INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

Escuela superior de ingeniería química

e industrias extractivas

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUÍMICA PETROLERA

Ciencia y tecnología de los materiales Profesor: Raúl Hernández Altamirano

ALUMINIO

Por:

De la luz Sánchez Karina

González Morales Yaromi

Hernández Díaz Valeria

Hernández Moran Lesly Jazmin

México D.F a 22 de septiembre de 2015

▪ PREFACIO

El aluminio es el elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Con el 8,13 % es el elemento

metálico más abundante en la corteza terrestre. Su ligereza, conductividad eléctrica, resistencia a la

corrosión y bajo punto fusión le convierten en un material idóneo para multitud de aplicaciones,

especialmente en aeronáutica. Sin embargo, la elevada cantidad de energía necesaria para su obtención

dificulta su mayor utilización; dificultad que puede compensarse por su bajo coste de reciclado, su dilatada

vida útil y la estabilidad de su precio.

▪ ANTECEDENTES

Origen del nombre:

De la palabra latina "alumen" significando "alumbre", haciendo referencia a una sal doble de

aluminio (sal usada como astringente y en tinturas). En 1807, Davy propuso el nombre "alumium"

para el metal, aún no descubierto en ese momento; más tarde, se acordó cambiarlo a "aluminum",

del cual deriva al nombre aluminio.

Obtención:

Los antiguos romanos aplicaban la expresión alumen a toda sustancia de sabor astringente. En la

Edad Media se dio el nombre de alumbre a la sal doble Al2(SO4)3 · K2SO4 · 24 H2O, obtenida del

mineral alunita. Se sospechaba que esta sustancia y otras derivadas de ella, especialmente el óxido,

denominadas alúmina, contenían un elemento metálico desconocido. En 1825, Oersted preparó una

amalgama de aluminio (metal disuelto en mercurio) haciendo reaccionar amalgama de potasio con

cloruro de aluminio. Destilando el mercurio fuera del contacto del aire obtuvo un metal de aspecto

parecido al estaño; era impuro, pues contenía una ligera proporción de mercurio. Wöhler, en 1827,

mejorando el método de Oersted, obtuvo aluminio puro en forma de polvo fino:

AlCl3 + 3 K = Al + 3 KCl.

Alrededor de 2.000 años a.C. se utilizaron en Egipto y Babilonia una sal “alum” (sulfato de potasio de aluminio) con la que se confeccionaban pigmentos y medicamentos.

En 1808, Sir Humphrey Davy de Gran Bretaña, estableció la existencia del aluminio y le dio su nombre. En 1821, P. Berthier, de Francia, descubrió un material duro, rojizo y parecido a la arcilla que contenía 52% de óxido de aluminio, cerca de la villa de Les Beaux, al sur de Francia. Él lo llamó bauxita, el más común de los minerales de aluminio. No obstante, el elemento no fue aislado como tal hasta que, en 1825, el danés Hans Christian Oersted redujo cloruro alumínico con una amalgama de potasio. Posteriormente, otros químicos realizaron diferentes experimentos para estudiar las propiedades del metal; destaca Freidrich Wohler, alemán que en 1827 describió el proceso para producir aluminio como polvo haciendo reaccionar al potasio con clorato de aluminio anhídrido. Este científico estableció, también, la densidad específica del aluminio y una de sus propiedades únicas: la ligereza.

En 1854, el francés Henri Saint-Claire de Ville mejoró el método de Wohler para crear el primer proceso comercial. El metal era más caro que el oro o el platino. En la exposición internacional celebrada en París en 1855, se mostraron al público cuatro grandes bloques de aluminio a los que no se daba otra utilidad que la decoración. En 1885, Hamilton Y. Cassner (USA) mejoró el proceso de de Ville con una producción anual de 15 toneladas.

