utiliza el segundo. En ambos molinos
el mineral se mezcla con agua para lograr una molienda homogénea y eficiente. La pulpa
obtenida en la molienda es llevada a la etapa siguiente que es la flotación.
Tercera etapa:
La Flotación
La flotación es un proceso físico-químico que permite la separación de los minerales sulfurados de
cobre y otros elementos como el molibdeno, del resto de los minerales que componen la mayor
parte de la roca original.
La pulpa proviene de la molienda, que tiene ya incorporados los reactivos necesarios para la
flotación, se introduce en unos receptáculos como piscinas, llamados celdas de flotación. Desde el
fondo de las celdas, se hace burbujear aire y se mantiene la mezcla en constante agitación para
que el proceso sea intensivo.
Los reactivos que se incorporan en la molienda tienen diferentes naturalezas y cumplen diferentes
funciones:
•
•
•
•
Reactivos espumantes: tienen como objetivo el producir burbujas resistentes.
Reactivos colectores: tienen la misión de impregnar las partículas de sulfuros de cobre y de
molibdeno para que se separen del agua (efecto hidrófobo) y se peguen en las burbujas.
Reactivos depresentes: destinados a provocar el efecto inverso al de los reactivos colectores
para evitar la recolección de otros minerales como la pirita, que es un sulfuro que no tiene
cobre.
Otros aditivos: como la cal sirven para estabilizar la acidez de la mezcla en un valor de pH
determinado, proporcionando el ambiente adecuado para que ocurra todo el proceso de
flotación.
Las burbujas arrastran consigo los minerales sulfurados hacia la superficie, donde rebasan por el
borde de la celda hacia canaletas que las conducen hacia estanques especiales, desde donde esta
pulpas son enviadas a la siguiente etapa. El proceso se reiteraba en varios ciclos, de manera que
cada ciclo va produciendo un producto cada vez más concentrado. En uno de estos ciclos, se
realiza un proceso especial de flotación para recuperar el molibdeno, cuyo concentración alcanza
una ley de 49% de molibdenita (MoS2).
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Producto del proceso de flotación
Luego de varios ciclos en que las burbujas rebasan el borde de las celdas, se obtiene el
concentrado, en el cual el contenido de cobre ha sido aumentando desde valores del orden del 1%
(originales en la roca) a un valor de hasta 31% de cobre total.
El concentrado final es secado mediante filtros y llevado al proceso de fundición.
Proceso de Fundición: del mineral de cobre puro
El concentrado de cobre seco con una concentración del 31% de cobre, se somete a procesos de
pirometalurgia en hornos a grandes temperaturas, mediante los cuales el cobre del concentrado
es transformado en cobre metálico y se separa de los otros minerales como fierro (Fe), azufre (S),
silicio (Si) y otros.
Proceso de fusión
El objetivo de la fusión es lograr el cambio de estado que permite que el concentrado pase de
estado sólido a estado líquido para que el cobre se separe de los otros elementos que componen
el concentrado.
En la fusión el concentrado de cobre es sometido a altas temperaturas (1.200ºC) para lograr el
cambio de estado de sólido a líquido. Al pasar a este estado líquido, los elementos que componen
los minerales presentes en el concentrado se separan según su peso, quedando los más livianos
en la parte superior del fundido, mientras que el cobre, que es más pesado se concentra en la
parte baja. De esta forma es posible separar ambas partes vaciándolas por vías distintas.
La fusión puede realizarse de dos maneras, utilizando dos tipos de hornos: el horno de reverbero
para la fusión tradicional y el convertidor modificado Teniente (CMT) que realiza en una sola
operación la fusión y la conversión.
a) Horno de Reverbero: sistema de fusión tradicional El horno de reverbero es un horno
fijo construido sobre el piso, cuyo armazón es de acero y cuyo interior está revestido
enteramente con ladrillos refractarios. En el interior del horno existen quemadores de
petróleo, que proporcionan la energía calórica necesaria para llegar a 1.200 ºC y lograr la
fusión del concentrado.
Durante el proceso de fusión, este horno es alimentado
constantemente con concentrado, es decir, una vez que se inicia el proceso de fusión, no se
detiene.
Este es un horno que trabaja cerrado, y debido a las características de su
revestimiento interior, el calor se concentra en el interior, favoreciendo el uso de la energía
para lograr la fusión.
Vista lateral
Tubos de carga
de concentrado
Cristal
Quemadores
4m
Escoria
Tubos de carga
de concentrado
3m
32 m
El concentrado ya fundido se separa en dos fases:
• Eje o mata: corresponde a la parte más pesada, que contiene un 45% a 48% de cobre.
Este eje se concentra en la parte inferior del horno, desde donde es retirado en forma
líquida y cargado en grandes ollas de acero que lo transportan hacia la siguiente etapa de
conversión.
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• Escoria: es la parte más liviana del fundido, formada básicamente por hierro y sílice tiene
menos de 1% de cobre), la cual queda flotando sobre el eje. La escoria es retirada del
horno en forma separada del eje, cargada en ollas y arrojada en un botadero donde se
solidifica a temperatura ambiente.
b)
Convertidor modificado Teniente: sistema de fusión – conversión El convertidor
Teniente, desarrollado y patentado por la División El Teniente de Codelco, es un horno
basculante, formado por un cilindro metálico de 5 m de diámetro por 22 m de largo, dispuesto
en posición horizontal y revestido por ladrillos refractarios en su interior. Este horno está
montado sobre un sistema de cremalleras que le permiten oscilar.
Funcionamiento
El convertidor teniente es cargado en forma continua con concentrado de cobre y sílice (cuarzo)
por una abertura ubicada en su parte superior. La sílice tiene por objeto captar el hierro
contenido en los minerales sulfurados fundidos y concentrarlo en la parte más liviana de la mezcla
fundida.
El convertidor Teniente tiene un sistema de cañerías en el interior, las cuales insuflan aire
enriquecido con oxígeno, el cual permite la oxidación del hierro y del azufre presentes en los
minerales que constituyen el concentrado. El hierro forma magnetita, que se concentra en la
escoria, y el azufre forma gases (monóxidos y dióxidos) los cuales son evacuados a través de
gigantescas chimeneas, junto a otros gases, donde son captados en gran parte para producir
ácido sulfúrico (H2SO4).
Las reacciones que se producen producto de la oxidación de los distintos elementos, liberan
energía la que es aprovechada para ayudar a la fusión.
En el convertidor Teniente también los elementos se concentran en fases, de acuerdo a su peso:
Metal blanco: corresponde a la parte más pesada del material fundido y que se encuentra en la
parte baja del convertidor. Contiene un 70% a 75% de cobre.
Escoria: es la parte más liviana del fundido, la cual se envía de vuelta al horno de reverbero o a
hornos destinados a limpieza de escoria para recuperar el contenido de cobre que aún le queda.
Cuarta etapa:
Proceso de Conversión
Mediante el proceso de conversión se tratan los productos obtenidos en la fusión, para obtener
cobre de alta pureza. Para esto se utilizan hornos convertidores llamados Peirce-Smith, en honor
a sus creadores.
El convertidor Pierce-Smith consiste en un reactor cilíndrico de 4,5 m de diámetro por 11 metros
de largo, aproximadamente, donde se procesan separadamente: el eje proveniente del horno de
reverbero y el metal blanco proveniente del convertidor Teniente.
Este es un proceso cerrado, es decir, una misma carga es tratada y llevada hasta el final, sin
recarga de material. Finalmente se obtiene cobre blister, con una pureza de 96% de cobre.
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Quinta etapa:
Proceso de Pirorrefinación
Mediante la pirorrefinación o refinación a fuego se incrementa la pureza del cobre blister obtenido
de la conversión. Consiste en eliminar el porcentaje de oxígeno presente en este tipo de cobre,
llegando a concentraciones de 99,7% de cobre.
Este es un proceso especial que se aplica en algunas fundiciones, como en la fundición de
Caletones, donde el cobre blister es sometido a un proceso final de refinación en un horno
basculante, mediante la introducción de troncos de eucaliptos. En este caso, la ignición de la
madera permite captar el oxígeno que contiene el cobre blister como impureza y lo transforma en
anhídrido carbónico (CO2), que es liberado a la atmósfera. De esta manera, la pureza del cobre se
incrementa a 99,7% y el producto se denomina cobre RAF (refinado a fuego).
El cobre RAF es moldeado en placas gruesas, de forma de ánodos, de un peso aproximado de 225
kg., el cual es enviado al proceso de electrorrefinación o vendido directamente en diversas
formas.
Proceso de Electrorrefinación: una respuesta tecnológica para un mercado exigente.
Mediante la electrorrefinación se transforman los ánodos producidos en el proceso de fundición a
cátodos de cobre electrolítico de alta pureza.
Primera etapa. La electrólisis: una migración de cationes y aniones
Este proceso de electrorrefinación se basa en las características y beneficios que ofrece el
fenómeno químico de la electrólisis, que permite refinar el cobre anódico (ánodo) mediante la
aplicación de la corriente eléctrica, obteniéndose cátodos de cobre de alta pureza (99,99%), los
que son altamente valorados en el mercado del cobre.
La electrorrefinación se realiza en celdas electrolíticas, donde se colocan en forma alternada un
ánodo (que es una plancha de cobre obtenido de la fundición), y un cátodo, (que es una plancha
muy delgada de cobre puro), hasta completar 30 ánodos y 31 cátodos en cada celda.
La electrólisis consiste en hacer pasar una corriente eléctrica por una solución de ácido sulfúrico y
agua. El ion sulfato de la solución comienza a atacar el ánodo de cobre formando una solución de
sulfato de cobre (CuSO4) denominado electrolito.
Al aplicar una corriente eléctrica, los
componentes de la solución se cargan eléctricamente produciéndose una disociación iónica en la
que el anión sulfato (SO4-2) es atraído por el ánodo (+) y el catión (Cu+2) es atraído por el cátodo
(-). El anión SO4-2 ataca al ánodo formado sulfato de cobre, el que se ioniza en la solución por
efecto de la corriente eléctrica, liberando cobre como catión que migra al cátodo, y se deposita en
él. El ion sulfato liberado migra al ánodo y vuelve a formar sulfato de cobre que va a la solución,
recomenzando la reacción.
Este proceso es continuo durante 20 días. El día 10, se extraen los cátodos y se reemplazan por
otros y los ánodos se dejan 10 días más y se reemplazan por otros. De esta forma, al final del día
20, nuevamente se extraen los cátodos y se renuevan los ánodos.
