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• Ivan Daza Prada

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DIAGRAMA DE ESTABILIDAD DE KELLOG

PAMELA YANETH BRACKMAN AMADO 2052240

PRESENTADO A: ING. LUIS ORLANDO AGUIRRE

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER BUCARAMANGA TERMODINAMICA 2009

INTRODUCCION

En el trabajo que veremos a continuación tratare temas de la metalurgia extractiva que tiene como objeto fundamental, la recuperación o extracción de los metales a partir de sus minerales. La metalurgia extractiva se divide en tres ramas: Pirometalúrgia, Hidrometalurgia, y Electrometalurgia. A continuación analizare uno de los procesos de pirometalúrgia llamado tostación, del cual se deriva el diagrama de estabilidad de kellog. Pero antes hare un resumen de conocimientos previos para un mayor manejo del diagrama de estabilidad de kellog.

PIROMETALURGIA

La pirometalúrgia es la técnica tradicional de extracción de metales. Permite obtener metales a partir de sus minerales o de sus concentrados por medio del calor. Se trata principalmente de extraer el metal del mineral, eliminar la ganga del mineral y purificar los metales. Históricamente, este procedimiento fue el primero en aparecer. Las operaciones se efectúan entre 950 y 1000°C.Una gran cantidad de metales tales como el hierro, níquel, estaño, cobre, oro y plata son obtenidos desde el mineral o su concentrado por medio de la pirometalúrgia. La pirometalúrgia es utilizada en mayor proporción porque es un proceso mucho más rápido, su desventaja es ser altamente contaminante para el ambiente.

PROCESOS PIROMETALURGICOS Los procesos pirometalúrgicos los podemos subdividir:  Procesos en los que intervienen dos faces solamente (gas – solido) a temperatura entre 100 / 900 oC; procesos de calcinación y tostación.  Proceso de separación en dos fases, por fusión o volatización de un componente. En este proceso se conserva la identidad química del material a fundir.  Procesos en los cuales se produce un cambio químico del material que se esta tratando; puede ser de tipo reductor (alto horno, horno eléctrico), oxidante (Procesos de afino del arrabio en convertidores), sulfurante (producción de una mata de níquel para luego obtener níquel puro).  Procesos de producción de metales volátiles y de destilación. Pueden ocurrir con o sin reacción química.  Procesos electroquímicos usados para la extracción y refinación de un metal, el electrolito puede ser una fase liquida o una mezcla de sales fundidas.  Procesos en donde hay solo aporte de energía térmica o electrotérmica.  Procesos en donde hay aporte de energía térmica y electrotérmica o lo que se llama electrolisis ígnea. ( producción de aluminio)

PRINCIPALES OPERACIONES PIROMETALURGICAS 3.3.1 CALCINACIÓN Consiste en la descomposición del mineral en sus óxidos formadores por la acción del calor. La calcinación es el proceso de calentar una sustancia a temperatura elevada, pero por debajo de su punto de fusión, para provocar la descomposición térmica o un cambio de estado en su constitución física o química.

TOSTACIÓN La tostación consiste en el calentamiento sin fusión de minerales o concentrados con el propósito de modificar sus características físicas y/o químicas. En el sentido químico, la tostación puede significar un proceso de oxidación, reducción o magnetización, sulfatación o cloruracion. La tostación involucra cambios químicos y descomposición térmica. Una tostación puede en algunos casos efectuar secado y calcinación o descomposición térmica en su proceso, depende de la difusión de las especies químicas a través de los productos del frente de reacción en cada partícula. Las tostaciones magnetizante y clorurante son usualmente de carácter reductor y requieren buen control de la atmósfera del horno.

TIPOS DE TOSTACIONES METALURGICAS La tostación no solamente involucra el fenómeno de oxidación, sino que puede ir acompañada por cualquiera de los siguientes objetivos:  TOSTACION OXIDANTE: Se utiliza para disminuir o quitar el azufre de un compuesto sulfurado y reemplazarlo parcial o totalmente con el oxigeno.  TOSTACION MAGNETIZANTE: Tiene por objeto la concentración del mineral por separación magnética. Se acompaña con una reducción controlada de hematita a magnetita.  TOATACION SULFURANTE: Se emplea para convertir sulfuros metálicos u óxidos a sulfatos, antes de ser lixiviados (importante en la metalurgia de los minerales de uranio y de manganeso).  TOSTACION CLORURANTE: es aconsejable para convertir ciertos metales a sus cloruros volátiles.  TOSTACION CARBURIZANTE: es utilizado para preparar calcina o materiales refractarios para clorinación (minerales de titanio y de circonio).  TOSTACION CON CARBONATO O CENIZAS DE SODA: Empleada para extraer elementos refractarios como el cromo a partir de sus minerales, por medio de lixiviación de compuestos, tales como el cromato de sodio.  TOSTACION POR SEGREGACION O CLORO-METALIZACION: Para la separación de partículas metálicas de la matriz del mineral sobre una superficie reductora.  TOSTACION VOLATILIZANTE: Se utiliza para eliminar otros metales con óxidos volátiles, como el AS2O3, Sb2O3, ZnO, que se condensan en las partes mas frías del tostador, a temperatura controlada,

se emplea en el beneficio de minerales de bismuto, para remover los óxidos de Arsenio y antimonio.  TOSTACION REDUCTORA: convierte los óxidos a metal, en una matriz compleja que posteriormente se lixivia o se funde.  TOSTACION BLAST (SINTERIZACION): Modifica la característica físico-química del mineral concentrado. Se utiliza en la industria de los minerales de hierro.