Durante el siglo XIX, la producción era tan costosa que el aluminio llegó a considerarse un material exótico, de precio exorbitado, y tan preciado o más que la plata o el oro. Durante la exposición Universal de 1855 se expusieron unas barras de aluminio junto a las joyas de la corona de Francia. El mismo emperador Napoleón había pedido una vajilla de aluminio para agasajar a sus invitados. De aluminio se hizo también el vértice del Monumento a Washington, a un precio que rondaba en 1884 el de la plata

Al año siguiente, dos jóvenes y desconocidos científicos, Paul Louis Toussaint Héroult (francés) y Charles Martin Hall (USA) trabajando de manera separada y sin conocer el trabajo del otro, inventaron simultáneamente un nuevo proceso electrolítico, que es la base para la producción actual del aluminio: el proceso Hall-Héroult. Ellos descubrieron que si disolvían óxido de aluminio (alúmina) en un baño de criolita fundida y pasaban una fuerte corriente eléctrica a través de ésta, el aluminio fundido se depositaba en el fondo del recipiente.

Hans Christian Ørsted

En 1825 realizó una importante contribución a la química, al ser el primero en aislar y producir aluminio.

Friedrich Wöhler

En 1827 es el primero en conseguir claramente y de manera repetida la separación del aluminio por reducción del cloruro de aluminio por el potasio. Obtiene un polvo gris de aluminio, el cual tiene presencia de óxidos y otras impurezas que impiden recogerlo en una sola masa. Después de mejorar su método, Wöhler conseguía ya en 1845, pequeños glóbulos de un metal suficientemente puro para describir correctamente las propiedades del aluminio.

Henri Sainte-Claire Deville

En 1854, obtuvo el metal en Francia reduciendo cloruro de aluminio con sodio. Con el apoyo financiero de Napoleón III, Deville estableció una planta experimental a gran escala, y en la exposición de París de 1855 exhibió el aluminio puro.

Paul (Louis-Toussaint) Héroult

Fue el inventor de la electrólisis de aluminio y del horno de acero eléctrico.

Charles Martin Hall

Destacó por el descubrimiento del método de fabricación del aluminio a través del proceso electrolítico de Davy.

Algunos otros datos:

1809 - Humphrey Davy: Obtiene una aleación de hierro-aluminio. 1821 - Pierre Berthier: Descubre la bauxita. 1824 - Hans Christian Oersted: Obtiene los primeros glóbulos de aluminio. 1827 - Friedrich Wöhler: Produce polvo de aluminio. 1854 - Henry Sainte-Claire Deville: Obtiene el primer lingote de aluminio. 1886 - Paul Héroult y Martin Hall: Descubren a la vez el proceso de la electrólisis de la alúmina disuelta en criolita. 1888, se fundan las primeras compañías de aluminio en Francia, Suiza y Estados Unidos. 1889, Freidrick Bayer (Austria), hijo del fundador de la compañía química Bayer, inventó el proceso Bayer para la producción, en gran escala, de alúmina a partir de la bauxita. 1900, se producen anualmente 8,000 toneladas de aluminio. 1913, se producen anualmente 65,000 toneladas de aluminio. 1920, se producen anualmente 128,000 toneladas de aluminio. 1938, se producen anualmente 537,000 toneladas de aluminio. 1946, se producen anualmente 681,000 toneladas de aluminio. 1997, se producen anualmente 22,000,000 toneladas de aluminio.

▪ PROPIEDADES DEL ALUMINIO

El aluminio cuyo número atómico es 13, se encuentra en la familia III-A de la tabla periódica, junto con

el boro, galio e indio; está en el tercer periodo después del sodio y del magnesio y es seguido por el

silicio.

Consiste en un solo isótopo de masa 27 y un número isotópico (es decir, neutrones y protones) de 1.

Su núcleo contiene 13 protones y 14 neutrones, con sus electrones distribuidos de tal forma:

(1s)2;(2s)2;(2p)6;(3s)2;(3p)1

El índice da el número de electrones; el número subrayado, el número cuántico principal (n) y la letra

del tipo de orbital que ocupan los electrones. La capa exterior contiene 3 electrones, de los cuales dos

son (3s)2, esto explica la existencia del aluminio monovalente. El átomo “libre” tiene un solo electrón de

valencia, pero si los átomos están enlazados en la celda sólida o en el estado de fusión, tiene lugar la

hibridación y los tres electrones de valencia pueden comportarse de manera idéntica.