Los otros componentes del ánodo que no se disuelven, se depositan en el fondo de las celdas
electrolíticas, formando lo que se conoce como barro anódico el cual es bombeado y almacenado
para extraer su contenido metálico (oro, plata, selenio, platino y paladio).
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Cobre Oxidado
En los yacimientos de cobre de minerales oxidados, el proceso de obtención de cobre se realiza en
tres etapas que trabajan como una cadena productiva, totalmente sincronizadas:
1. Lixiviación en pilas.
2. Extracción por solvente.
3. Electroobtención.
Primera etapa:
Lixiviación en pilas
La lixiviación es un proceso hidrometalúrgico que permite obtener el cobre de los minerales
oxidados que lo contienen, aplicando una disolución de ácido sulfúrico y agua. Este proceso se
basa en que los minerales oxidados son sensibles al ataque de soluciones ácidas.
El proceso
a) Chancado: el material extraído de la mina (generalmente a rajo abierto que contiene
minerales oxidados de cobre, es fragmentado mediante chancado primario y secundario
(eventualmente terciario), con el objeto de obtener un material mineralizado de un tamaño
máximo de 1,5 a ¾ pulgadas. Este tamaño es suficiente para dejar expuestos los minerales
oxidados de cobre a la infiltración de la solución ácida.
b) Formación de la pila: el material chancado es llevado mediante correas transportadoras hacia
lugar donde se formará la pila. En este trayecto los materiales son sometidos a una primera
irrigación con una solución de agua y ácido sulfúrico, conocido como proceso de curado, de
manera de iniciar ya en el camino de proceso de sulfatación del cobre contenido en los
minerales oxidados. En su destino, el mineral es descargado mediante un equipo especial
gigantesco, que lo va depositando ordenadamente formando un terraplén continuo de 6 a 8 m
de altura: la pila de lixiviación. Sobre esta pila se instala un sistema de riego por goteo y
aspersores que van cubriendo toda el área expuesta. Bajo las pilas de material a lixiviar se
instala previamente una membrana impermeable sobre la cual se dispone un sistema de
drenes (tuberías ranuradas) que permiten recoger las soluciones que se infiltran a través del
material.
c) Sistema de riego: a través del sistema de riego por goteo y de los aspersores. Se vierte
lentamente una solución ácida de agua ácido sulfúrico en la superficie de las pilas. Esta
solución se infiltra en la pila hasta su base, actuando rápidamente. La solución disuelve el
cobre contenido en los minerales oxidados, formando una solución de sulfato de cobre, la que
es recogida por el sistema de drenaje, y llevada fuera del sector de las pilas en canaletas
impermeabilizadas.
El riego de las pilas, es decir, la lixivación se mantiene por 45 a 60 días, después de lo cual se
supone que se ha agotado casi completamente la cantidad de cobre lixiviable. El material
restante o ripio es transportado mediante correas a botaderos donde se podría reiniciar un
segundo proceso de lixiviación para extraer el resto de cobre.
De la lixiviación se obtienen soluciones de sulfato de cobre (CuSO4) con concentraciones de
hasta 9 gramos por litro (gpl) denominadas PLS que son llevadas a diversos estanques donde
se limpian eliminándose las partículas sólidas que pudieran haber sido arrastradas. Estas
soluciones de sulfato de cobre limpias son llevadas a planta de extracción por solvente.
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Segunda etapa:
Extracción por solvente (SX)
En esta etapa la solución que viene de las pilas de lixiviación se libera de impurezas y se
concentra su contenido de cobre, pasando de 9 gpl a 45 gpl, mediante una extracción iónica.
Para extraer el cobre de la solución PLS, ésta se mezcla con una solución de parafina y resina
orgánica. La resina de esta solución captura los iones de cobre (Cu+2) en forma selectiva.
De esta reacción se obtiene por un lado un complejo resina-cobre y por otra una solución
empobrecida en cobre que se denomina refino, la que se utiliza en el proceso de lixivación y
se recupera en las soluciones que se obtienen del proceso.
El compuesto de resina-cobre es tratado en forma independiente con una solución electrolito
rica en ácido, el que provoca la descarga del cobre desde la resina hacia el electrolito
(solución), mejorando la concentración del cobre en esta solución hasta llegar a 45 gpl. Esta
es la solución que se lleva a la planta de electroobtención.
Tercera etapa:
Electroobtención (EW)
Esta etapa corresponde al desarrollo de un proceso electrometalúrgico mediante el cual se
recupera el cobre disuelto en una solución concentrada de cobre.
Mediante el proceso de electroobtención se recupera el cobre de una solución electrolito
concentrado para producir cátodos de alta pureza de cobre (99,99%) muy cotizados en el
mercado.
La solución electrolítica que contiene el cobre en forma de sulfato de cobre (Cu SO4) es
llevada a la caldera de electroobtención que son estanques rectangulares que tienen
dispuestas en su interior y sumergidas en solución, unas placas metálicas de
aproximadamente 1 m2 cada una.
Estas placas corresponden alternadamente a un ánodo y un cátodo. Los ánodos son placas
de plomo que hacen las veces de polo positivo. Ya que por estos se introduce la corriente
eléctrica, en tanto que los cátodos son placas de acero inoxidable, que corresponde al polo
negativo, por donde sale la corriente.
Todas las placas están conectadas de manera de conformar un circuito por el que se hace
circular una corriente eléctrica continua de muy baja intensidad, la que entra por los ánodos y
sale por los cátodos.
El cobre en solución (catión, de carga positiva +2: Cu+2) es atraído por el polo negativo
representado por los cátodos, por lo que migra hacia éstos pegándose partícula por partícula
en su superficie en forma metálica (carga cero).
13
Datos interesantes.
• La mina Chuquicamata remueve diariamente 600.000 toneladas de material, lo que
equivale a remover 1 ½ cerro Santa Lucía cada 24 horas.
• En 85 años de actividad, la mina Chuquicamata ha removido 1,6 billones de toneladas. Sin
embargo, esto representa menos de ⅓ del total de volumen total del yacimiento.
• Un camión de extracción de gran tonelaje gasta en un día el combustible que un auto
normal gasta en 15 meses (2,250 litros). Un neumático de camión de extracción tiene un
diámetro de casi 2 m. Mayor que la altura promedio de un hombre.
• Las palas de carga más grandes que se usan actualmente pesan entre 1.200 y 1.300
toneladas, por lo que se mueven sobre orugas y tienen un balde (donde podría caber un
automóvil completo) que permite cargar 100 toneladas de una vez.
• Si se pusieran en línea los cátodos que produce Chuquicamata en un año, se cubriría una
distancia de 7.000 kilómetros, vale decir, desde el canal de Panamá hasta Punta Arenas
(Chile).
Proceso del Cobre oxidado
Las ecuaciones de los procesos involucrados son:
CuSO4 + 2H+R- → CuR2 + H2SO4
Atrapamiento del cobre en Resina de Intercambio Iónico.
CuR2 + H2SO4 → CuSO4 + 2HR
Proceso inverso donde se libera el cobre de la resina y se regenera esta última.
II
Hierro y Acero
1.
Estado Natural.
El hierro es probablemente el elemento más abundante de nuestra tierra. Ciertamente, el
contenido de hierro en la corteza terrestre (16 km) es solamente de 4,7%, pero se acepta
que el núcleo de la Tierra consta fundamentalmente de hierro, porque también otros astros
contienen mucho hierro (se han encontrado meteoritos con un contenido en hierro superior al
90%).
En la naturaleza el hierro se presenta raras veces en estado nativo (sólo en los meteoritos)
debido a su carácter no noble. En forma de combinaciones (las más de las veces como óxidos
hidratados o anhidros, más raramente como carbonato y sulfuro), el hierro está muy
extendido.
Apenas existe una roca o un mineral que no contenga hierro, y su presencia se hace notar por
una coloración amarilla o roja, por ejemplo, en las calizas, arenas, arcillas, margas, barro,
etc. En cualquier lugar donde crezcan plantas debe de existir hierro en el suelo, pues es
necesario para la formación de la clorofila verde.
Cuando el contenido en hierro es superior a 20%, se habla de minerales de hierro.
Las impurezas – que se denominan “ganga” – pueden ser muy diferentes y su conocimiento
es importante para los tratamientos a los que debe ser sometido el mineral.
Cuando los minerales contienen mucha sílice (SiO2) se les denomina ácidos, y si contienen
mucha cal (CaO) minerales básicos.
14
Minerales de Hierro más importantes
Nombre de
mineral
Magnetita
Ematita
Hierro de
Praderas
Contenido
Combinacione
s de Hierro
Color y Brillo
50 – 70%
35 – 60%
25 – 50%
Fe3O4
Brillante
Negro
Suecia
Unión
Soviética
Fe2O3
Rojo Mate o
brillante
Inglaterra
España
Fe2O3 — n H2O
Pardo mate
Principales
Yacimientos
en Europa
Alemania
Francia
Espato de
Hierro o
Siderita
30 – 40%
Pirita
FeCO3
Marrón
Cristalino
Alemania
Australia
FeS2
Amarillo
brillante
Polonia
España
Alemania
45%
2. Historia
Sobre el descubrimiento del hierro no se tiene datos precisos. En excavaciones realizadas en
Egipto se encontraron utensilios de hierro cuya edad se estima en unos 6.000 años. El
hallazgo más viejo realizado en Alemania (un anillo de hierro) tiene unos 3.500 años.
Para la obtención se utilizaban hornos abiertos calentados con carbón de madera en los que se
inyectaba aire por medio de un fuelle. Se obtenía un hierro pastoso (“Luppen”) con un
contenido en hierro de 60 a 70% que se mejoraba por repetida forja.
Hasta el siglo XVI, el único método de obtención de hierro forjable era el mencionado y el
trabajo era naturalmente artesano. Utilizando energía hidráulica fue posible incrementar la
corriente de aire y esto permitió elevar la altura de las paredes de los hornos; surgieron así los
primeros hornos de cuba, los primeros hornos altos.
La introducción del horno alto trajo consigo una modificación fundamental en la producción de
hierro: del taller del artesano se pasó a la gran fábrica y el hierro bruto no salía ya en nódulos
pastosos sino ya en estado líquido. Este hierro bruto no era forjable y requería un “afino” para
poderlo trabajar.
El reductor empleado sigue siendo el carbón de madera. Las fábricas inglesas utilizaron por
primera vez el coque como reductor en el siglo XVIII.
La producción de un horno alto en 1870 era de unas 10 TM diarias de arrabio; hoy existen
hornos con una producción superior a 4.000 TM diarias.
