1. INDUST INDUSTRIA RIA DEL ACIDO ACIDO SULF SULFURI URICO CO 1.1 MATERIA MATERIA PRIMA El Ácido Sulfúrico, de fórmula H2SO4, a temperatura ambiente es un líquido
corrosivo, incoloro, inodoro de olor picante, muy corrosivo y de ran viscosidad! El Sulfúrico es el "cido mineral de uso m"s frecuente en la industria, y su consumo se utili#a como indicador indicador del rado de industriali industriali#ación #ación de un país! $l me#clar Ácido Sulfúrico con aua se libera una considerable cantidad de calor! $ menos que la me#cla se aite bien, el aua a%adida puede calentarse calentarse m"s all" de su punto de ebullición y la formación repentina de calor puede &acer saltar el "cido fuera del recipiente! El Ácido concentrado destruye la piel y la carne, y puede causar ceuera si se introduce en e n los o'os! El me'or tratamiento en caso de accidente es eliminar el "cido con randes cantidades de aua! $ pesar del peliro potencial si se mane'a sin cuidado, el Ácido Sulfúrico &a sido muy importante comercialmente durante muc&os a%os! (os antiuos alquimistas lo preparaban en randes cantidades calentando sulfatos e)istentes en la naturale#a a altas temperaturas y disolviendo en aua el trió)ido de a#ufre obtenido de esta forma! En el silo *+ apro)imadamente, se desarrolló un mtodo para obtener el Ácido, destilando sulfato ferroso &idratado -o vitriolo de &ierro. con arena! En /041 empe#ó a producirse el "cido a escala comercial quemando a#ufre y nitrato de potasio en un caldero suspendido en un ran lobo de cristal, cubierto parcialmente de aua! Propiedades físicas y qí!icas Da"os Físicos3 /! eso molecular3 56! 2! unto de ebullición -071 mm de H.3 2018 c -9/68:.! ;! eso específico -aua < /.3 /,64! 4! =ensidad del vapor -aire < / en el punto de ebullición del Ácido Sulfúrico.3
;!4 9! unto de fusión3 ;8> -;08:.! 7! Solubilidad en aua ?/11 de aua a 218> -768:.3 miscible en todas proporciones! # Reac"i$idad% /! @ncompatibilidades3 El contacto del Ácido con materiales or"nicos -tales
como cloratos, carburos, fulminatos y pieratos. puede provocar incendios y
e)plosiones! El contacto del Ácido con metales puede crear emanaciones tó)icas de =ió)ido Sulfuroso e &idróeno aseoso inflamable! 2! roductos pelirosos de la descomposición3 $l descomponerse el Ácido Sulfúrico pueden desprenderse ases y vapores tó)icos -por e'emplo, emanaciones de Ácido Sulfúrico, dió)ido sulfuroso y monó)ido de carbono.! ;! recauciones especiales3 El Ácido Sulfúrico ataca a alunas clases de pl"sticos, cauc&o y revestimientos! # Propiedades qí!icas% El Ácido Sulfúrico es un "cido fuerte, es decir, en disolución acuosa se disocia
f"cilmente en iones de &idroeno -HA. e iones sulfato-SO42. y puede cristali#ar diversos &idratos, especialmente "cido lacial H2SO4 B H2O -mono&idrato.! >ada molcula produce dos iones HA, o sea, que el "cido sulfúrico es dib"sico! Sus disoluciones diluidas muestran todas las características de los "cidos3 tienen sabor amaro, conducen la electricidad, neutrali#an los "lcalis y corroen los metales activos desprendindose as &idróeno! $ partir del "cido sulfúrico se pueden preparar sales que contienen el rupo sulfato SO4, y sales "cidas que contienen el rupo &idroenosulfato, HSO4! El Ácido Sulfúrico concentrado, llamado antiuamente aceite de vitriolo, es un importante aente desecante! $ctúa tan viorosamente en este aspecto que e)trae el aua, y por lo tanto carboni#a, la madera, el alodón, el a#úcar y el papel! =ebido a estas propiedades desecantes, se usa para fabricar ter, nitrolicerina y tintes! >uando se calienta, el "cido sulfúrico concentrado se comporta como un aente o)idante capa#, por e'emplo, de disolver metales tan poco reactivos como el cobre, el mercurio y el plomo, produciendo el sulfato del metal, dió)ido de a#ufre y aua! =urante el silo *@*, el químico alem"n Custus von (iebi descubrió que el Ácido Sulfúrico, a%adido al suelo, aumenta la cantidad de fósforo disponible para las plantas! Este descubrimiento dio luar a un aumento de la producción comercial de este "cido, me'or"ndose por tanto los mtodos de fabricación! 1.& DISE'O DEL PRODUCTO $ lo laro de la &istoria, podemos &ablar de dos randes procesos de producción
del "cido sulfúrico3 5 Dtodo de las c"maras de plomo3
•
El mtodo m"s antiuo a partir del que obtenemos "cidos poco concentrados, por lo que actualmente est" entrando en una fase de desuso!