El aluminio es un metal blanco plateado, con una alta reflectividad para la luz y el calor. Por lo general,

las aleaciones de aluminio tienen una coloración similar, algunas de ellas con un matiz azulado. Una

superficie de aluminio limpio refleja de 80 a 85 por ciento de radiación visible incidente. La potencia

reflectora del aluminio es de importancia en la construcción de los diversos tipos de reflectores de luz o

calor. Esto significa que los recipientes de aluminio absorben menos calor de la luz solar que aquellos de

otros metales como el cobre y al acero, lo que es una característica importante de los cambiadores de

calor.

La densidad del aluminio es de 2.699 g/cm3, decrece a 2.55 g/cm3 para el sólido a 660 °C, justo por

debajo de la temperatura de fusió0n y a 2.38 g/cm3 para el metal fundido a esta temperatura. La fusión

está acompañada por un aumento en el volumen de un 6.5 a 6.7 por ciento, lo que depende de la pureza

del metal; el valor más bajo corresponde a 99.5 por ciento de aluminio.

La adición de silicio o magnesio para formar aleaciones ocasiona una reducción de la densidad a 2.65

para una aleación con un 12 por ciento de silicio y 2.55 para un contenido de 10 por ciento de magnesio

fundido o 2.63 para una aleación forjada del 7 por ciento de aluminio-magnesio.

Es también muy resistente a la corrosión, tanto en forma de metal puro como cuando forma aleaciones

con el fierro, manganeso y magnesio.

La resistencia química se debe gracias a su alto estado de oxidación ya que al contacto con el aire

permite la formación de una película de óxido muy delgada, compacta que se adhiere con firmeza y la

cual es insoluble en agua y en muchos otros disolventes. Esta película protege al metal que está abajo,

de otros ataques, aun cuando la capa de óxido, según se forma en el aire, tiene solo un espesor de 4 a

5 x 10-6 mm.

Al calentarse en aire por largos periodos su espesor puede aumentar a 2x 10-4 mm. Mediante la

oxidación anódica (anodización) la película de óxido quizás llegue hasta un espesor de 0.030 mm. Cuando

se forma en el aire o por anodización, la película es amorfa, pero al calentarla cambia a una forma

cristalina más dura conocida como el óxido. La forma de la película es capaz de absorber humedad del

aire y las películas anódicas más gruesas pueden absorber y retener los colorantes.

La corrosión general, en la cual toda superficie metálica es atacada de manera uniforme, ocurre sólo por

la acción de medios que disuelven el óxido, los que después de disolver al recubrimiento superficial

pasivo atacan al metal con la correspondiente formación de una sal. Los disolventes más poderosos son

los ácidos halogenados (ácido clorhídrico y ácido fluorhídrico), el ácido sulfúrico concentrado y las

soluciones acuosas de hidróxidos alcalinos y carbonatados de sodio y potasio. El ataque por las

soluciones alcalinas se puede inhibir con el uso de ciertos coloides como los silicatos de sodio con

relaciones de SiO2 a Na2O de al menos 1 a 1.

El aluminio es demasiado reactivo para encontrarlo en forma libre; constituye el elemento metálico más

abundante en la corteza terrestre y conforma cerca del 8% de su peso. En condiciones ácidas proviene

de los minerales y llega a la solución del suelo, o que está presente en soluciones nutritivas con pH menor

a cuatro, aparece principalmente como Al(OH2)6 dado que en la solución del suelo y en los sitios de

intercambio iónico, el aluminio se encuentra rodeado por seis moléculas de agua.

Al igual que los demás metales tiene la capacidad de transmitir calor a través de el, lo que se conoce

como capacidad térmica que es de 209 W/Km.

Tensión vs Deformación

A semejanza de los demás metales no ferrosos, el aluminio, y sus aleaciones no muestran un límite

elástico, un punto de cadencia o un límite de proporcionalidad bien definidos. Es muy común, para las

pruebas de control de calidad y para fines de diseño, emplear el valor al cual el conjunto permanente de

propiedades, en la prueba de tensión, equivale a un 0.2 por ciento, se utilizan extensómetros sensibles

para la determinación precisa de los valores de 0.02, 0.1 y 0.2 por ciento de la prueba de esfuerzo.