En la producción de acero, son importantes los años 1875 y 1878: en el primero se introdujo
el método Siemens-Martin, en el segundo el método Thomas.
En los años 1950 – 1960 se puso a punto el método de soplado de oxígeno (método LD)
introduciendo con ello el empleo de oxígeno puro en la metalurgia del hierro.
3 Tipos de Hierro – Acero
Hierro Puro
El hierro químicamente puro es un metal blanco plata (densidad 7,86 gr/cm3; punto de fusión
1.535ºC; punto de ebullición 3.233ºC), que fue obtenido por primera vez en 1938. La calidad
técnica más pura obtenida hasta la fecha era el hierro “Armco” con 99,85 – 99,9% de hierro.
Por lo que se refiere a su resistencia a la corrosión tiene doble duración que el acero corriente,
pero es muy caro.
15
Hierro Técnico
El metal que se distingue como “hierro” en la técnica y en la vida corriente contiene además
del hierro una serie de combinaciones de hierro y otros componentes extraños.
El hierro se presenta en cuatro modificaciones estables, dentro de límites de temperaturas
determinadas que tienen diferentes estructuras cristalinas y también diferentes propiedades:
Hasta
770 –
900 –
1.400
770 ºC
900 ºC
1.400 ºC
– 1.435 º C
:
:
:
:
hierro
hierro
hierro
hierro
alfa
beta
gamma
delta
Durante el proceso metalúrgico, el hierro delta se transforma durante el lento enfriamiento, en
hierro-gamma, después en hierro beta y finalmente en hierro alfa, pero por enfriamiento
brusco (“congelación”) se puede impedir, siquiera parcialmente, la transformación.
El comportamiento del hierro resulta en la práctica más complicado porque forma
combinaciones con el carbono presente y, tanto con éstas como con las otras impurezas del
mineral, por ejemplo; silicio, manganeso, azufre y fósforo, se forman mezclas que pueden
reconocerse microscópicamente por su forma cristalina en el hierro una vez frío.
Entre hierro y carbono pueden formarse una serie de cristales, pasando desde el carbono puro
(grafito), Cementita, Austanita, Martensita, hasta Ferrita (hierro alfa puro).
Hierro y Acero
El hierro obtenido en el horno alto contiene de 2 a 5% de carbono, lo que condiciona el
descenso del punto de fusión hasta 1.100 – 1.200 ºC. Contiene además Si, Mn, P y S en
cantidades variables.
El acero se obtiene a partir del hierro bruto cuando se rebaja su contenido en carbono a menos
de 1,7%.
Antiguamente se distinguía entre: Fundición (hierro con más de 1,7% de C) Hierro forjado
(hierro con un contenido de carbono entre 0,1 y 0,5%), Acero (hierro forjado templado con
contenido en C entre 0,5 y 1,7%).
En la actualidad se diferencia solamente entre hierro (hierro colado con más de 1,7% de C) y
acero (hierro con contenido en C por debajo de 1,7%)
Aceros especiales
Los aceros normalmente se resisten al ataque de los agentes atmosféricos, sobre todo a alta
temperatura. Si el acero se alea con cromo resiste temperaturas superiores, por ejemplo, con
6% de cromo hasta 800 ºC y con 20% de cromo hasta 1.200 ºC.
Un acero con 13-16% de cromo y 0,5% de níquel (acero VM) es bastante resistente a los
ácidos a temperatura ambiente.
Los conocidos aceros Nirosta tienen altos contenidos en cromo y níquel. El acero V2A contiene
18% de cromo, 11% de níquel y 2% de molibdeno.
Tales posibilidades de producción de aceros especiales por aleación con cromo, níquel y otros
metales, fueron descubiertos el año 1912 en el curso de investigaciones metalúrgicas hechas
en la firma Krupp. Hoy es muy elevado el número de aceros especiales de gran resistencia.
16
4 Propiedades Químicas del Hierro Técnico
El Hierro es un metal no noble, es decir, un metal que se combina fácilmente con otros
elementos. Sobre todo oxida con facilidad y el polvo de hierro muy finamente dividido es capaz
incluso de encenderse al aire. Si se calienta polvo de hierro o lana de acero, el hierro se
quema:
3 Fe + 2 O2
→
Fe2O3 + FeO (óxido férrico y óxido ferroso)
Por calcinación al aire de un bloque de hierro se forma en la superficie este mismo óxido, que
se desprende cuando se trabaja el bloque. Análogamente, cuando se hace pasar vapor de
agua por hierro al rojo:
3Fe + 4 H2O →
Fe3O4 + 4 H2
Al aire húmedo, el hierro se oxida a temperatura ambiente y, según las condiciones, como
productos primarios de la oxidación se forman:
4 Fe + 3 O2 + 6 H2O
→ 4 Fe (OH)3
finalmente, por desprendimiento de agua se forma óxido de hierro Fe2O3:
4 Fe(OH)3
→ 4 FeO(OH) + 4 H2O
→ 2 Fe2O3 + 2 H2O
Mientras que la capa superficial de óxido constituye un recubrimiento protector en el caso de
muchos otros metales, la capa de óxidos aumenta la sensibilidad del hierro porque no es
coherente, por lo que “la herrumbre sigue comiéndose al hierro”.
También con otros elementos se combina el hierro fácilmente: así la lana de acero calentada
al rojo se quema en corriente de cloro, con formación de FeCl3 : el polvo de hierro se
combina con azufre después de haber calentado la mezcla a una cierta temperatura, con
desprendimiento de llama y formación de sulfuro de hierro (FeS), etc.
Algunas clases de hierro que debido a las impurezas son atacadas por el aire, con especial
facilidad pueden autoencenderse y quemarse al aire con llama azul pálida, por ejemplo, si
están en forma de torneaduras que, aun amontonadas, dejan penetrar el aire y la humedad.
El ácido clorhídrico ataca fácilmente al hierro y lo disuelve con formación de cloruro de hierro
(II):
Fe + 2 HCI → FeCl2 + H2
También el ácido sulfúrico diluido y otros ácidos disuelven el hierro:
Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2
Las sales de hierro divalente en disolución acuosa neutra son atacadas rápidamente por el
aire y Oxidadas a hierro trivalente que forma sal básica que precipita.
Por el contrario, frente a los ácidos sulfúrico y nítrico concentrados el hierro es pasivo, por lo
que aquellos pueden ser almacenados y transportados en vasijas de hierro.
5
Método de Producción de Hierro – Acero
5.1. Método de Horno Alto
La obtención de hierro y acero se realiza hoy principalmente por el método del horno alto
obteniéndose como producto intermedio arrabio, es decir hierro bruto.
17
♦ Preparación de Materias Primas:
Los minerales de hierro se trituran, clasifican, se mezclan con otros minerales y la parte
pulverulenta se sintetiza. Cuando es posible mediante magnetos, lavados o tostación se
lleva a cabo una separación grosera de la ganga para conseguir un enriquecimiento.
El coque no requiere tratamiento pues se suministra directamente del tamaño deseado (80
a 120 mm) y con la propiedad necesaria (denso, duro, difícilmente combustible, con 85%
C; 3,5 a 4,5% de agua; 9,8 a 10,2% de cenizas; 0,9 a 1,2% de azufre; 1 a 3% de
volátiles).
En el horno alto, el coque tiene que desempeñar dos papeles: al quemarse suministra la
necesaria energía para alcanzar una elevada temperatura y el CO formado reduce los
óxidos de hierro. Además del mineral y del coque hay que contar con los “aditivos” que
son sustancias que forman combinaciones fácilmente fusibles con las impurezas del mineral
(la “ganga”) y las cenizas del coque, que se separan fácilmente del hierro fundido. Las
impurezas pueden ser ácidas (ácido silícico, SiO2) o básicas (caliza, CaCO3). A un mineral
“ácido” se le añade caliza para formar la escoria; a un mineral básico se le añade SiO2. En
ambos casos se forma una escoria de silicato cálcico:
SiO2 + CaCO3 → CaSiO3 + CO2
La mezcla de mineral y aditivos se llama “carga”. También se puede añadir chatarra con
materia prima. Los trozos tienen que estar de acuerdo con el tamaño del resto de la carga.
El material irregular (alambres, chapas, etc.) se prensa en paquetes y se corta en trozos.
♦ orno alto
El horno alto es un horno que tiene la forma característica de dos troncos de cono unido
por sus bases mayores (Figura 4). Un horno moderno tiene una altura de 30 m y un
diámetro interior de hasta 7 m. Las paredes interiores están revestidas con ladrillos
refractarios. La parte superior del horno alto se llama “cuba” y el cuerpo interior “etalaje”.
El espacio entre ambos se llama “vientre”. Finalmente, el etalaje se apoya en el “crisol”.
En la parte superior, el horno se cierra mediante el
“tragante” que es el dispositivo de carga para el coque y la
carga, y está construido con doble cierre, según el
principio de una exclusa.
Al cargar se abre automáticamente primero el cierre
superior, que se cierra de nuevo en cuanto se ha
introducido el material. Ahora se abre el cierre interior,
dejando caer el material al horno y se cierra nuevamente.
De este modo, ni pueden escapar los gases ni puede
entrar el aire. Inmediatamente por debajo del tragante
salen las tuberías para el gas.
Para proteger al
revestimiento de un rápido deterioro, el horno tiene un
sistema de refrigeración por agua.
Los hornos altos
actuales tienen producciones diarias de unas 2.000 TM a
lo largo de períodos de unos 6 a 8 años.
El aire de combustión (“vientos”) se introduce en el horno
a través de las “toberas”. El viento se introduce mediante
una soplante pero tiene que pasar antes por
“calentamiento de viento”. El viento caliente quema el
coque de la parte inferior del horno, formando
primeramente dióxido de carbono que se reduce
rápidamente por el coque incandescente a monóxido:
CO2
+
C →
2 CO
18
Ahora el monóxido de carbono reduce gradualmente los óxidos de hierro hasta hierro
metálico y se oxida, a su vez, a dióxido de carbono. Los procesos se pueden resumir en
forma simplificada, en la ecuación:
Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2
Como el CO2 formado se pone enseguida en contacto con carbón incandescente, se reduce
de nuevo a monóxido y así continúa el camino ascendente de los gases: el CO reduce al
mineral, oxidándose a CO2 y siendo reducido rápidamente por el coque incandescente. Al
mismo tiempo, el gas ascendente precalienta la carga de las capas superiores. En la zona
de temperaturas de 500 – 400ºC cesa la acción reductora del CO y actúa solo como
transportador de calor, hasta que sale del horno por la tubería del tragante.
