balances_metalurgicos_01_2011.pdf

1

PERUNDAC

FACULTADDEINGENIERIAE.F.P.METALURGIA

BALANCESMETALURGICOS


Mg. RubnEdgarPALOMINOISIDRO

2

PERUNDAC



PRINCIPALESPROCESOSYOPERACIONESUNITARIASDELA

METALURGIAEXTRACTIVA

UNIDADI

3

PERUNDAC



INTRODUCCIN La metalurgia comienza

con el descubrimiento pero tambin con la obtencin de los primeros metales.

Algunos metales aparecen en la naturaleza al estado nativo pero otros hubo que obtenerlos por transformacin qumica de sus materias primas naturales.

4

PERUNDAC



Estas operaciones de transformacin configuran la metalurgia extractiva ms primitiva que, a su vez, dio origen a lo que hoy se conoce como metalurgia.

5

PERUNDAC



La metalurgia extractiva es la rama de la metalurgia que partiendo de las menas minerales o de los materiales reciclados, estudia cmo transformarlos en metales, que son sus productos finales.

6

PERUNDAC



La metalurgia extractivaes parte de la metalurgia que estudia los mtodos qumicos necesarios para tratar una mena mineral o un material que se va a reciclar de tal forma que se pueda obtener, a partir de cualquiera de ellos, el metal ms o menos puro, o alguno de sus compuestos.

7

PERUNDAC



Los procesos en metalurgia extractiva caen dentro de uno de estos dos grupos:1. PROCESOS DE VA SECA2. PROCESOS DE VA HMEDA

A los primeros se les conoce, de forma general, como procesos pirometalrgicos y a los segundos como procesos hidrometalrgicos.

8

PERUNDAC



Los procesos de va seca se realizan a altas temperaturasentre productos en estado slido, liquido o gaseoso.

9

PERUNDAC



Los procesos de va hmeda se realizan a travs de reacciones en fase acuosa y a bajas temperaturas.

10

PERUNDAC



DIVISIN DE LA METALURGIA EXTRACTIVAVa secaopirometalurgia Vahmeda ohidrometalurgia

Calcinacin Tostacin

OxidanteSulfatanteCloruranteAglomerante

LixiviacincidaBsicaNeutra

FusinReductoraUltrareductoraNeutraOxidante

Purificaciny/oconcentracinMtodosqumicosconvencionalesCementacinResinas decambiodeinExtraccincondisolventes

VolatilizacinReductoraOxidanteDehalurosDecarbonilos

PrecipitacinElectrlisisCementacinMtodosqumicos

Electrlisis gnea Metalotermia

11

PERUNDAC



CONCEPTOS BSICOS:DE PIROMETALURGIA

Calcinacin. Proceso en la que se descompone un compuesto (carbonato, sulfato, hidrxido, etc.) en sus xidos formadores haciendo uso del calor.

Tostacin. Proceso mediante la cual un sulfuro, al reaccionar con el oxgeno del aire, se transforma en un xido (oxidante o a muerte), en un sulfato (sulfatante), en un cloruro (clorurante), en un xido aglomerado (aglomerante), etc. Proceso previo a la fusin.

12

PERUNDAC



Fusin. Proceso en la que se obtienen, en un horno adecuado, varias fases fundidas: metal, escoria, mata o speiss. Pueden formarse todas o slo alguna de ellas.La fase metlica puede ser un metal no reactivo (y entonces la fusin es reductora), un metal reactivo (y entonces es ultrarreductora), un compuesto ( y es neutra) u otro compuesto en un grado superior de oxidacin (oxidante).

13

PERUNDAC



Por ejemplo, se utiliza para extraer el hierro y el plomo (reductora) o como paso previo en la obtencin del cobre (neutra; fusin a mata).

14

PERUNDAC



Volatilizacin. Proceso que conduce a un metal (reductora), un compuesto (oxidante), un haluro (de haluros) o un carbonilo metlico (de carbonilos) en forma gaseosa.Se utiliza, sobre todo, en la metalurgia extractiva del cinc por va seca; el metal se obtiene como un gas por reduccin del xido.

15

PERUNDAC



Electrlisis gnea o de sales fundidas. Proceso en el que se obtiene un metal a partir de uno de sus compuestos disueltos en un electrlito fundido y utilizando la corriente elctrica como agente reductor.El ejemplo ms significativo es la obtencin del aluminio por electrlisis de la almina disuelta en un bao de criolita fundida.