▪ OBTENCION DEL ALUMINIO

La metalurgia extractiva del aluminio consta de dos etapas:

1.-Transformación de la bauxita en alúmina lo más pura posible.

2.- Electrolisis de esta alúmina disuelta en criolita fundida (Aplicando una gran corriente eléctrica para

separar sus elementos: el aluminio (que se obtiene puro), por un lado y el oxígeno (que se combina con

carbón) para dar CO2.

La Alúmina se obtiene de la BAUXITA:

-Roca sedimentaria de origen químico compuesta mayoritariamente de alúmina y, en menor

medida, óxido de hierro y sílice.

-Es de color rojizo

-Principal fuente de aluminio utilizada por la industria.

EL PROCESO DE BAYER PARA LA OBTENCION DE ALÚMINA.

Principal método industrial para producir alúmina a partir de bauxita.

• La bauxita se extrae, se lava y se seca antes de ser destinada a la refinería donde se separa del

aluminio.

• Partiendo de la bauxita, sometida previamente a un proceso de desecación y moliendo finamente

el material, se calienta con una solución concentrada de soda cáustica (NaOH) para obtener una

solución de aluminato de sodio (Na2Al2O4) y aluminosilicato de sodio (Na2SiO2) (gran parte del

cual precipita junto con el “barro rojo” residual).

• Durante el tratamiento en el digestor, los diversos hidróxidos de fierro presentes en la bauxita

son deshidratados para formar una solución solida de Fe2O3 (el cual contiene 10% de Al2O3), al

cristalizar formara parte del “barro rojo”.

• El barro se diluye y se envía a los filtros prensa.

• Después de la filtración, la solución de aluminato de sodio contiene aluminosilicato de sodio junto

con una suspensión coloidal de óxido de fierro y alúmina, capaz de pasar a través de os filtros de

seguridad.

• El filtrado se bombea a tanques de acero y se deja enfriar. El Al(OH)3, se precipita al inocular la

solución filtrada de alúmina y agitar. El precipitado se elimina mediante filtración y se calcina a

temperaturas entre 1200 y 1300°C para secar y dejar la alúmina como un polvo blanco.

ELECTROLISIS.

• La alúmina se reduce a aluminio en unas células electrolíticas del procedimiento Hall-Héroult.

• El problema de la obtención radica en el altísimo punto de fusión de la alúmina (2072 ºC) que es

muy difícil de alcanzar. Los científicos Charles M. Hall (EE.UU.) y Paul Héroult (Francia)

descubrieron en 1886 que añadiendo criolita (fluoruro de sodio y aluminio) a la mezcla la

temperatura de fusión descendía hasta aproximadamente 1000 ºC, lo que abarataba

notablemente los costes del proceso.

• El Aluminio baja al fondo del depósito donde se extrae periódicamente y el oxíqeno se combina

con el carbono del ánodo para producir CO2.

PROCESO:

• En forma periódica se adicionan a las cubas las sales necesarias para mantener el baño hidrolítico.

La corriente eléctrica pasa a través de gruesos barriles por encima y debajo de las cubas, las

cuales están recubiertas en su interior de carbón y están conectadas al polo negativo de la red.

• De esta manera las cubas actúan como cátodos y los ánodos son bloques carbonosos compactos.

La corriente eléctrica eleva la temperatura de las cubas hasta superar el calor necesario para

mantener las sales en estado líquido.

• Es importante mantener la alúmina dentro de límites muy estrechos. Si el agregado es

abundante, parte del mismo no llega a disolverse y tiende a depositarse en el fondo de la cuba.

Por otra parte, si el agregado de alúmina es insuficiente, la alúmina disuelta se agota, para evitar

esto se ha creado el sistema de “alimentación puntual”, una serie de microprocesadores controla

la exactitud del proceso de alimentación.

• Finalmente es traspasado a hornos desde los cuales parte hacia diversas máquinas de colada,

donde se solidifica en forma de lingotes, placas y barrotes de extrusión.

▪ APLICACIONES EN LA INDUSTRIA PETROLERA

La necesidad de producir aromáticos a partir del petróleo surgió con la segunda Guerra Mundial, debido a la enorme demanda de tolueno para producir trinitrotolueno (TNT), llamado comúnmente dinamita.