En el vientre, a 900 ºC, tiene lugar la carburación del hierro reducido pero todavía no
fundido. Con ello aumenta el volumen del hierro, lo que justifica la forma del horno. En
esta zona de temperaturas, el CO se descompone en carbono y dióxido de carbono : 2 CO
→ C + CO2 y el C formado y también carbono del coque es absorbido por el hierro con
aumento de volumen, reduciéndose simultáneamente el punto de fusión del hierro de
1.528 ºC a 1.100 ºC.
Finalmente en la zona de temperaturas de 1.200 ºC el hierro funde y gotea a través del
coque, calentándose hasta 1.800 ºC. Sobre el hierro se encuentra la escoria, también
fundida que se saca separadamente. El hierro contiene ahora 4,5% de carbono; también
los sulfatos, fosfatos, silicatos y además del carbono, azufre, fósforo, silicio y otros
elementos.
También las escorias tienen aplicaciones técnicas. Con la escoria silíceas se elaboran
ladrillos, lana aislante (lana de escorias); con las escorias básicas, con alto contenido en
CaO se elabora cemento (cemento siderúrgico).
El gas de tragante contiene hasta 40 gr. de polvo/Nm3. Este polvo de tragante se elimina
en un ciclón y un electrofiltro antes de utilizar el gas.
El gas purificado tiene la siguiente composición : 25 – 30% CO, 10 – 16% CO2, 52 – 60%
N2. Este contenido en CO determina un contenido en energía que cubre las necesidades
del horno alto (excepto el coque) y de una no pequeña parte de acererína y laminación
anexas.
♦ Arrabio
El hierro bruto o arrabio tiene un contenido de 3 – 5% de C. Se distingue entre “fundición
gris” y “fundición blanca”, denominaciones que proceden del aspecto de los bordes de
fractura del hierro bruto. Contiene también, como impurezas, azufre, fósforo, silicio, y
manganeso, y en tal estado no es aún utilizable. La fundición gris se presenta cuando hay
silicio, pues, en tal caso, el carbono se separa al enfriarse en forma de grafito y da a los
bordes de fractura un aspecto gris hasta negro. La fundición blanca se forma en presencia
de manganeso, pues en el fondo se forma carburo de hierro (cementita) Fe3C, que liga el
carbono y es incoloro. A esto obedece el color claro de la fundición blanca.
19
♦ Fundición
Por fusión del arrabio y soplado de aire y en presencia de caliza y coque como combustible
en “hornos de cúpula”, se obtiene una fundición con menos impurezas que el arrabio. El
contenido en hierro llega al 95% y punto de fusión aumenta a unos 1.200ºC. El contenido
en carbono es de 3-4% . Este material no se ablanda al calentarlo, sino que al fundir lo
hace de una vez. El punto de fusión depende del contenido en carbono; con 3% de C, el
hierro funde a 1.280 ºC, con 4% a 1.1,80 ºC. Este hierro cuela muy bien y llena
completamente los moldes, sin contracción fuerte.
El “horno de cúpula” es un horno de fusión empleado para quemar sólo una parte de las
impurezas. Debe mantenerse el alto contenido de carbono, pues a él se deben las
propiedades de la fundición, poca viscosidad del líquido, bajo punto de fusión y buenas
propiedades de colada.
La fundición es muy quebradiza. Si se deja caer una vasija o un objeto de fundición sobre
un suelo de piedra, el objeto se rompe como el vidrio. Esto se puede mejorar mediante
oxidación.
♦ Fundición Maleable
Se distingue con este nombre un tratamiento oxidante del hierro bruto de 800 – 1.000 ºC,
en presencia de Fe2O3 como oxidante lento que, en el curso de 3 – 5 días oxida a una parte
del carbono del arrabio, educiendo finalmente el contenido a menos de 1% C. Se obtiene
así un material forjable. En esta operación, por consiguiente, la acción oxidante de hierro
se hace notar hasta en el interior de la pieza, lo que ciertamente determina que el proceso
sólo sea rentable con piezas de poco espesor de paredes (15 – 25 mm.) Con trozos
mayores la operación requeriría demasiado tiempo. El tratamiento se lleva a cabo
enterrando las piezas en óxido de hierro triturado, en vasijas especiales.
♦ Fundición Nodular
En los últimos 15 años se encontró que el hierro bruto fundido obtiene una resistencia a la
tracción especial si el carbono no está en forma de láminas u hojuelas, sino que cristaliza
en el hierro en forma de esferitas o granos. Se encontró, además, que esta forma de
cristalización del carbono queda muy favorecida por el magnesio.
Este elemento se evapora en el hierro fundido, forma remolinos y simultáneamente lo
desoxida y desulfura.
Un pequeño resto de magnesio queda en el hierro y actúa
decisivamente para que el carbono cristalice en forma de grafito nodular.
Se denomina también a esta función “función esferolítica”. No es exagerado decir que esta
fundición nodular es una conquista de importancia en la técnica de la fundición de hierro.
El magnesio se introduce bajo la superficie del fundido, en forma de barras y por
aberturas laterales especiales o, en el método de inmersión se adiciona desde arriba.
20
5.2
Producción del Acero
Se llama actualmente “acero” a todas las clases de hierro forjable. Estas son las que,
calentadas al rojo, es decir, muy por debajo del punto de fusión, se ablandan y pueden ser
forjadas. Existen aceros “templables” y “no templables”. Estos últimos tienen 0,1 – 0,5%
de C y antes se les llamaba hierro forjado. Los primeros tienen 0,5 - 1,5% C y se
denominaban aceros.
♦ Afino
El primer paso en la conversión del hierro bruto en acero es la eliminación o reducción de
las impurezas de carbono, azufre, fósforo y silicio, lo que se consigue mediante la oxidación
que puede realizarse de diversos modos.
Como oxidantes se emplean aire, aire
enriquecido de oxígeno, oxígeno puro, minerales oxidados, Fe3O4 y chatarra con poco
carbono. El proceso de oxidación se denomina “afino”.
♦ Convertidor
La primera forma de convertidor fue introducido por el inglés Sir Henry Bessemer (1813 –
1898) y conocido por “pera de Bessemer”. Es un recipiente girable por cuya parte inferior
se introduce aire comprimido que atraviesa el baño de hierro. Con esto, se queman los
acompañantes del hierro, con fuerte desprendimiento de calor, por lo que no sólo se
mantiene la temperatura del fundido sino que aumenta considerablemente. En este
proceso se quema también algo de hierro (hasta un 12%).
Recientemente, se ha comenzado a utilizar para el afino en el convertidor aire enriquecido
en oxígeno. El convertidor de Bessemer tiene un revestimiento ácido, puesto que se
trabaja con hierro procedente de minerales básicos. Si se trabaja con minerales fosforados
no se puede emplear dicho revestimiento, pues el fósforo no se oxida en presencia del
hierro fundido, por lo que no se podría eliminar. En tal caso, el convertidor se reviste
con ladrillos básicos, de dolomita (CaCO3 — MgCO3), y se llama convertidor de Thomas,
pues fue Sidney Gilchrist Thomas (1850 – 1885) quien propuso el empleo de tal
revestimiento para los minerales ácidos de Alemania y Francia.
Por lo tanto, los métodos de Thomas y Bessemer se diferencian solamente en el
revestimiento del convertidor. En el de Thomas se puede oxidar el fósforo, porque el P2O5
formado se une al revestimiento básico, formando fosfato cálcico, antes de que el hierro
fundido lo reduzca nuevamente. Cuando se consume la dolomita del revestimiento por
reacción del P2O5 es preciso volver a revestir al convertidor. El viejo revestimiento se
muele y se vende en forma de escorias Thomas o harina Thomas como abono fosfórico
valioso.
El método Thomas no está libre de inconvenientes. A pesar del revestimiento básico, sólo
puede oxidarse el fósforo cuando ya se ha quemado el carbono, por lo que el tiempo de
afino se prolonga y siempre queda algo de fósforo. Además, el hierro toma oxígeno y
nitrógeno del aire y ambos son perjudiciales. Se puede resolver esto último por adición de
ferrosilicio o aluminio; ambos son desoxidantes y desnitrogenantes.
5.2.1 Método LD
Un método de afino completamente nuevo, utilizando oxígeno puro, fue puesto a punto en
Austria (Linz y Donawitz), que se llama “método LD”, por las iniciales de ambas ciudades.
Consiste en soplar oxígeno, pero no a través del baño fundido, sino haciéndolo chocar a 6
– 15 atm contra su superficie. El baño fundido adquiere un vivo movimiento y comienza
rápidamente una fuerte reacción que da lugar a que las impurezas se queman simultánea y
rápidamente. Con frecuencia, se inyecta también polvo de cal, con lo que la combustión se
acelera aún más.
21
5.2.2 Método Siemens-Martin
El horno SM consta de dos partes : horno “superior”! y otro “inferior”. El superior fue
desarrollado por el técnico francés Pierre Martin (1824 – 1915) junto con su hermano
Emile, haciendo uso del invento del horno regenerativo de Fredrich Siemens (1826 –1904)
y aplicándolo a su horno de acero. De aquí, las denominaciones del horno y del método.
El horno superior es el horno de fusión. Los gases residuales de este horno (1800 ºC) se
hacen pasar después por el horno inferior, el horno regenerativo, que consta de 4 cámaras
provistas con enrejados de ladrillos refractarios. Dos de estas cámaras se calientan (1.600
ºC) cada vez con los gases residuales del horno de fusión, mientras las otras dos cámaras
precalientan a unos 1.400 ºC una el gas de caldeo y la otra el aire de combustión, después
de lo cual gas y aire pasan al horno superior, en el que se afina el hierro. Este horno es
un hogar hondo y cubierto que se sangra por la parte posterior, en el lugar más hondo. El
método SM es un método de afino al bajo hogar, cuyo objetivo es la más completa
eliminación de P, S Y Si y la eliminación parcial de carbono. Esto se consigue añadiendo al
hierro chatarra de composición conocida. Con esto, se reduce el contenido en carbono
(por la “dilución con chatarra”). Se emplean por cada 30 partes de hierro bruto 70 partes
de chatarra. Las necesidades de oxígeno para el resto de las impurezas se cubren por
adición de óxido de hierro.