16

PERUNDAC



Metalotermia. Proceso en la que un metal desplaza a otro de sus compuestos al ser ms reactivo.Un ejemplo clsico es la obtencin del titanio utilizando magnesio para reducir al tetracloruro del primer metal.

17

PERUNDAC



CONCEPTOS BSICOS:DE HIDROMETALURGIA

Lixiviacin. Proceso en el que tiene lugar el ataque qumico, en fase acuosa, del metal valioso contenido en una mena mineral. El que sea cida, bsica o neutra depende del carcter del reactivo qumico utilizado, que a su vez es funcin de la ganga del mineral.

18

PERUNDAC



Purificacin y/o concentracin. Proceso que se realiza sobre la disolucin obtenida en la etapa anterior de lixiviacin.Surge de la necesidad de retirar determinadas impurezas de la disolucin antes de que sta sea sometida a la etapa siguiente de precipitacin.La intensidad en la purificacin depende del metal valioso en disolucin y del mtodo que se vaya a aplicar.Se suele realizar por mtodos qumicos de precipitacin, por cementacin (reaccin de desplazamiento similar a la metalotermia pero en fase acuosa), etc.

19

PERUNDAC



Si las disoluciones son muy diluidas, se pueden realizar operaciones de concentracin, que por ser muy selectivas son tambin purificadoras.

Para ello, se utiliza ampliamente la extraccin con disolventes y el cambio el cambio de in utilizando las resinas adecuadas.

El resultado de esta operacin es la obtencin de una disolucin lista para la etapa siguiente de precipitacin.

20

PERUNDAC



Precipitacin. Se aplica para separar el metal valioso de la disolucin, en forma elemental (casi siempre) o en forma oxidada (en raras ocasiones).Normalmente, se realiza por el paso de una corriente elctrica entre dos electrodos. Un ejemplo tpico es el del cobre.En algunos casos, como en el de las disoluciones cianuradas de oro, se utiliza la cementacin.Tambin es posible utilizar cualquier mtodo convencional dela qumica.Como ejemplo de esta ltima posibilidad, se puede mencionar la cada vez ms utilizada precipitacin de metales, como el nquel y el cobre, con hidrgeno gaseoso a presin y temperatura altas.

21

PERUNDAC



OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS

Es cada una de las acciones necesarias de transporte, adecuacin y/o transformacin de las materias implicadas en un proceso qumico.

OPERACIONES UNITARIAS

22

PERUNDAC



Este concepto fue introducido en 1915 por el profesor Little, del Massachussets Institute of Technology (MIT).

La definicin dada entonces, fue la siguiente: "... todo proceso qumico conducido en cualquier escala puede descomponerse en una serie ordenada de lo que pudieran llamarse OPERACIONES UNITARIAS, como pulverizacin, secado, cristalizacin, filtracin, evaporacin, destilacin... El nmero de estas operaciones bsicas no es muy grande, y generalmente slo unas cuantas de ellas intervienen en un proceso determinado."

23

PERUNDAC



Los procesos qumicos en general y cada operacin unitaria en particular tienen como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma ms til a nuestros fines.

24

PERUNDAC



Este cambio puede realizarse por tres caminos: Modificando su masa o

composicin (reduccin de tamao, separacin de fases, mezcla, ).

Modificando el nivel o calidad de la energa que posee (enfriamiento, vaporizacin, aumento de presin, ...).

Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo su velocidad o su direccin).

25

PERUNDAC



Los tres cambios mencionados son los nicos cambios posibles que un cuerpo puede experimentar.

Un cuerpo est absolutamente definido cuando estn especificadas: Cantidad de materia y composicin. Energa total (interna, elctrica, magntica,

potencial, cintica). Las componentes de velocidad de que est animado.

26

PERUNDAC



Este hecho experimental tiene su expresin matemtica en tres leyes de conservacin: Ley de conservacin de la materia. Ley de conservacin de la energa. Ley de conservacin de la cantidad de

movimiento.

27

PERUNDAC



PROCESOS UNITARIOS

La relacin existente entre el medio natural y la sociedad industrial implica la existencia de un flujo de materia y energa entre ambos.

En la siguiente figura se representa un esquema muy simplificado del marco de relaciones existente desde el punto de vista de circulacin de la materia y energa manufacturadas.