Figura 16. Separación de

la fracción de butilenos.

Anteriormente, el tolueno se producía a partir del carbón mineral, pero esta industria fue

insuficiente para satisfacer las demandas del mercado, lo que obligó a desarrollar procesos de producción y extracción de tolueno contenido en las fracciones del petróleo.

Después de la guerra, se mantuvo el mercado de los hidrocarburos aromáticos debido al desarrollo de los plásticos, detergentes, y una serie de productos sintéticos, además de la demanda creciente de gasolina de alto octano.

Los aromáticos de mayor importancia en la industria petroquímica son: el benceno, el tolueno y los xilenos. Estos hidrocarburos se encuentran en la gasolina natural en mínimas concentraciones, por lo que resulta incosteable su extracción.

Por lo tanto, para producirlos se desarrolló el proceso denominado de desintegración catalítica, cuya materia prima de carga es la gasolina natural o nafta pesada, cuyo alto contenido de parafinas lineales y cíclicas (naftenos) constituye el precursor de los aromáticos.

Uno de los procesos más comunes de reformación catalítica es el llamado de "platforming" que usa como catalizador platino soportado sobre alúmina.

Los productos líquidos de la reacción se someten a otros procesos en donde se separan los

aromáticos del resto de los hidrocarburos. Para separar los aromáticos entre sí, se puede utilizar cualquiera de los métodos siguientes: a)

destilación azeotrópica (ver cuadro 5), b) destilación extractiva, c) extracción con solvente, d) adsorción sólida, y e) cristalización.

CUADRO 5. Destilación azeotrópica para recuperar tolueno

PROCESOS DE REFORMADO CATALÍTICO

Hoy en día existen varios procesos de reformado principales en uso. Entre los principales se

encuentran: Platforming bajo licencia de la UOP (Universal Oil Product),

El proceso de Platforming semi-regenerador es característico de las operaciones de semi-

regeneradoras, y los demás procesos en cualquiera de las cíclicas o semi-regeneradoras. El proceso de

Platforming semi-regenerador es característico de las operaciones de reformado y se describirá aquí.

La Figura 1 expone un diagrama de flujo simplificado del proceso de Platforming. El alimento tratado

previamente y el hidrógeno reciclado se calientan de 495º C a 520º C antes de entrar en el primer

reactor. En el primer reactor la reacción principal es la deshidrogenación de naftenos a aromáticos y,

dado que esta reacción es altamente endotérmica, la temperatura desciende considerablemente. Para

mantener la velocidad de reacción, los efluentes del primer reactor se calientan nuevamente antes de

pasar por el catalizador del segundo reactor. A medida que la carga atraviesa los reactores, las

velocidades de reacción descienden, los reactores resultan mayores y resulta menor el

recalentamiento necesario. Normalmente para proporcionar el deseado grado de reacción se

necesitan tres reactores, siendo necesarios hornos antes de cada reactor para hacer alcanzar a la

mezcla la UTN-FRRo CATEDRA DE PROCESOS INDUSTRIALES PAG. 9 temperaturas de reacción. La

mezcla de reacción procedente del último reactor, se enfría y los productos líquidos se condensan. Los

gases ricos en hidrógeno se separan de la fase líquida en un separador y el líquido procedente del

separador se envía a una columna de fraccionamiento para que sea desbutanizado. La corriente de gas

rica en hidrógeno se divide en una corriente de hidrógeno reciclado y en una producción secundaria de

hidrógeno neto que se utiliza en las operaciones de tratamiento con hidrógeno o como combustible. El

proceso de Platforming se clasifica como del tipo semi-regenerador debido a que la regeneración del

catalizador no es frecuente, siendo normales funcionamientos de 3 a 6 meses entre regeneraciones. En

los procesos cíclicos, la regeneración se realiza en ciclos de 24 a 48 horas, incluyéndose un reactor de

reserva para que la regeneración pueda realizarse mientras la unidad se halle todavía en

funcionamiento. Debido a estas facilidades, los procesos cíclicos son más caros pero ofrecen las

ventajas de una presión de operación baja y mayores rendimientos en reformado bajo una misma

rigurosidad.

