Metalurgia: Destilación del Zinc

INTRODUCCIÓN
El Zinc al ser un metal importante debido a una alta resistencia a la corrosión y una dureza moderada, se
utiliza principalmente como una capa protectora de piezas de acero, y para producir ciertas aleaciones, de las
cuales la más importante es la de Cobre.
La obtención del Zinc, se realiza por procesos hidrometalurgicos, mediante lixiviación. Otro método utilizado
es a través de la Pirometalurgia, mediante el proceso de destilación, el cual consiste en la separación de los
constituyentes de una mezcla líquida por una vaporización parcial de la mezcla y recuperando separadamente
vapor y residuos.
En general es el término aplicado al proceso de vaporización, en donde el vapor rondante es recuperado
usualmente por condensación. Esta operación se realiza calentando los minerales en un horno en el cual el aire
no tiene acceso, recogiendo y condensando los vapores desprendidos en el horno.
Para lograr la destilación es necesario conocer algunas propiedades de los minerales a destilar, tal como el
calor de sublimación, la cual cubre los cambios físicos encontrados por una sustancia en el paso de una fase
sólida a una gaseosa y vuelta a una fase sólida. Esto se caracteriza por una ausencia de fase líquida.
SÓLIDO ! GAS ! SÓLIDO
La temperatura a la cual la presión de vapor del sólido se iguala a la presión total de la fase gaseosa en
contacto con él, es definida como punto de sublimación, la que es usada para la purificación y también se
puede utilizar para formar una estructura cristalina en particular.
Por ende este informe trata sobre el calor de sublimación y el cómo afecta para realizar el proceso de
destilación.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
El Zinc en estado metálico no se encuentra en la naturaleza, por ello su producción consta en tostar una mena
de Sulfuro de Zinc a Óxido de Zinc, mediante la reacción química:
ZnS + 3/2 O2 ! ZnO + SO2 (1)
Luego termodinámicamente en equilibrio esta reacción es representada mediante la recta:
Ln PSO2 = 3/2 Ln PO2 − GT / RT (2)
El Zinc se produce como un vapor y la condensación rinde metal de 98% de pureza.
El Zinc es un metal de óxido difícil de reducir, ya que, su temperatura de ebullición de 906 ºC es menor que la
temperatura de reducción, por ello se considera la reducción de ZnO en un sistema ternario, debido a que los
productos CO y Zn son gaseosos, lo que se muestra en el cambio de pendiente de la recta del ZnO en el
diagrama de Ellingam (ver Apéndice [A1] ).
La reducción de óxido de Zinc se rige mediante la reacción:
ZnO + CO ! Zn (g) + CO2 (3)
1
La cual se obtiene por medio de la aplicación de Ley de Hess a las próximas dos reacciones:
Tabla nº1
Reacción
C(s) + ½ O2(g) = CO(g)
Zn(g) + ½ O2(g) = ZnO(s)
G º Joule
−111.70 − 87.65 T
−482.92 − 18.80 T lnT + 344.7T
Rango Tº (K)
298 − 2500
1170 −2000
Para realizar este análisis se ha tomado una muestra de gases que son generados por el horno eléctrico que
procesa las escorias del Convertidor Teniente en la fundición y refinería de Ventanas.
Un estudio realizado a estos gases muestra su composición (tabla nº2) y con ello se demuestra la gran cantidad
de partículas de Zinc que hay presentes, por lo que se hace necesario una recuperación de este mineral para
una futura venta y menor contaminación.
Tabla nº2
COMPUESTO
S
Fe
SiO2
CaO
Al2O3
MgO
As
Sb
Cu
Ag
Au
Pb
Fe3O4
Zn
CANTIDAD (%)
1.2
2.2
5.1
0.4
0.5
0.2
0.081
0.02
1.3
39
0.2
11.3
−
56.9
Para que el carbono logre reducir al óxido de zinc se debe satisfacer simultáneamente las reacciones:
ZnO + CO ! Zn(g) + CO2 (3)
CO2 + CO ! 2CO (4)
Luego para la reducción del óxido de zinc con carbono las cantidades de átomos de zinc y oxigeno son
iguales, lo que hace que las presiones de zinc, óxido de carbono y dióxido de carbono estén relacionadas
como:
PZn = PCO + 2PCO2 (5)
Donde la constante de equilibrio K queda:
K = PCO2 PZn / PCO (6)
2
El conocer esta constante sirve para relacionar el hecho que para la reducción la presión de CO2 es mínima al
compararla con la presión de CO, así para una presión total de 1 atmósfera la más baja a la cual se puede
producir óxido de zinc por medio de carbono sólido. Por otra parte para lograr obtener las temperaturas de
reducción para el Zn es necesario combinar las constantes de equilibrio de las ecuaciones (3) , (4) y (5), donde
se obtiene
K2 = (PCO)2 = PCO2 (7)
PCO2 K1
Luego para poder obtener los puntos de sublimación es necesario conocer el punto triple (Apéndice [ A2 ] ),
en donde se intersecan las curvas de sólido, gas y líquido, donde la pendiente de la curva, se debe al hecho de
que el calor necesario para hacer pasar un mol de la fase condensada a la fase vapor ha de incluir el calor para
fundir y el calor para evaporar. La suma de estos calores se llama calor de sublimación, que puede hallarse
por la pendiente de la línea de presión de vapor del sólido. La diferencia en las pendientes de las líneas de
presión de vapor del sólido y del líquido en estado de sobrefusión se encuentra fácilmente, esta diferencia
multiplicada por el calor latente de la sustancia de referencia a la misma temperatura, índica el calor de
sobrefusión del líquido o el calor de fusión del sólido.