•
tili#a una cat"lisis &omonea Dtodo de contacto3 D"s moderno, se caracteri#a por el empleo de catali#adores
&eteroneos
que
permiten
obtener
"cidos
muy
concentrados! En ambos mtodos, el reactivo a#ufrado de partida es el SO2, dió)ido de a#ufre, que se obtiene a partir de la tostación de piritas! (a pirita es un mineral de color amarilloblanquecino brillante, de fórmula :eS2! D"s de la mitad de las reservas mundiales de pirita se encuentran en Espa%a, especialmente en la #ona de Huelva! (a tostación es el proceso a partir del cual transformamos la pirita -o cualquier sulfuro met"lico. en el correspondiente ó)ido met"lico y SO2 aseoso! El mtodo de las c"maras de plomo or definición, un catali#ador es toda sustancia que, a%adida en peque%as cantidades, nos permite aumentar la velocidad a la que trascurre una reacción, recuper"ndose al final del proceso en la misma proporción y estado en el que se a%adió! >uando decimos que en el mtodo de las c"maras de plomo se utili#a una cat"lisis &omonea, nos referimos a que el catali#ador est" en el mismo estado de areación que los reactivos -en este caso, aseoso.! ara este proceso de producción se utili#a como catali#ador FO2! (a corriente de SO2 se introduce en una serie de c"maras de ladrillo cuya cara interna est" recubierta por plomo, caliente y me#clada con aire y vapor de aua! =entro de estas c"maras, y racias al FO2, tienen luar las siuientes reacciones3
>omo puede comprobarse, el FO2, como catali#ador, no participa en la reacción lobal! Su función es la de ceder O en la reacción -2. para formar FO, que se vuelve a o)idar en -4. para reenerar el FO2 El problema de este proceso est" en
que el "cido sulfúrico así obtenido tiene una concentración del 79G, muy ba'a para los usos comunes del "cido sulfúrico! or ello, para conseuir concentrarlo un poco m"s, la disolución de "cido se lleva a una torre -que se denomina orre de Ilover., en donde se pone en contacto con los ases de SO2 calientes procedentes de la tostación! $sí, los ases le ceden el calor a la disolución de "cido, que se concentra &asta niveles del 06G, que tampoco son e)cesivamente buenos! or otro lado, los ases que quedan en las c"maras de plomo son ricos en compuestos nitrados -procedentes del catali#ador. que &ay que eliminar! or ello, estos ases son llevados a otra torre -llamada torre de Iay(ussac. en donde se ponen en contacto con "cido sulfúrico concentrado! (os ases resultantes pueden ser emitidos a la atmósfera, mientras que el "cido que &a captado los compuestos nitroenados, se lleva a la torre Ilover, en donde, dic&os compuestos son captados por la corriente de SO2, que los incorpora como catali#ador para entrar en la c"maras de plomo!