En el hogar se introduce la mezcla de gas de caldeo y aire, precalentados a 1.000 –
1.200ºC, que, al quemarse mantiene la temperatura de fusión y afino (1.500 – 1.700 ºC)
y con exceso de aire ayuda a la combustión de las impurezas. Se puede trabajar también
con poco oxígeno para lograr la reducción del oxígeno de hierro de la escoria. La cantidad
de oxígeno necesario para el afino no procede directamente del aire, sino de los óxidos de
hierro. Estos ceden oxígeno a las impurezas y se reducen a FeO, que pasa a la escoria.
Trabajando con atmósfera oxidante en el horno el FeO se reoxida continuamente a Fe3O4
que se reduce de nuevo a FeO por el hierro fundido :
Fe3O4 + Fe → 4 FeO.
Este FeO oxida ahora el manganeso a MnO2, el carbono a CO, al fósforo a P2O5 y al salir a
SiO2. Por el desprendimiento de CO el fundido sufre agitación y queda bien homogenizado.
Finalmente, se desoxida el fundido, sacando la escoria que pasa de nuevo al horno alto por
su elevado contenido de hierro y manganeso y el FeO contenido en el baño se desoxida,
por ejemplo, con ferrosilicio, aluminio, etc.
Este método arrabio-chatarra es el más empleado actualmente. Cuando la chatarra
escasea, se emplea el método “arrabio-mineral” que utiliza minerales oxidados (Fe2O3,
Fe3O4) como portadores de oxígeno.
El acero se saca en una “cuchara” que lo vierte en moldes (“coquillas”).
5.2.3 Acero Eléctrico
Hay diversos métodos de utilizar la electricidad como fuente de energía para producir acero
a partir de hierro bruto:
♦ Hornos de Arco
El generador de corriente se conecta, de una parte con el contenido del baño y, de otra,
con uno o varios electrodos que se introducen en el horno sin que lleguen a tocar el baño.
Entonces se establece un arco eléctrico entre el baño y los electrodos que calienta el
material a elevada temperatura (hasta unos 3.500º C).
22
♦ Hornos de Inducción
Sirven sobre todo para fundir metales. Se basa en que un enrrollamiento, por el que pasa
corriente (alterna), genera un campo magnético que cambia continuamente y que puede
fundir el metal colocado en una canal que rodea el enrrollamiento, por que se origina en
aquel por inducción una corriente eléctrica en cortocircuito que produce rápidamente
temperaturas elevadas.
También se puede fundir de esta manera rápidamente a
temperaturas elevadas.
Los hornos eléctricos tienen la ventaja de que se pueden regular muy exactamente y las
altas temperaturas aceleran el proceso. Debido a no emplear gas de caldeo no se
introducen más impurezas (de azufre), por lo que se emplean especialmente en la
fabricación de aceros especiales. También aquí se saca el acero a una cuchara que lo
vierte en coquillas. Una parte del acero se cuela inmediatamente en moldes de las piezas
a fabricar, si éstas no se producen por laminación o compresión. El resto se vierte en
boquillas y se deja solidificar, enviándolo luego a laminación.
CORROSIÓN DEL ACERO
El acero es el metal más ampliamente utilizado para la fabricación de estructuras como por
ejemplo; puentes, estanques, casco de buques, etc. Si nos referimos al origen electroquímico
de la corrosión, veremos que en un mismo metal hay áreas que poseen un distinto potencial
eléctrico.
Dicha diferencia de potencial es atribuible, entre otros, a la capa de oxido
remanente propio del proceso de laminación del acero donde esta herrumbre es catódica
respecto del acero o también a diferencia en el oxígeno disuelto en el agua u otro electrolito.
La protección catódica de estructuras de acero se basa en la aplicación de un metal que sea
anódico respecto del acero, de tal manera que proteja a este último mediante el
establecimiento de una celda galvánica intencional, en donde el acero se convierte en cátodo,
es decir en el metal protegido. Este mecanismo de protección implica por lo tanto el aporte
de un metal de sacrificio que se corroerá preferencialmente. Si se analiza la serie galvánica de
los metales, se puede ver que tanto el Zn como el Al y el Mg, son anódicos respecto del hierro
y del acero.
Se distinguen 2 sistemas de protección:
a) Aplicación de 3 a 10 mils de Zn o Al sobre la superficie en donde el revestimiento protege
al acero comportándose como ánodo y degradándose preferencialmente.
b) Aplicación de 3 a 10 mils de Zn o Al sobre la superficie, seguido de la aplicación de un
sellante.
El propósito de sellante es impedir la penetración de líquidos y/o gases hacia el acero,
imposibilitando la formación de una celda galvánica lo que permite alargar considerablemente
la vida útil del revestimiento metálico.
Los sellantes empleados varían en función del ambiente corrosivo que se desea aislar.
general, se emplean pinturas el tipo vinílico, acrílicas, epóxica, uretanos, siliconas, etc.
En
Como se ha denominado fehacientemente a través de experiencias prácticas y aplicaciones
industriales, los sistemas de protección anticorrosivas por metalizado muestran duraciones
de 3 a 10 veces mayor que sistemas tradicionales de pintura. Aún cuando el costo de
aplicación inicial resulta en algunos casos superior al costo de aplicación un sistema
tradicional, dada su larga duración sin necesidad de mantenimiento, los revestimientos
metálicos por metalizado resultan a la larga extremadamente económicos.
23
La
a)
b)
c)
d)
extraordinaria resistencia a la corrosión de estos revestimientos se debe a que el sistema:
Provee protección galvánica
Actúa como pasivador del metal base (acero)
Provee un inhibidor contra la oxidación (imprimante)
Provee una barrera impermeable (sellantes)
CORROSIÓN EN AMBIENTES MARINOS
El progresivo deterioro de estructuras que se encuentran sumergidas y/o expuestas a la acción de
la atmósfera marina constituye sin duda alguna un oneroso problema industrial. En efecto, pilotes
de muelles y otras estructuras portuarias como ser grúas de carga/descarga, edificios en la
cercanía del mar, etc. requieren un constante mantenimiento para conservar el buen estado. A
diferencia de los mecanismos de corrosión en agua dulce, desde un enfoque electroquímico
debemos considerar la incidencia de las sales disueltas en el agua de mar y ambientes marinos.
En forma predominante encontramos en el agua de mar cloruro de sodio y de magnesio.
El cloruro de sodio se encuentra en agua de mar en una solución de 35.000 mg/lt (0.5 N) que lo
sitúa en su máximo nivel corrosivo. La solución de NaCl mejora además las propiedades
conductoras del electrolito posibilitando una reacción electroquímica más intensa. Hoy en día, se
debe considerar además el efecto de la contaminación del agua de mar, especialmente en
puertos. En efecto, en dichas aguas nos encontramos con importantes concentraciones de
elementos oxidantes y orgánicos, producto de desechos industriales que son vertidos
directamente en el mar o llegan a el a través de desembocaduras de ríos.
Aquellas estructuras expuestas al rocío marino sufren también los efectos corrosivos de la solución
de cloruro, los cuales son arrastrados por los vientos y depositados en el acero. Ciclos alternados
de humedad (los cloruros son además higroscópicos) posibilitan la formación de celdas galvánicas.
La rigurosidad del ataque, producto del rociado marino depende de la cercanía de la estructura al
mar. En ausencia de atmósferas industriales severas (alta ppm de SO2), se recomienda los
recubrimientos en base Zn para la protección del hierro y el acero, Al/Zn en diversas proporciones
y Al puro dependiendo de las particularidades de cada aplicación.
24
LITIO
Extracción de litio en Chile
El Mercado del Litio
Chile se ha transformado a través de la acción combinada de la sociedad chilena del litio y SQM en
el productor mundial Nº 1 del litio.
En 1991 las exportaciones de carbonato de litio eran 8.500 toneladas al año, cifra ampliamente
superada en el año 2.000 donde la producción alcanzo a 35.800 toneladas métricas, lo que se
tradujo en US$ 53 millones versus los US$ 25 millones recaudados por las exportaciones en 1991.
No obstante estas cifras, el litio tiene un mercado definitivo y estrecho donde lejos su mejor
cliente es Estados Unidos, seguido en Asia por Japón. En Europa destacan Bélgica y Alemania.
La extracción del litio se realiza por dos vías: la minera y a partir de la extracción de salmueras
con alto contenido de litio desde el salar de Atacama, las que se depositan en grandes posas de
evaporación solar.
Extracción de Litio a partir de salmueras
Esquema de proceso salar de Atacama
Las salmueras son extraídas gracias a pozos de bombeo situados estratégicamente en el salar de
Atacama, las salmueras están presentes en diversos bolsones de líquido bajo la superficie del
salar. Luego de ser extraída la salmuera, rica en sales, es bombeada a posas de evaporación , a
través de las cuales se obtienen las sales contenidas en la salmuera.
Sal
Molienda, Flotación,
Conversión, Secado
y compactado
Evaporación
Solución
Concentrada
Salmuera
Bombeo de pozo
Refinación,
Conversión y Secado
Fertilizantes
• Cloruro de Potacio
• Ácido Bórico
• Carbonato de Litio
•
Ácido Bórico
Reinyección de Salmuera Concentrada
Costra Salina
Salmuera
Parte de la salmuera líquida, luego de una serie de evaporaciones, es recuperada en forma de
solución concentrada. Estas soluciones son transportadas y procesadas para la obtención de
Carbonato de Litio y de Ácido Bórico. Otra parte de las salmueras ya concentradas son
reinyectadas a los depósitos subterráneos del salar.
Las sales depositadas en las posas de evaporación son debidamente cosechadas y transportadas
para ser procesadas. Mediante procesos de molienda, flotación, secado y compactado se obtienen
los siguientes productos: Cloruro de Potasio y Sulfato de Potasio.
25
El litio es obtenido desde las salmueras del salar de Atacama. Estas salmueras son concentradas
y posteriormente procesadas para ser convertidas en carbonato de litio, usando tecnología de
punta para la extracción y conversión. La capacidad de producción de carbonato de litio que tiene
SQM es de 28. mil toneladas métricas al año. SQM además participa en los mercados de
hidróxido de litio y del cloruro de litio y está evaluando producir otros compuestos tales como
butillitio químicos orgánicos de especialidad e inorgánicos. Los productos de litio están
disponibles en una variada gama de formas físicas y envases y son comercializados a través de
una red de filiales propias. SQM participa activamente en el desarrollo de nuevas aplicaciones
para el litio.
Principales usos: Producción del aluminio, vidrio, fritas para recubrimientos vítreos, grasas
lubricantes, baterías, aire acondicionado, polvos para colada continua de acero (c.c; powders) y
polímeros.
