Metalurgia: Destilación del Zinc

Industriales. Desarrollo. Resistencia. Dureza. Pirometalurgia

  • Enviado por: Jéssica Vega
  • Idioma: castellano
  • País: Chile Chile
  • 14 páginas
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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)

La cual se obtiene por medio de la aplicación de Ley de Hess a las próximas dos reacciones:

Tabla nº1

Reacción

G º Joule

Rango Tº (K)

C(s) + ½ O2(g) = CO(g)

-111.70 - 87.65 T

298 - 2500

Zn(g) + ½ O2(g) = ZnO(s)

-482.92 - 18.80 T lnT + 344.7T

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

CANTIDAD (%)

S

1.2

Fe

2.2

SiO2

5.1

CaO

0.4

Al2O3

0.5

MgO

0.2

As

0.081

Sb

0.02

Cu

1.3

Ag

39

Au

0.2

Pb

11.3

Fe3O4

-

Zn

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)

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

CALOR DE SUBLIMACIÓN A 25ºC KJ MOL-1

S

---

Fe

398.6

Si

450.1

Ca

176.2

Al

321.9

Mg

146.5

As

4As + 118.1 KJ

Sb

---

Cu

341.2

Ag

284.2

Au

378.9

Pb

377.2

Zn

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

Tº EBULLICIÓN (C)

S

44.6

Fe

3000

SiO2

2230

CaO

2850

Al2O3

2210

MgO

3600

As

Sb

1380

Cu

2300

Ag

1950

Au

Pb

1620

Fe3O4

-

Zn

907

ZnS

-

ZnO

-

CO

-192

CO2

-78.5

O2

-112

SO2

-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

Tº FUSIÓN (C)

S

120

Fe

1535

SiO2

1710

CaO

2570

Al2O3

1999 - 2032

MgO

2800

As

Sb

630.5

Cu

1083

Ag

960.5

Au

Pb

327.5

Fe3O4

1538

Zn

419.4

ZnS

1020

ZnO

1800

CO

-207

CO2

-56.6

O2

-251

SO2

-75.5

En esta tabla se da la temperatura a la cual ocurre la transformación de fase sólida a una fase líquida.

Tabla nº6

COMPUESTO

CALOR DE FUSIÓN (cal/mol)

S

Fe

3560

SiO2

3400

CaO

12240

Al2O3

26000

MgO

18500

As

6620

Sb

4770

Cu

3110

Ag

2700

Au

3030

Pb

1224

Fe3O4

-

Zn

1595

ZnS

4000

ZnO

4470

CO

200

CO2

1900

O2

106

SO2

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

CALOR DE VAPORIZACIÓN (cal/mol)

S

2200

Fe

84600

SiO2

-

CaO

Al2O3

-

MgO

As

31000

Sb

46670

Cu

72810

Ag

60720

Au

81800

Pb

42060

Fe3O4

-

Zn

27430

ZnS

-

ZnO

-

CO

1444

CO2

6030

O2

1629

SO2

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

S G

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

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.

Metalurgia: Destilación del Zinc

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.