Dentro de este intercambio continuo se diferencia dos tipos de procesos:

PROCESOSNATURALESYARTIFICIALES

28

PERUNDAC



PROCESOS NATURALES, como pueden ser la funcin cloroflica, la accin de plantas y animales o la produccin de alimentos por agricultura.

PROCESOS ARTIFICIALES, que dan como resultado productos que generalmente no se encuentran en la naturaleza.

Los procesos artificiales, son los propiamente denominados PROCESOS QUMICOS.

29

PERUNDAC



CLASIFICACIN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS.

Las operaciones unitarias son de naturaleza fsica. Se dividen en 5 grandes grupos:

1. Flujo de fluidos.2. Transmisin de calor.3. Mezclado.4. Separacin: Destilacin, extraccin, absorcin,

adsorcin, evaporacin, cristalizacin, humidificacin, secado, filtracin y centrifugacin.

5. Manejo de slidos: Compresin, molienda, tamizado y fluidizacin.

30

PERUNDAC



CLASIFICACIN DE LOS PROCESOS UNITARIOS.

Son aquellos que requieren de una o ms operaciones, en las que ocurren transformaciones qumicas.

Los procesos unitarios estn clasificados de acuerdo con el tipo de reaccin qumica involucrada.

Se lleva a cabo por lo general en un reactor. En el texto "The Chemical Process Industries" el

profesor R. N. Shreve clasific los principales procesos unitarios de la siguiente manera:

31

PERUNDAC



1. Combustin2. Oxidacin3. Neutralizacin4. Formacin de silicatos5. Caustizacin6. Electrlisis7. Doble descomposicin8. Calcinacin9. Nitracin10. Esterificacin11. Reduccin12. Amonlisis13. Halogenacin

14. Sulfonacin15. Hidrlisis16. Hidrogenacin17. Alquilacin18. Reaccin de Friede-

Crafts19. Condensacin20. Polimerizacin21. Fermentacin22. Diasotizacin y

acoplamiento23. Pirolisis24. Aromatizacin25. Isomerizacin

32

PERUNDAC



33

PERUNDAC



Proceso de Produccin del Cobre

34

PERUNDAC



Propiedades Intrnsecas de los Procesos de Alta temperatura

Altas tasas de reaccin a alta temperatura. Puede utilizarse una variacin de temperatura para cambiar el

equilibrio de una reaccin. Los sulfuros metlicos pueden utilizarse como combustible. Los flujos involucrados tienen altas concentraciones de metal. Muchos metales fundidos son inmiscibles con las escorias

fundidas. Los metales preciosos son solubles en el metal fundido. Las presiones de vapor son por lo general elevadas a alta

temperatura. Invariablemente todos los procesos pirometalrgicos originan

subproductos gaseosos. Las escorias metalrgicas son relativamente estables en el

ambiente natural.

35

PERUNDAC



Algunas definiciones Inmiscibilidad: Se dice de cada uno de dos o ms

elementos o compuestos que no se mezclan entres.

Solubilidad: Es una medida de la capacidad de unadeterminada sustancia para disolver en un lquido.Puede expresarse en moles por litro, en gramospor litro, o en porcentaje de soluto; en algunascondiciones puede sobrepasarla, denominndosesolucin sobresaturada.La solubilidad de una sustancia depende de lanaturaleza del disolvente y del soluto, as como dela temperatura y la presin del sistema.

36

PERUNDAC



Presin de Vapor: La presin de vapor o mscomnmente presin de saturacin es la presin a laque a cada temperatura las fases lquida y vapor seencuentran en equilibrio; su valor es independiente delas cantidades de lquido y vapor presentes mientrasexistan ambas.En la situacin de equilibrio, las fases reciben ladenominacin de lquido saturado y vapor saturado.El factor ms importante que determina el valor de lapresin de saturacin es la propia naturaleza dellquido, encontrndose que en general entre lquidosde naturaleza similar, la presin de vapor a unatemperatura dada es tanto menor cuanto mayor es elpeso molecular del lquido.

37

PERUNDAC



Escoria: Las escorias son un subproducto de la fundicin de la mena para purificar los metales.Se pueden considerar como una mezcla de xidos metlicos; sin embargo, pueden contener sulfuros de metal y tomos de metal en forma de elemento.Durante la fundicin, cuando la mena est expuesta a altas temperaturas, sus impurezas se separan del metal fundido y se pueden retirar.La coleccin de compuestos que se retira es la escoria.La escoria tiene muchos usos comerciales y raramente se desecha.A menudo se vuelve a procesar para separar algn otro metal que contenga.