Carbonato de Litio
El carbonato de litio, un polvo blanco fino, es menos soluble en agua caliente que en agua fría, no
es higroscópico y es generalmente estable cuando es expuesto a la atmósfera. El carbonato de
litio reacciona fácilmente con ácidos fuertes y es usado frecuentemente para la manufactura de
otras sales de litio.
Principales usos.
•
•
•
•
•
•
•
Industria de vidrios; óptica, pantallas, envases industriales.
Enamel; bañado de acero.
Cerámica de Vidrio; espejo de telescopio, vidrio de cocinas.
Producción de Aluminio.
Construcción; hormigones especiales.
Celdas de energía; con generación de electricidad.
Aplicaciones médicas
Hidróxido de Litio
Aunque el hidróxido de litio puede ser recuperado directamente del silicato de litio aluminio u
otros depósitos, con un proceso de alta temperatura empleando cal. Es un polvo blanco y muy
fino que tiene relativamente baja solubilidad en agua.
Principales usos
• Grasas con litio de alto rendimiento; grasas lubricantes.
Cloruro de Litio
El cloruro de litio es preparado con la reacción de ácido hydroclórico con cualquiera de carbonato
litio o hidróxido de litio. Después de la evaporación y cristalización, los cristales son aislados y
secados para entregar cloruro de litio anhídrido. Es muy higroscópico y altamente soluble en
agua. Es altamente soluble en alcoholes.
Principales usos
• Soldaduras de arco
• Manufactura de intercambiadores de calor de aluminio.
26
Butyl Litio
Es un compuesto de organolitio el cual es usado con mayor frecuencia debido a su alta
reactividad, versatilidad y bajo costo. Sus aplicaciones se han desarrollado importantemente.
Estos compuestos se han transformado en
valiosas herramientas en la producción de
farmacéuticos y agroquímicos.
Principales usos:
Mercado de plásticos y gomas, industria de neumáticos, farmacéuticos.
ÁCIDO SULFÚRICO
Historia
Ya en el siglo XIII se obtenía ácido sulfúrico (ácido vitrólico), por destilación de alumbre (vitriolo).
En el siglo XVII se producía en las farmacias por combustión de azufre en vasijas húmedas y con
adición de nitrógeno. Partiendo de estos ensayos se desarrolló el método de cámaras, que se
introdujo en Inglaterra en 1736 (en Alemania, en 1815) y que puede considerarse el primer
método químico en gran escala. En el transcurso del tiempo ha sufrido modificaciones y mejoras,
pero conservando hasta hoy sus características fundamentales. Todavía hoy se obtiene el 30%
del ácido por el método de cámaras o por su modificación posterior, el de torres. Sin embargo ya
desde hace años, no se monta ninguna nueva instalación de cámaras, pues el método de contacto
(descubierto por Philipps hacia la mitad del siglo XX e introducido en la práctica por Winkler y
Knietsch hacia final del siglo) es más rentable y domina hoy en el mundo.
En 1910 trabajan con el método de contacto el 20% de las fábricas de sulfúrico; en 1939, el 27%
(en Alemania el 47%); en 1950, el 68% / en Estados Unidos el 75%):
Ácido Sulfúrico
1.
Propiedades
El ácido sulfúrico del 100% (H2SO4) es a temperatura ambiente un liquido incoloro e inodoro,
claro como el agua y denso, oleoso. Tiene un punto de fusión de 10ºC y un punto de
ebullición de 338ºC, pero a esta temperatura se desprende algo de SO3, por lo que el
contenido ácido disminuye hasta 98,3%.
El ácido sulfúrico es miscible con agua en todas las proporciones y con fuerte desprendimiento
de calor. La dilución no es solamente un proceso físico, sino también químico: se forman
primeramente hidratos, de los que los más conocidos son el monohidrato (H2SO4— H2O), el
dihidrato (H2SO4—
2H2O) y el tetrahidrato (H2SO4—
4H2O). Mientras que estas
denominaciones científicas se refieren al H2SO4, existen también denominaciones técnicas que
se derivan del SO3, es decir, el anhídrido del ácido sulfúrico. Así, se denomina a veces
monohidrato al ácido sulfúrico del 100% (SO3 + 1 H2O = H2SO4).
Al diluir no se debe añadir nunca agua sobre el ácido sulfúrico concentrado, sino que se añade
el ácido lentamente y con buena agitación sobre el agua.
Por otra parte, el ácido sulfúrico puede absorber grandes cantidades de SO3. El SO3, trióxido
de azufre, es el anhídrido del ácido sulfúrico. Es un compuesto cristalino que sublima ya a
temperatura ambiente, por lo que hay que conservar el recipiente cerrado.
27
A pesar de ser el anhídrido del ácido sulfúrico reacciona difícilmente con agua, pues no es
mojado por ella. Sin embargo, se disuelve fácilmente en ácido sulfúrico concentrado. Una
disolución de SO3 aparece como una sustancia oleosa a la que, por ello, se denomina oleum.
El contenido de SO3 se representa numéricamente y, por ejemplo, oleum 20 significa que el
ácido sulfúrico contiene un 20% de SO3 disuelto. El trióxido de azufre se desprende
fácilmente de la disolución, ya que es volátil a temperatura ambiente. Si se abre un frasco
de oleum, se desprende enseguida un humo blanco de SO3, por lo que el oleum se llama
también “ácido sulfúrico fumante”.
El ácido sulfúrico concentrado y sobre todo el oleum atacan a muchas sustancias orgánicas,
especialmente hidratos de carbono, grasas, albúminas, entre otros. El ataque es enérgico y
a veces con carbonización o incluso (con oleum) combustión con producción de llama. Es
claro que el ácido sulfúrico concentrado ataca la piel y que el oleum provoca heridas y
quemadoras peligrosas.
La acción ácida del sulfúrico concentrado es pequeña; se le puede almacenar y transportar en
recipientes de fundición, pues el hierro no resulta atacado. Cuando se diluye con agua
refuerza la acción ácida y el acero de fundición se ataca por debajo de 65ºC. El sulfúrico
diluido ataca a todos los metales no nobles, con menor o mayor facilidad, formando sulfatos.
De los metales no nobles el plomo es especialmente resistente frente a ácido sulfúrico, pues
resiste el sulfúrico de hasta 80% a temperaturas de 90ºC. Por esto, se puede emplear el
plomo en la fabricación de sulfúrico por el método de cámaras y como material de
construcción para tuberías de conducción de ácido sulfúrico diluido en frío.
La acción oxidante del ácido sulfúrico es pequeña. En caliente disuelve lentamente al cobre,
reduciendose a dióxido de azufre:
∆
Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + 2H2O + SO2
2.
Aplicaciones
De entre sus muchas aplicaciones mencionaremos algunas:
Industria de Abonos: para disgregar los fosfatos, preparación de sulfatos, etc.
Industria Orgánica: para preparar productos intermedios (para sulfurar, como ácido de
nitración, en mezclas con ácido nítrico, etc.)
Industria de Soda Artificial: en baños de preparación, etc.
Otras Industrias y Usos Técnicos (para limpiar, acidular, acumuladores, como
deshidratante, etc.)
3.
Métodos de Fabricación Ácido Sulfúrico
3.1 Cámaras de Plomo
El primer método para la fabricación en gran escala de ácido sulfúrico es el método de las
cámaras de plomo. Se basa en lo esencial, en que el dióxido de azufre purificado se oxida a
ácido sulfúrico con ayuda de gases nitrosos, que actúan como transportadores de oxígeno, y
en presencia de agua:
28
H2SO4+N
HN
Ag
Ag
Torre de Gay
Torr
e de
Glo
Tanq
Ácido de
Método de las Cámaras
2 SO2 + O2 + 2 H2O → 2 H2SO4
El dióxido de azufre se hace entrar por debajo en una torre de absorción con material de
relleno (Torre de Glover) desde cuya parte superior desciende, procedente de la torre 5 (Torre
de Gay-Lussac), ácido sulfúrico del 78% cargado con vapor nitroso (NO2, N2O3). El SO2
caliente arrastra estos gases y llega a las cámaras de plomo (2, 3 y 4) en las que se inyecta
desde arriba agua pulverizada. Las cámaras de plomo son espacios de reacción revestidos
con planchas de plomo, como protección contra la corrosión. En ellos tienen lugar las
reacciones que, de manera simplificadas pueden representarse por la siguiente ecuación:
SO2 + NO2 + H2O →
H2SO4 + NO
El ácido forma así, ácido de cámaras, fluye al depósito (6). Tiene una concentración del 6063%. Si se le quiere llevar a concentración superior, se le evapora en cápsulas de plomo que
se pueden utilizar hasta llegar a un ácido de 80%. Para obtener ácido de 98% se empleaban
antes cápsulas de platino que han sido desplazadas por ferrosilicos, que es resistente a los
ácidos.
E la última cámara sale el gas residual que ya no contiene SO2, sino solamente el aire en
exceso, el NO formado en la reducción y el nitrógeno. Este gas llega a la torre de Gay-Lussac
(5), donde se le rocía con ácido sulfúrico del 78% con inyección adicional de aire para oxidar
completamente el NO a NO2. Se añade el ácido sulfúrico algo de ácido nítrico para compensar
las inevitables pérdidas de óxidos de nitrógeno. Los óxidos de nitrógeno regenerados y
disueltos en ácido sulfúrico vuelven a la torre de Glover. Por lo tanto, se les puede llamar
justamente transportadores de oxígeno. Sin embargo, no es correcto designar el proceso
como una reacción catalítica y a los gases nitrosos como estabilizadores; antes bien, es una
reacción normal que transcurre estequiométricamnte.
3.2 Método de las Torres
El método de las torres supone la mejora del método de cámaras. En lugar de las amplias
cámaras vacías, las torres tienen un espacio interior angosto y además contienen relleno. La
reacción tiene lugar en un rociado simultáneo de los gases de reacción con ácido sulfúrico
caliente. Al comienzo de la serie de torres hay una torre de Glover que cede gases nitrosos al
SO2 y al final hay otra de Gay-Lussac en la que son absorbidos los gases nitrosos en ácido
sulfúrico, después de haber sido
oxidados en una torre de regeneración conectada
previamente.
29
3.3 Método de Contacto
En este método, el dióxido de azufre se oxida directamente con oxígeno de aire, en un
catalizador (vanadato de potasio sobre dióxido de silicio como portador)
y con
desprendimiento de calor:
2 SO2 + O2
→ 2 SO3 + 45,2 Kcal
La reacción es reversible, ya que el SO3 (trióxido de azufre) se descompone de nuevo por
encima de 600 ºC. La temperatura mínima de trabajo del catalizador y, por lo tanto, lo que
hay que emplear por lo menos es de 400ºC. En la práctica se opera a temperaturas de entre
400 y 500 ºC.