CATALIZADORES DE REFORMADO

Prácticamente todos los catalizadores de reforma son bifuncionales y están constituidos por platino

(aproximadamente un 1% P/P) depositado sobre un soporte ácido de alúmina. En muchos casos se

agrega renio, que se combina con el platino para formar un catalizador más estable y que permite

operar a presiones más bajas. Asimismo el renio hace que el depósito de coque sobre el catalizador sea

más poroso, lo que permite que la alimentación pueda llegar durante más tiempo a la superficie del

catalizador, haciendo que este se desactive más lentamente. El platino interviene en las reacciones de

hidrogenación y deshidrogenación y la alúmina Figura 1 UTN-FRRo CATEDRA DE PROCESOS

INDUSTRIALES PAG. 10 proporciona una zona acida para las reacciones de isomerización, ciclización y

craqueo con hidrógeno. La actividad de un catalizador de reforma es función del área específica, del

volumen del poro y del contenido en platino y cloro activos. La actividad del catalizador se reduce

durante el funcionamiento por los depósitos de coque y las pérdidas de cloruros. En un proceso a alta

presión pueden procesarse hasta 200 barriles de carga por libra de catalizador, antes de que se precise

una regeneración. La actividad del catalizador se puede restablecer por la combustión a alta

temperatura del coque Este tipo de proceso se conoce como semirregenerador y es capaz de operar

por períodos de 6 a 12 meses entre regeneraciones. La actividad del catalizador disminuye durante el

período de funcionamiento debiéndose aumentar la temperatura de la alimentación a los reactores a

medida que el catalizador envejece para mantener el número de octano deseado en el efluente del

proceso. Normalmente el catalizador se puede regenerar al menos tres veces antes de ser

reemplazado y devuelto al fabricante para su restauración.

Soporte «ácido»: esta normalmente constituido por una alúmina con una superficie inicial (400 m2 /g),

o también por una alúmina de unos 250 m2 /g de superficie, adicionada con un compuesto

halogenado: cloruro o fluoruro, mezclados, o solos. La acidez, que aumenta con la cantidad de

halógeno, se sitúa por debajo de 1 %, para el cloruro. La incorporación puede efectuarse, al prepararlo,

durante la operación o después de la regeneración. El diámetro de las partículas de catalizador es del

orden de 2 mm. Con una superficie específica del orden de 200 m2 /g, la difusión ejerce,

evidentemente, una cierta limitación sobre las reacciones más rápidas tales como la deshidrogenación,

cuya velocidad global sigue siendo, no obstante, muy grande. Las reacciones lentas, cuyo polo más

extremo es la deshidrociclación, sin duda alguna, no están influencia por la difusión, es decir, de hecho,

por la dimensión de la partícula.

ANEXOS:

▪ REFERENCIAS:

- http://www.aluminio.org/files/taller_profesors.pdf

- Levin, I.; Brandon, D. (1998). «Metastable alumina polymorphs: Crystal structures and transition

sequnces». Journal of the American Ceramic Society 81 (8): 1995—2012

- www.world-aluminium.org

- http://www.ib.cnea.gov.ar/~mater2/MATERIALESII/modulo3b_2013.pdf

- UNAM http://www.ingenieria.unam.mx/herescas/papime/alumnos_herecas/Materiales/PO-

Tema4.5-Aluminio%20_S2006-2_Texto.pdf [Visita: 16/09/05, 20:40]

- ENCICLOPEDIA DE SALUD Y SEGURIDAD EN EL TRABAJO

http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/TextosOnline/EnciclopediaOIT/to

mo2/63.pdf[Visita: 16/09/15, 21:30]

- MUSEO GEOLÓGICO VIRTUAL DE VENEZUELA

http://www.pdv.com/lexico/museo/minerales/aluminio.htm[Visita: 16/09/15, 22:17]

- PETROQUÍMICA Y SOCIEDAD

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/39/html/sec_13.html

[Visita: 16/09/15, 23:02]

- UNIVERSIDAD DE CANTABRIA http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/refino-

petroquimico/materiales-de-clase-1/bloque_III_parte_1.pdf[Visita: 16/09/15, 23:44]