El mtodo de contacto En este caso se siue una cat"lisis &eteronea, porque el catali#ador se encuentra en una fase distinta a la de los reactivos! (a cat"lisis se utili#a en la reacción de transformación de SO2 en SO;3
Se trata de una reacción muy e)otrmica, en la que podemos comprobar que &ay menos moles de productos que de reactivos en estado aseoso! or ello, debido a que se establece un equilibrio químico en donde reactivos y productos alcan#an una situación en la que no produce modificación en sus concentraciones, es necesario que este equilibrio est lo m"s despla#ado &acia la formación de SO;, que es el producto que nos interesa! ara conseuir esta alternativa tenemos tres alternativas seún el principio de (e >&atelier -e3 /! $umentar la concentración de los reactivos3 (a concentración de SO2 viene impuesta por el proceso de tostación, y no suele ser una variable que pueda modificarse a nuestras necesidades! Otra alternativa es utili#ar aire atmosfrico
enriquecido en O2, pero no es una opción viable desde el punto de vista económico! 2! $umentar la presión a la que tiene luar la reacción, para lo cual sería necesario mane'ar compresores que encarecerían el proceso ;! =isminuir la temperatura! =esde un punto de vista termodin"mico sería lo me'or, pero no ocurriría lo mismo con la cintica -la velocidad a la que ocurre la reacción, que suele ser proporcional a la temperatura. or ello, la opción de la cat"lisis parece ser la óptima! Estos catali#adores suelen ser sólidos y entre ellos ocupa un luar especial el +2O9 -ó)ido de vanadio -+..! ara este proceso, los catali#adores presentan su mayor actividad a una temperatura de 4118>! Sin embaro, que el reactor se mantena isotermo a 4118> con una reacción e)otrmica es muy complicado, por lo que el proceso tiene luar en una serie de JpisosK!
1.( REACCIONES
Se distinuen tres etapas3 Pri!era e"apa%O)"e*ci+* de, SO&
(a obtención del SO2 se reali#a por la combustión de S o tostando sulfuros sobre todo pirita!
S + N 2 + 2 O2 → S O 2 + N 2 + O2
S + O2 → S O 2
Se-*da e"apa% Oidaci+* de SO& a SO( 2 S O2 +
3 2
O
N 2 → S O3+ S O 2 + O 2 + N 2
+ 2
2 S O2 + O2 → 2 S O 3
Tercera e"apa% O)"e*ci+* de, /cido s,f0rico 3
S O3 + H 2 O + 2 S O2 + O + N 2 → H 2 S O4 + S O3 + S O 2+ O 2 + N 2 2
2
S O3 + H 2 O→ H 2 S O 4
1. Ter!odi*/!ica SO2 A L O2 SO; >onstante de equilibrio -El avance de la reacción es dependiente de la temperatura. lo Mp < 4!597 4!706 < temp! absoluta in Nelvin Mp < constante de equilibrio como una función de la presión parcial de los ases Mp < - SO; . -SO2. -O2.1,9
1.2 3a,a*ce de !a"eria y e*er-ía alance de masa Especificación de variables de entrada y salida en cada equipo
alance de enería >alor requerido para la caldera ∆ H rs o =296,8
KJ mol
∆ H rs o =296,8
KJ 1 mol × mol 1000 Kmol
2
2
∆ H rs o =296800
KJ Kmol
∆ H rs o =296800
KJ 1 J 0,239 cal 1000 Kcal × × × 1 J 1 cal Kmol 1000 KJ
2
2
∆ H rs o =70 935,20 2
Kcal Kmol
Qrequerido =70935,20
1 Kg−molSO 2 18624 KgS O 2 1 dia 1 ciclo Kcal × × × × Kg −mol dia 64 Kg S O2 4 ciclos 5h
Qrequerido =1032107,16
Kcal h
Ma sa de flu jo de ai re par a la cal der a
Qrequerido =1032107,16
T 2 =1000 C =1273 K
T 1 =800 C =1073 K
Kcal dia
C p aire=1,005
KJ Kcal 1 J 0,239 cal 1000 Kcal × × × =0,24 1 J 1 cal Kg K 1000 KJ Kg K
Q =mCp∆T
m=
Q Cp∆T
Kcal h
1.032.107,16
m= 0,24
Kcal ( 1273 −1073 ) K Kg K
maire =21.502,23
Kg h
&. METALUR4IA DEL CO3RE 5 6INC &.1 PLANTAS CONCENTRADORAS na planta concentradora es una unidad metalúrica constituida por una serie de
equipos y maquinas instaladas de acuerdo a un (ay Out o diarama de flu'o, donde la mena es alimentada y procesada &asta obtener uno o mas productos valiosos denominados concentrados y un producto no valioso denominado relave! (os minerales no sufren ninún cambio químico! ara el dise%o de una planta concentradora de minerales se debe tener en cuenta el comportamiento de la mena frente al proceso de concentración -flotación por espumas, ravimtrica, mantica, etc!. seún sea la #ona o profundidad de donde provienen y que debe estar ubicada lo mas cerca posible de la mina! Ello conlleva a establecer una relación entre la #ona de una veta y el proceso de concentración! 78e 9ace* ,as co*ce*"radoras: (a planta concentradora trata minerales pobres a fin de separar los sulfuros
valiosos en forma de concentrados y eliminar lo que no sirve en forma de relaves!