Por ello se anexa a continuación tablas con los siguientes datos:
Tabla nº3
MINERAL
S
Fe
Si
Ca
Al
Mg
As
Sb
Cu
Ag
Au
Pb
Zn
CALOR DE SUBLIMACIÓN A 25ºC KJ MOL−1
−−−
398.6
450.1
176.2
321.9
146.5
4As + 118.1 KJ
−−−
341.2
284.2
378.9
377.2
129.3
En esta tabla se da el calor de sublimación para diferentes minerales, es decir el calor necesario y suficiente
para la transformación de sólido a gaseoso.
Tabla nº4
COMPUESTO
S
Fe
SiO2
CaO
Tº EBULLICIÓN (C)
44.6
3000
2230
2850
3
Al2O3
MgO
As
Sb
Cu
Ag
Au
Pb
Fe3O4
Zn
ZnS
ZnO
CO
CO2
O2
SO2
2210
3600
1380
2300
1950
1620
−
907
−
−
−192
−78.5
−112
−10
En esta tabla se da las temperaturas de ebullición de algunos compuestos, es decir la temperatura a la cual
hierve el compuesto en estado líquido a una presión de una atmósfera.
Tabla nº5
COMPUESTO
S
Fe
SiO2
CaO
Al2O3
MgO
As
Sb
Cu
Ag
Au
Pb
Fe3O4
Zn
ZnS
ZnO
CO
CO2
O2
SO2
Tº FUSIÓN (C)
120
1535
1710
2570
1999 − 2032
2800
630.5
1083
960.5
327.5
1538
419.4
1020
1800
−207
−56.6
−251
−75.5
4
En esta tabla se da la temperatura a la cual ocurre la transformación de fase sólida a una fase líquida.
Tabla nº6
COMPUESTO
S
Fe
SiO2
CaO
Al2O3
MgO
As
Sb
Cu
Ag
Au
Pb
Fe3O4
Zn
ZnS
ZnO
CO
CO2
O2
SO2
CALOR DE FUSIÓN (cal/mol)
3560
3400
12240
26000
18500
6620
4770
3110
2700
3030
1224
−
1595
4000
4470
200
1900
106
1769
En esta tabla se presenta el calor en calorías−mol necesario para lograr la transformación de fase sólida a fase
líquida.
Tabla nº7
COMPUESTO
S
Fe
SiO2
CaO
Al2O3
MgO
As
Sb
Cu
Ag
Au
Pb
Fe3O4
CALOR DE VAPORIZACIÓN (cal/mol)
2200
84600
−
−
31000
46670
72810
60720
81800
42060
−
5
Zn
ZnS
ZnO
CO
CO2
O2
SO2
27430
−
−
1444
6030
1629
5960
En esta tabla se presenta el calor necesario en calorias−mol para que se produzca la vaporización, es decir
pasar un líquido a la fase de vapor.
APÉNDICE
[ A1 ]
[ A2 ] MUESTRA DEL PUNTO TRIPLE PARA EL CAMBIO DE FASES.
T
SG
L
P
[ A3 ] VERIFICACIÓN DE QUE LA REACCIÓN SI OCURRE
Reacción G º Joule
C(s) + ½ O2(g) = CO(g) −111.70 − 87.65 T
Zn(g) + ½ O2(g) = ZnO(s) −482.92 − 18.80 T lnT + 344.7T
Por ley de Hess:
C(s) + Zn(g) + ½ O2(g) + ½ O2(g) = CO(g) + ZnO(s) −111.70 − 87.65 T + −482.92
• 18.80 T lnT + 344.7T
C(s) + Zn(g) + 2 O2(g) = CO(g) + ZnO(s) *(−1) −111.70 − 87.65 T + −482.92 *(−1)
• 18.80 T lnT + 344.7T
CO(g) + ZnO(s) = Zn(g) + CO2(g) − 257.05 T + 18.8 T ln T + 594.62
Luego para la temperatura de 960ºC, que es a la cual se interceptan ambas curvas en el diagrama de Ellingam
(Apéndice [A1] ) se obtiene el siguiente valor numérico para la energía de Gibbs, la cual es menor a cero, por
tanto se demuestra que la reacción sí ocurre. G = −151368.35955 joules " 0.
CONCLUSIÓN
6
Finalmente se puede deducir que la recuperación de Zinc es totalmente factible en un horno adecuado para
ello, pero para el caso de la muestra analizada, se observa claramente que el porcentaje encontrado de 56.9%
de mineral es muy poco para su recuperación, ya que se realizara una gasto de energía mayor en comparación
al Zinc obtenido. Esto se verifica al revisar las tablas de datos de calor de sublimación necesarias para que
ocurra el proceso de destilación para cada uno de elementos encontrados en la muestra analizada.
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE METALURGIA
BIBLIOGRAFÍA
1.− Chemical Engineers
Handbook
John Perry
2.− Manual del Ingeniero Químico.
3.− Enciclopedia of Chemical Tecnology
KirK Othmer.
4.− Enciclopedia of Industrial Quemistry
Ullman.
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