De todos modos los métodos de producción de ácido sulfúrico, el método de contacto es con
mucho el de mayor importancia, por lo que se tratará posteriormente con mayor detalle.
3.4 Método del Dióxido de Azufre
En los países que disponen de azufre se utiliza el elemento mismo para la fabricación de
dióxido de azufre, quemándolo en hornos rotatorios con abundante entrada de aire. Este es
el caso de Estados Unidos, donde la fabricación de ácido sulfúrico se funda desde hace tiempo
en más del 80% en la combustión de azufre. Donde no se dispone de azufre, se hace uso de
la tostación de minerales sulfurados,
en la que se obtiene gran cantidad de SO2.
Principalmente, se emplea pirita (FeS2) como materia prima.
El proceso de tostación se lleva a cabo en diferentes tipos de horno. Es exotérmico, es decir,
tiene lugar con desprendimiento de calor, por lo que cuando se ha encontrado una carga en el
horno la combustión continúa mientras se sigue añadiendo materia prima.
Está muy extendido el empleo de hornos de tubo giratorio, en los que la pirita se carga por el
extremo superior, mientras que por el extremo inferior se introduce aire en exceso.
En lugar de hornos rotatorios se emplean también hornos de pisos que consisten en una
cámara recubierta de material refractante en la que hay platos concéntricos uno sobre otro y
con orificios de caída. Sobre cada plato gira un rastrillo que conduce el material al agujero
de caída. La zona de combustión se encuentra entre el primer y el segundo tercio inferior.
Allí se quema el sulfuro, por debajo entre la corriente de aire. La parte superior del horno
sirve para recalentar la pirita hasta la temperatura de combustión y la parte inferior sirve para
el enfriamiento de las “cenizas”.
3.5 Método de tostación en Leche fluido
En una vasija cilíndrica de acero, revestida de material refractario, se pone el material a
tostar sobre una parrilla de malla muy fina y en cuanto se enciende la pirita se sopla desde
abajo una fuerte corriente de aire que, de una parte, mantiene la combustión y, de otra,
levanta los finos granos de pirita y los mantiene flotando. De esta manera, la Pirita queda
rodeada de aire por todas partes y se quema rápida y completamente.
30
4.
Proceso de Producción: Método de contacto
♦ Purificación del Gas
En todos los métodos de fabricación de ácido sulfúrico es preciso purificar el dióxido de
azufre bruto. Una purificación grosera tiene lugar en cámaras de polvo, en la que la
corriente de gas se frena súbitamente y las partículas de polvo se depositan. Mejor
desempolvado se consigue con ciclones, pues posibilitan la eliminación del 80% del polvo
frente a sólo el 50% en las cámaras de polvos.
En los métodos de cámaras de plomo y de torres, el desempolvado tiene principalmente por
objeto la eliminación de impurezas para que no se incorporen al ácido sulfúrico, por lo que
es suficiente una purificación relativamente simple de los gases.
En el método de contacto, las impurezas, especialmente el arsénico, actúan como venenos
del catalizador y, por ello, se requiere una purificación especialmente fina. El gas se
purifica primeramente en un electrofiltro y luego se purifica y enfría en dos torres en las que
se inyecta ácido sulfúrico pulverizado. A continuación se elimina el arsénico en otro
electrofiltro y finalmente se seca el gas pasándolo por otra torre rociada con ácido sulfúrico
de alta concentración.
♦ Oxidación
La oxidación tiene lugar en el horno de contacto. Como ya se ha dicho, se emplea como
contacto vanadato de potasio sobre dióxido de silicio como portador. Los hornos de
contacto se construyen de diversos modos. Existen hornos de contacto tubulares, en los
que el catalizador se carga en tubos que se disponen concéntricamente en el espacio
disponible. El gas de tostación sube lamiendo primero la pares exterior de los tubos, y una
vez calentado de este modo penetra en el interior de los tubos y se pone en presencia del
contacto. Otros hornos tienen parrillas dispuestas en pisos, sobre las que se coloca el
catalizador.
Tiene gran importancia para la oxidación el control térmico del horno, lo que requiere la
presencia de cambiadores de calor adecuados. La temperatura de reacción no debe ser
inferior a 400 ºC, ni superior a 600 ºC. En general, una instalación dispone de tres hornos
de contacto, cada uno de los cuales tiene conectado en cabeza un cambiador de calor (7 y
8), en el que se precalienta el gas de tostación purificado. El proceso transcurre de 430 a
500 ºC, así que se obtiene un rendimiento de casi el 100%. En el primer horno se
mantiene una temperatura de 450 ºC, en el segundo 500 ºC y en el tercero de 450 ºC.
• Absorción
El gas de reacción que contiene ahora el trióxido de azufre se lleva a las columnas de
absorción (9 a 12). Aunque el SO3 es el anhídrido del ácido sulfúrico, no se le puede hacer
reaccionar con agua, pues ésta no lo moja. Por el contrario, se puede absorber muy bien
en ácido sulfúrico concentrado, en el que se disuelve fácilmente con formación de oleum,
con mayor o menor contenido en SO3.
31
• Mezclado y Destilación
Para producir ácido más diluido, el concentrado se deja fluir sobre la cantidad necesaria de
agua, con refrigeración y agitación simultánea.
No se debe diluir con agua en ningún caso, pues esto traería como consecuencia una
violenta explosión. El oleum se diluye mezclándolo con la cantidad necesaria de ácido
sulfúrico de 80 - 90% hasta llegar a sulfúrico puro, exento de oleum y después se diluyen
con agua en la forma descrita arriba hasta la concentración deseada.
Por destilación de oleum del 25% se obtiene trióxido de azufre puro. Es conveniente
regular la temperatura del agua de refrigeración de modo que el trióxido de azufre
condense en estado líquido y sea recogido así (p.f. 16,8; p.e. 44°C).
• Obtención de Ácido Sulfúrico a partir de Sulfato de Calcio
Merece mencionarse el método de fabricación de ácido sulfúrico a partir de yeso que se
conoce hace unos 50 años. En ese método se parte de anhidrita (CaSO4) que se reduce con
coque, formándose primero CaS que en una segunda fase reacciona con más sulfato de
calcio, con formación de CaO y SO2:
2CaSO4 + 2 C → 2 CaO + 2 SO2 + 2 CO
La reacción tiene lugar a elevada temperatura en un horno rotatorio largo, con adición de
arcilla (aluminosilicatos), óxido de hierro y cuarcita (SiO2), con objeto de ligar el CaO
liberado en la reacción con formación de cemento. El proceso resulta de interés económico
merced a este acoplamiento con la fabricación de cemento y se emplea en países que
necesitan ácido sulfúrico pero no disponen de azufre ni minerales sulfurados. El SO2 que
se desprende se emplea para la fabricación de ácido sulfúrico.
5. Ácido Sulfúrico en el Comercio
Se distingue entre ácido sulfúrico impuro, ácido técnicamente puro y ácido químicamente
puro.
La concentración de los productos comerciales se expresa en tanto por ciento de H2SO4 o
SO3, o se da la densidad o los grados Beaumé.
32
FABRICACIÓN DE PAPEL
La celulosa es una sustancia blanca, que se presenta en forma de fibras y es el constituyente
universal de la pared celular de los vegetales. Se emplea en la fabricación del papel, siendo la
madera su fuente principal. El 90% de la producción mundial de papel proviene de la celulosa.
El papel es una materia afieltrada constituida por un entramado de fibras de celulosa. Este
entramado se prepara depositando fibras celulósicas, en suspensión en agua, sobre una tela
metálica fina. El agua escurre a través de la tela mientras que las fibras se depositan en ella y
forman el entramado. Una vez prensado y secado, este entramado constituye el papel.
El gran desarrollo de la industria del papel se debe a dos razones:
1.
2.
Económicamente se debe a la relación utilidad / precio, que lo hace insuperable ante otros
materiales.
La preocupación por el medio ambiente y el mejor aprovechamiento de los recursos, se debe
a que es un producto natural, reciclable, y biodegradable.
Nuestro país ha sido un importante productor de papeles y sus derivados, debido a la gran
cantidad de bosques y áreas de explotación forestal. Sin embargo, la falta de previsión ha
determinado la disminución de bosques nativos y la contaminación de los recursos agua, suelo y
aire del entorno industrial maderero. Chile es uno de los países con más alto porcentaje de
parques y reservas respecto de su superficie y número de habitantes. Gracias al proceso de
fotosíntesis, los árboles de nuestro país absorben 43 millones de toneladas de dióxido de carbono
y retornan a la atmósfera 32 millones de toneladas de oxígeno.
Los recursos provenientes de los bosques, que contribuyen al bienestar humano son numerosos
como por ejemplo: Maderas (pulpa y celulosa); Savias (caucho, gomas y resinas); Cortezas
(corcho y especias); Hojas (alimento, té, y principios químicos activos) y Semillas (alimento).
La industria del papel consume enormes cantidades de madera cada año. Para fabricar una
tonelada de papel se requiere cortar 17 árboles y en el proceso se generan 30 kilogramos de
contaminantes atmosféricos. El proceso consiste básicamente en:
descortezado
almacenamiento
trituración
batido
Cocinado
y
digestión
laminado
pulpa
Hoja de
papel
Lavado y
cernido
Comprimido
y secado
escurrido
embobinado
Colorantes y
encolantes
Los Sulfatos de Aluminio y de magnesio, se utilizan en la fabricación de papel en conjunto con
resinas llamadas encolantes, proporcionándole al papel resistencia a la penetración por el agua y
unas buenas condiciones para fijar los colores.
El papel es biodegradable, su periodo de descomposición varía entre 3 semanas y 2 meses.
33
Fabricación de vidrio.
El vidrio es un sólido amorfo, que carece de ordenaciones moleculares definidas, e incluso se le
considera un líquido sobre enfriado. Se trata de un sólido, pero sus moléculas están
desordenadas, como en un líquido, manteniendo la cohesión necesaria que le proporciona rigidez
mecánica. El vidrio, por lo general, no tiene un punto de fusión definido y al ser calentado pasa
progresivamente por etapas de ablandamiento en un amplio rango de temperatura.
El vidrio, al carecer de una estructura ordenada, cuando se rompe lo hace en diferentes
direcciones, formando superficies redondeadas y bordes dentados.