7Porqe se co*ce*"ra* ,os !i*era,es: (a concentración de minerales es necesaria para rentabili#ar toda la operación
minera para ciertos tipos de mineral, lorando disminuir el impacto neativo y del asto de tratamiento a pesar del costo adicional y de las prdidas de recuperación causadas por el proceso de concentración!
&.& MATERIA PRIMA >OPE >obre, de símbolo >u, es uno de los metales de mayor uso, de apariencia
met"lica y color pardo ro'i#o! El cobre es uno de los elementos de transición de la tabla periódica, y su número atómico es 25! Su punto de fusión es de /!16; Q>, mientras que su punto de ebullición es de unos 2!970 Q>, y tiene una densidad de 6,5 ?cm;! Su masa atómica es 7;,947! R@F> El cinc
es
un metal o mineral,
a
veces
clasificado
como metal
de
transición aunque estrictamente no lo sea, ya que tanto el metal como su especie dispositiva presentan el con'unto orbital completo! Este elemento presenta cierto parecido con el manesio, y con elcadmio de su rupo, pero del mercurio se aparta muc&o por las sinulares propiedades físicas y químicas de ste -contracción lant"nida y potentes efectos relativistas sobre orbitales de enlace.!
Es el 2;8 elemento m"s abundante en la ierra y una de sus aplicaciones m"s importantes es el alvani#ado del acero! Es un metal de color blanco a#ulado que arde en aire con llama verde a#ulada! El aire seco no le ataca pero en presencia de &umedad se forma una capa superficial de ó)ido ocarbonato b"sico que aísla al metal y lo protee de la corrosión! r"cticamente el único estado de o)idación que presenta es el A2! En el a%o 2114 se publicó en la revista Science el primer y único compuesto conocido de cinc en estado de o)idación A/, basado en un comple'o oranomet"lico con el liando pentametilciclopentadieno! Peacciona con "cidos no o)idantes pasando al estado de o)idación A2 y liberando &idróeno y puede disolverse en bases y "cido actico! El metal presenta una ran resistencia a la deformación pl"stica en frío que disminuye en caliente, lo que oblia a laminarlo por encima de los /11 Q>! Fo se puede endurecer por acritud y presenta el fenómeno de fluencia a temperatura ambiente al contrario que la mayoría de los metales y aleaciones y peque%as caras el m"s importante! &.( REACCIONES Formalmente calcopirita, esfalerita y sulfuros de &ierro est"n presentes en este
tipo de minerales! (os minerales ana son típicamente varios silicatos, carbonatos y a menudo talco, este último presenta retos para el proceso de flotación! El mtodo para la separación y recuperación por flotación es bastante parecido al proceso de separación del sulfuro de lomoRinc -bRn.! (a esfalerita es presionada con la adición de sulfato de #inc al molino con sulfuro de sodio como una opción para me'orar la depresión de la pirita! El cobre flota en la primera etapa de flotación diferencial con cal a un pH de /1//! >olectores de *antato, ditiofosfato y tiocarbamato son usados como se e)plica muc&o m"s e)tensamente
en
la
sección
de
flotación
del
cobre!
(os des&ec&os de la flotación de cobre son la alimentación al circuito de flotación de la esfalerita donde los minerales de #inc son separados por flotación
como se e)plica en la sección de flotación de plomo#inc -bRn.! (a esfalerita es primero activada con >uSO4 y típicamente flotados a un pH elevado para la depresión
del
sulfuro
de
&ierro!
na combinación de *antato ya sea con ditiofosfato y?o tiocarbamato se usan en combinación con *antato en la flotación de la esfalerita pero a menudo la selección del colector tiende a ser &acia colectores dbiles! Se utili#a una estrateia similar de espumado, aunque como siempre, las condiciones del circuito y el mineral impactan la selección específica del reactivo! Si los niveles de talco son lo suficientemente altos e impactan neativamente la metaluria, depresores de talco pueden usarse en los circuitos de flotación de cobre y de #inc! Estos depresores incluyen celulosa carbo)imetil, de)trina, oma uar y almidón! (a interferencia de flotación del talco puede lorarse tambin con la selección adecuada del espumador! &. 3ALANCE DE MATERIA ; ENER4IA >on los par"metros y leyes actuales se tiene el siuiente balance metalúrico3