TERMODINAMICA DE LAS REACCIONES DE TOSTACION DE MINERALES SULFATADOS

Para facilitar la extracción de metales de sus minerales sulfurados, los concentrados de sulfuros son tostados con el oxigeno del aire para convertirlos en óxidos metálicos y/o sulfatos. La tostación se realiza a temperatura de 5001000 oC, dependiendo del mineral y del posterior tratamiento del producto de tostación. Las reacciones más importantes que ocurren durante la tostación de sulfuros son:  Oxidación de sulfuro metálico a oxido 2MeS + 302V

→

2MeO + 2SO2

 Formación y descomposición del trióxido de azufre y el sulfato metálico: 2MeO + 2SO2 + O2 ↔ 2SO3 Puede ocurrir formación de un oxisulfato intermedio (caso del Pb, Cu, Zn) 2MeO + SO2 + ½ O2 ↔ MeO × MeSO4 MeO × MeSO4 + SO2 + ½ O2 → 2MeSO4

 Formación de compuestos tipo ferrita MeO + Fe2O3 → MeFe2 O4 En la reacción del sulfuro metálico a oxido, para todos los sulfuros metálicos es fuertemente exotérmica y debido a ello el equilibrio se desplaza en la dirección de derecha a izquierda a elevadas temperaturas. Sin embargo, para las temperaturas del tostador (500 a 1200 ºC), la cantidad de este cambio es pequeño y la posición del equilibrio permanece lejos a la derecha.

La reacción fundamental de tostación es esencialmente irreversible. En el tostador suelen estar presentes además de los óxidos metálicos simples (MeO y otros) y sulfuros metálicos que no han reaccionado.

DIAGRAMAS DE ESTABILIDAD DE KELLOG Para una temperatura dada, la composición de las mezcla de gas está definida por la expresión parcial de cualquiera de los dos componentes gaseosos. Para una composición de gas fija, la composición de las fases condensadas es fija. De esta forma las relaciones de fase en el sistema ternario a temperatura constante se pueden describir en un diagrama bidimensional, donde las dos coordenadas son las presiones parciales de los dos componentes gaseosos (SO2 y O2). Las constantes de equilibrio para la reacción 1) 2MeS + 30 2 2SO2 Y 2) 2MeO + 2SO2 + O2 2MeSO K

a2

MeO  P2SO2

a2

MeS  P3O2 (1)

2MeO +

K

a2

MeSO4

a2

MeO 

p2

SO2  PO2 (2)

Asumiendo que los compuestos sólidos están en estado puro, sus respectivas actividades son iguales a uno. Tomando logaritmos para ambos lados de las anteriores ecuaciones se obtiene: Log PSO2 Log Pso2

Log k (1) + Log (2)

Log PO2 (3) Log PO2 (4)

Las constantes de equilibrio se pueden encontrar a partir de la ecuación: G°T

-RT Ln K (5)

Si se grafican las ecuaciones anteriores en un sistema de coordenadas , se obtienen dos líneas rectas, las cuales presentan el límite de estabilidad termodinámico entre el sulfuro metálico (MeS) y el oxido metálico (MeO) y el sulfato metálico (MeSO4), según la ecuación (). Para otras reacciones que ocurren durante el proceso de tostación, se utiliza el mismo procedimiento, el área entre las líneas es llamada área de predominancia o de estabilidad para una fase en particular y el diagrama, diagrama de kellog o de estabilidad.

EJEMPLO DIAGRAMA DE ESTABILIDAD PARA EL SISTEMA Ni-S-O El diagrama de estabilidad para el sistema Ni-S-O a la temperatura de 1000C se representa en la siguiente figura.

El cuadrado pequeño en la figura según Pehlke encierra un área en donde las presiones se encuentran en el rango de 0.01- 0.1 atm.

Cuando la operación se realiza a presión total de una atmosfera. Composiciones del gas de 3-10% de oxigeno y 3-10% de SO2, produciría sulfato de níquel (NiSO4) como fase estable solida. El oxigeno de níquel seria estable con una composición de la fase gaseosa de 1% de 02 y 1% de SO2. En el punto invariable A, de la misma figura, las condiciones no son las requeridas para obtener níquel metálico en una tostación comercial. FUSIÓN Obtención de una fase fundida - fase metálica - fase oxidada - fase sulfurada - fase con arsénico

VOLATILIZACIÓN Obtención del metal o compuesto del metal como gas. La volatilización es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso, sin pasar por el estado líquido. Antiguamente también se la llamaba de la misma forma que al proceso inverso, la sublimación. METALOTERMIA Desplazamiento de un metal de un compuesto por otro metal más activo o más ávido por el metaloide formador del compuesto. Electrólisis ígnea o de sales fundidas Obtención de un metal a partir de un compuesto en estado fundido utilizado como reductor la corriente eléctrica.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS PROCESOS PIROMETALÚRGICOS

 VENTAJAS: Velocidades de reacción muy rápidas Producción elevada Grandes instalaciones Ideales para tratamiento de materias primas complejas y heterogéneas

 DESVENTAJAS: Poca selectividad y eficiencia de las reacciones química A veces es necesario repetir las etapas Problemas de contaminación ambiental por residuos gaseosos (SO2) y por ruidos Consumo energético elevado.

5. CONCLUSION Los diagramas de estabilidad de un proceso pirometalúrgicos, nos dan ideas generales de las etapas por las que debe pasar un mineral antes de obtenerse el metal correspondiente y el producto final. Para una temperatura dada, la composición de la mezcla de gas esta definida por la presión parcial de cualquiera de los dos componentes gaseosos. Cuando se tuestan minerales sulfurados complejos, los sulfuros pueden formar soluciones solidas y aun sulfuros extremadamente complejos; si se producen óxidos, estos pueden reaccionar entre si.