En la siguiente tabla se muestran las composiciones típicas de los vidrios más producidos,
mostrándose los porcentajes en peso de los compuestos químicos que los constituyen.
La fabricación de vidrio y de productos de vidrio consta fundamentalmente de tres etapas:
1. Mezclado de materias primas y/o vidrio reciclado, las materias primas son adecuadamente
dosificadas según el producto que se quiera elaborar.
2. Fusión. Actualmente, el proceso se realiza en crisoles o calderos de hasta 1.000 toneladas de
capacidad, para vidrio fundido en hornos calentados a gas, fuel-oil o electricidad.
3. Moldeo o conformación. A partir del cual se pueden obtener diferentes tipos de vidrio: Vidrio
hueco (botellas, vajilla de mesa, artículos de laboratorio, etc.); Vidrio plano (vidrios grabados,
vidrios aislantes, vidrios térmicos y metalizados); Fibra de vidrio; Tubo de vidrio; Fritas (usada
en el enlozado de productos de hierro y acero como en el vitrificado de porcelanas y
cerámicas).
34
Son innumerables las aplicaciones que damos al vidrio, sin embargo, en el proceso se generan
residuos indeseables considerados contaminantes:
Las emisiones generadas en cada una de las etapas del proceso productivo son:
Emisiones de material particulado, ocasionadas por manipulación de materias primas de origen
mineral finamente molidas. Se generan residuos sólidos durante las operaciones de recepción de
materias primas, como en el traslado de las mismas dentro de la fábrica. Estos se producen en
general debido al derrame durante operaciones de manipulación y trasvasije.
En la fusión de las materias primas es cuando se produce la mayor cantidad de emisiones
atmosféricas, estas consisten tanto en material particulado, como de gases, las cuales están
asociadas al funcionamiento de los hornos de fundido. El material particulado puede contener
metales pesados (arsénico, plomo, cadmio, etc.), dependiendo de las materias primas utilizadas.
Los gases emitidos consisten principalmente de óxidos de nitrógeno (NOx), los que se forman
debido a las altas temperaturas alcanzadas en el horno y a la presencia de nitrógeno tanto en el
aire de combustión como en las materias primas en fusión. También son emitidos óxidos de
sulfuro (SOx), formado principalmente a partir del azufre contenido el combustible, y en menor
medida en las materias primas. Como regla general se puede suponer que todo el nitrógeno y
azufre contenido tanto en las materias primas como en el combustible, es emitido en la forma de
NOx y SOx.
Los residuos sólidos asociados al proceso de fundición, corresponden principalmente al material
particulado captado por los equipos secos de control de emisiones atmosféricas (filtros de manga
y precipitadores electrostáticos). Si se utilizan equipos húmedos de control de gases (scrubber o
venturi scrubbers) para abatir las emisiones de SOx, se pueden generan tanto residuos sólidos
como líquidos. Los residuos sólidos se generan al evaporarse el agua contenida en el líquido de
lavado, el cual consiste en carbonato de sodio disuelto en agua.
Durante las operaciones de formado de envases, se producen emisiones de COV y material
particulado, producto de la descomposición del lubricante del molde al entrar éste en contacto con
la gota de vidrio fundido. También se producen emisiones gaseosas, al limpiar el molde de su
recubrimiento de grafito, lo que se hace aplicándoles 1,1,1 – tricloroetano el que se evapora
rápidamente a la atmósfera.
Material particulado y residuos sólidos se generan de los procesos de acabado con arranque de
viruta (pulidos, arenados, esmerilados y otros). Se genera material particulado y gases en los
procesos de esmaltado donde es necesario horneado de la pieza. Se generan emisiones de COV
en los procesos de pintado donde se utilizan compuestos orgánicos. Residuos líquidos pueden ser
originados de las operaciones de decorado con ácido.
Se generan emisiones de material particulado durante las operaciones de molienda de scrap, la
que es en seco.
Ventajas de los envases de vidrio respecto de los de plásticos. Los envases de vidrio: son
retornables y reciclables, lo que permite reducir considerablemente la basura. Reducen costos, ya
que el reciclado ahorra un 30% de energía, y los vidrios son infinitamente reciclables. Las botellas
se pueden rellenar unas 15 veces antes de ser necesario fundirlas para hacer otras nuevas.
Además, son los únicos envases inocuos a su contenido, su producción es menos contaminante.
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FABRICACIÓN DEL CEMENTO
La caliza, cuyo componente fundamental es el CaCO3, y en menor proporción MgCO3, es la
materia prima de la que se obtienen diferentes compuestos de calcio necesarios en la industria
química. Además es utilizada para obtener la cal hidráulica y el cemento Portland, utilizados en la
construcción.
El cemento Portland es obtenido, calentando una mezcla pulverulenta de caliza y arcilla en
proporción adecuada, a altas temperaturas, aprox. 1.500 °C, enfriando y moliendo el producto
resultante.
Las arcillas se les considera a una serie de minerales formados por polímeros de sílice (SiO2)
hidratada y alúmina (Al2O3) hidratada, su principal uso es en la fabricación de cerámicas (ladrillos,
tejas, loza, porcelana, refractarios, etc).
Polpaico posee una capacidad instalada de 2,7 millones de toneladas anuales de cemento, distribuida en
tres plantas ubicadas en el país, en el norte (Planta Mejillones con 300 mil toneladas), centro (Planta
Cerro Blanco con 1,6 millones de toneladas) y sur (Planta Coronel con 800 mil toneladas). Entre la
variedad de cementos que Polpaico produce, destacan el Cemento Especial, el Cemento P-400, el
Cemento de Alta Resistencia Inicial, ARI, el Cemento Portland y otros de producción específica.
La fabricación de cemento es una actividad industrial de procesado de minerales, la cual se divide
en tres grandes etapas:
1. Obtención, preparación y molienda de materias primas (caliza, marga, arcilla, pizarra, etc)
2.
3.
que aportan los siguientes compuestos minerales: Carbonato de calcio (CaCO3), óxido de
silicio (SiO2), óxido de aluminio (Al2O3) y óxido de hierro (Fe2O3). Se obtiene una mezcla en
forma de polvo de los minerales denominada crudo o harina.
Cocción del crudo en hornos rotatorios hasta alcanzar una temperatura del material cercana a
los 1450°C, para ser enfriado bruscamente y obtener un producto intermedio denominado
clínker.
Molienda del clínker con otros componentes: yeso (regulador de fraguado) y adiciones
(escorias de alto horno, cenizas volantes, caliza, puzolanas), para dar lugar a los distintos
tipos de cemento.
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TEST EVALUACIÓN-MÓDULO 30
1.
En el proceso de electro-refinación del cobre se cumple:
I.
II.
III.
El cátodo es una plancha de cobre blister.
El ánodo de cobre se disuelve.
El cobre electrolítico se extrae del cátodo.
Es(son) verdadera(s)
A) sólo
B) sólo
C) sólo
D) sólo
E) I, II
2.
I
II
III
II y III
y III
De las siguientes afirmaciones, la falsa es
A) el hierro puro posee más resistencia a la corrosión que el acero corriente.
B) los barros anódicos están formados de metales preciosos.
C) los aceros contienen en general menos de 1,7 % de carbono.
D) el hierro de fundición contiene aproximadamente 95% de Fe y 4% de C.
E) el H2SO4 es poco consumido en la industria química.
3.
En el proceso de lixiviación empleado en la obtención del cobre, es verdadero que
A) se
B) se
C) se
D) se
E) se
4.
utilizan minerales sulfurados de cobre.
utiliza antes del proceso de chancado de los minerales.
utiliza ácido sulfúrico.
utiliza después del proceso de flotación.
utiliza después del proceso de extracción por solvente.
Chile es el primer productor mundial de litio y posee grandes reservas de este metal.
Respecto de este elemento no es correcto que
A) su comercialización se realiza principalmente mediante sales de litio.
B) se extrae del Salar de Atacama en forma metálica.
C) se utiliza en la industria del vidrio en la producción de aluminio.
D) se emplea en la producción de pilas y espejos de telescopios.
E) no es un subproducto de la obtención del cobre.
5.
Para mejorar la resistencia a la corrosión del acero, este se reviste con metales como el Zn, Al
y el Mg. En este mecanismo de protección, es falso que
A) provee protección galvánica.
B) actúa como pasivador del metal base (acero).
C) posee un inhibidor contra la oxidación (imprimante).
D) posee una barrera impermeable (sellantes).
E) en el largo plazo resulta poco económico.
37
6.
El ácido sulfúrico es un líquido denso, oleoso, altamente corrosivo, que disuelve muchos
metales y sustancias. En consecuencia, es utilizado en
I.
II.
III.
la lixiviación de los minerales oxidados de cobre.
la obtención de aceros aleados.
la obtención de coque.
Es(son) verdadera(s)
A) sólo I
B) sólo II
C) sólo III
D) sólo I y II
E) todas
7.
La obtención del salitre, comienza con la extracción del caliche a rajo abierto de los
yacimientos de la pampa. Uno de sus usos principales es como fertilizante nitrogenado, que
puede reemplazar a la urea. Otros usos serían
I.
II.
III.
en la industria de los explosivos.
en la fabricación de vidrios.
como preservativo de alimentos.
De estos usos, es (son) correcto(s)
A) sólo
B) sólo
C) sólo
D) sólo
E) I, II
8.
I
II
III
I y II
y III
En la minería del cobre, el proceso de flotación se realiza para
I.
II.
III.
aumentar la concentración del cobre.
obtener directamente un cobre blister.
recuperar el molibdeno.
Es(son verdadera(s)
A) sólo
B) sólo
C) sólo
D) sólo
E) I, II
I
II
III
I y III
y III
38
9.
En el alto horno, el coque agregado desempeña las siguientes funciones:
I.
II.
III.
Producir CO para reducir los óxidos de hierro.
Eliminar las impurezas del arrabio.
Alcanzar elevadas temperaturas para fundir los productos.
De estas funciones, es (son) correcta(s)
A) sólo
B) sólo
C) sólo
D) sólo
E) sólo
I
II
III
I y II
I y III
10. Las reacciones principales en la obtención de H2SO4 por el método de contacto son:
I.
II.
2 SO2 + O2 + catalizador → 2SO3 + 45,2 Kcal
SO3 + H2O → H2SO4
De estas reacciones es correcto deducir que
A) el
B) la
C) el
D) el
E) el
O2 se oxida.
reacción II, es del tipo redox.
H2O es un agente oxidante.
SO2 es un reductor.
SO3 se oxida.
DSIQM30
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