38

PERUNDAC



ESTEQUIOMETRIA Se ocupa del estudio de las relaciones de masa, moles

y de volmenes; de gases, en las reacciones qumicas; es decir la estequiometria se ocupa de las relaciones cuantitativas entre los materiales que entran y salen de un determinado proceso.

Las relaciones estequiometricas son muy sencillas y constituyen la base de una amplia variedad de clculos de Ingeniera y los principales principios en los que se basa son:a. Ley de la conservacin de la masab. Ley de los pesos de combinacinc. Ley de los gases

39

PERUNDAC



Muchas de las aplicaciones de estos principios a los procesos metalrgicos son con el propsito de calcular: pesos, volmenes y composicin de los materiales que intervienen en el mencionado proceso.

40

PERUNDAC



LEY DE CONSERVACIN DE LA MASA

En toda reaccin qumica la masa se conserva, esto es, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos.

Es una de las leyes fundamentales en todas las ciencias naturales.

El enunciado ms aplicable es: La ley de la conservacin de la masa menciona que en cualquier reaccin qumica la masa se conserva, es decir la masa no se crea ni se destruye, solo se transforma y permanece invariable.

41

PERUNDAC



Ley de Conservacin en Sistemas Reaccionantes

Los sistemas reaccionantes, adems de cumplir la ley de conservacin, siguen las leyes de las proporciones definidas, proporciones mltiples y proporciones reciprocas.

42

PERUNDAC



Ley de las Proporciones definidas. Un determinado compuesto qumico contiene siempre los mismos elementos en las mismas proporciones en peso.

Ley de las Proporciones mltiples. Si dos o ms elementos se combinan para formar ms de un compuesto, lo hacen en pesos mltiples que estn en la relacin de nmeros enteros pequeos.

Ley de las proporciones recprocas. Los pesos de dos o ms sustancias que reaccionan separadamente con pesos idnticos de una tercera sustancia, son mltiplos sencillos de los pesos que reaccionan entre si.

43

PERUNDAC



Ley de Conservacin en Sistemas No Reaccionantes

Si no hay reacciones qumicas, tanto los compuestos qumicos como la masa total y los elementos individuales se conservan.

44

PERUNDAC



Los gases ideales son gases hipotticos,idealizados del comportamiento de los gasesreales en condiciones corrientes.

As, los gases reales manifestaran uncomportamiento muy parecido al ideal a altastemperaturas y bajas presiones.

Debido a su estado idlico, tambin se lesconoce como gases perfectos.

Empricamente, se pueden observar una seriede relaciones entre la temperatura T, lapresin P y el volumen V de los gases ideales.

Ley de los Gases Ideales

45

PERUNDAC



Ley de los Gases Ideales La hiptesis de Avogadro dice que a volmenes

iguales de gases a las mismas condiciones de presin y temperatura contienen el mismo nmero de molculas.

Para la mayora de los problemas metalrgicos los clculos sobre volmenes de gas se hacen fcilmente empleando la ecuacin del gas ideal, sin embargo los clculos de Ingeniera estn basados en el empleo de constantes que representan el volumen de un mol de gas a condiciones normales, esto es a cero grados (0 C) y 1 atm.

46

PERUNDAC



Ecuacin de estado:

P * V = n * R * T

Donde:

P indica la presin del gas. V indica el volumen del gas. n es el nmero de mol-gr del gas. R la constante de los gases. T la temperatura del gas en K.

Las cantidades ms empleadas son:1 mol-gr = 22,4 lt a TPS1 mol-Kg = 22,4 m3 a TPS1 mol-lb = 359 ft3 a TPS

Valores de R:

8,314472 J/K mol0,08205746 lt atm/K mol8,2057459 x 10-5 m atm/K mol8,314472 lt kPa/K mol62,3637 lt mmHg/K mol62,3637 lt Torr/K mol83,14472 lt mbar/K mol1,987 cal/K mol10,7316 ft psi/R lbmol

Ley de los Gases Ideales

47

PERUNDAC



UNIDADESYDIMENSIONES

48

PERUNDAC



Qu son las unidades y las dimensiones, y en qu se distinguen?

Las dimensiones son nuestros conceptos bsicos de medicin, como longitud, tiempo, masa, temperatura, etc.

Las unidades son la forma de expresar las dimensiones, como pies o centmetros para la longitud, u horas o segundos para el tiempo.

Al anexar unidades a todos los nmeros que no son fundamentalmente adimensionales, se obtienen los siguientes beneficios:

49

PERUNDAC



1. Menor probabilidad de invertir, sin darse cuenta, una parte del clculo.

2. Reduccin en el nmero de clculos intermedios y en el tiempo durante la resolucin de problemas.

3. Un enfoque lgico del problema, en lugar de limitarse a recordar una frmula e insertarle nmeros.

4. Fcil interpretacin del significado fsico de los nmeros empleados.

50

PERUNDAC



Todo estudiante de ingeniera sabe que lo que se obtiene al sumar manzanas y naranjas es ensalada de frutas!.

Las reglas para manejar las unidades son en esencia muy sencillas.

Slo es posible realizar operaciones matemticas de cantidades si las unidades de dichas cantidades son las mismas.

51

PERUNDAC



Unidades del SICantidad fsica Nombre de la unidad Smbolo Definicin

de la unidad* de la unidadUnidades bsicas del SI

Longitud Metro mMasa Kilogramo kgTiempo Segundo sTemperatura Kelvin KCantidad de sustancia Mol

Unidades derivadas del SImol

Energa Joule J kg * m2*s-2

Fuerza Newton N kg *m*s-2 => J *m-1

Potencia Watt W kg*m2*s-3 =>J *s-1

Densidad kilogramo por metro cbico kg * m-3

Velocidad metro por segundo m * s-1

Aceleracin metro por segundo al cuadrado m * s-2

Presin newton por metro cuadrado, pascal N * m-2 ,Pa

Capacidad calorficajoule por (kilogramo * kelvin)

Unidades alternativas

J * kg-1 * K-1

Tiempo Minuto, hora, da, ao min, h, d, a

Temperatura Grado Celsius CVolumen Litro (dm3) LMasa Tonelada (Mg), gramo t, g

52

PERUNDAC



Unidades del sistema estadounidense de ingenieraCantidad fsica Nombre de la unidad Smbolo

Unidades bsicasLongitud Pie ftMasa Libra (masa) lb mFuerza Libra (fuerza) lb fTiempo Segundo, hora s, h

RTemperatura Grado RankineUnidades derivadas

Energa Unidad trmica britnica, pie libra (fuerza) Btu, (ft)(lb f )Potencia Caballo de fuerza hpDensidad Libra (masa) por pie cbico lb m /ft3

Velocidad Pie por segundo ft/sAceleracin Pie por segundo al cuadrado ft/s2

Presin Libra (fuerza) por pulgada cuadrada lb f /pulg2

Capacidad calorfica Btu por libra (masa) por grado Fahrenheit Btu/(lb m)( F)

53

PERUNDAC



Una de las caractersticas ms valiosas del sistema SI es que (con la excepcin del tiempo) las unidades y sus mltiplos y submltiplos se relacionan mediante factores estndar designados por el prefijo indicado en la siguiente taba

Es preferible no usar prefijos en los denominadores (excepto kg).

54

PERUNDAC



Factor Prefijo Smbolo Factor Prefijo Smbolo109 Giga G 10-1 deci d

106 mega M 10-2 centi c

103 kilo K 10-3 mili m

102 hecto H 10-6 micro

101 deca Da 10-9 nano n

55

PERUNDAC



CONSISTENCIA DIMENSIONAL Un principio bsico es que las ecuaciones

deben ser dimensionalmente consistentes. Lo que exige este principio es que cada uno de

los trminos de una ecuacin tenga las mismas dimensiones y unidades netas que todos los dems trminos con los que se realizan los clculos.

En consecuencia, las consideraciones dimensionales pueden ayudar a identificar las dimensiones y unidades de los trminos de una ecuacin.

56

PERUNDAC



TABLAS DE FACTORES DE CONVERSIN

EQUIVALENTES DE VOLUMEN

EQUIVALENTES DE MASA

57

PERUNDAC



EQUIVALENTES DE POTENCIA

EQUIVALENTES DE MEDIDA LINEAL

58

PERUNDAC



EQUIVALENTES DE PRESIN

EQUIVALENTES DE CALOR, ENERGA O TRABAJO

59

PERUNDAC



FACTORES DE CONVERSIN DIVERSOS

CONSTANTE DE LOS GASES IDEALES, R

60

PERUNDAC


BALANCESMETALURGICOSPERU:AMININGCOUNTRY

balances_metalurgicos_01_2011.pdf

Documents