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• JUAN EDUARDO NAVARRO LA ROSA

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INGENERÍA INDUSTRIAL TRABAJO FINAL QUÍMICA II ODALYS CASA MAQQUE JOHANA HUAYPAR SALAS LUZ MARINA TORREBLANCA AROTAYPE IND 2-1 2020 “El alumno declara haber realizado el presente trabajo de acuerdo a las normas de la Universidad Católica San Pablo”

INTRODUCCIÓN: En este trabajo de investigación, analizaremos sobre los procesos de recubrimiento electrolítico, comenzaremos por mencionar que generalmente se realiza al depositar alguna lamina de algún metal sobre un material que le permita sumergirse dentro de un baño, que contiene una solución de iones. Para que la demostración se realice de manera eficiente, necesitamos conocer aspectos importantes que no podemos obviar, tales como el uso de productos puros químicamente, y no afecte en los resultados. Dentro de este trabajo necesitaremos seguir un procedimiento, que ahora lo mencionaremos generalmente, sin embargo, como pase el tiempo se irá comprendiendo mejor el tema, nos referimos que ciertos trozos, se ingresa al líquido que viene a ser el electrolito, donde le aplicaremos una corriente, para la formar el cátodo necesario y visualizaremos la protección de la pieza.

OBJETIVOS: 

El objetivo principal del proyecto es obtener capas de niquelado brillante mediante deposición.



electrolítica, a fin de conseguir una mejora a la corrosión.



Aprender a diferenciar las reacciones químicas en un proceso de recubrimiento electrolítico.



Evidenciar que existe una correspondencia directa de los sucesos químicos y el flujo de electricidad.



Aprender a la aplicación de la ley de Faraday.



Reconocer algunas propiedades del Níquel, para un proceso de recubrimiento electrolítico.

1. FUNDAMENTO TEÓRICO DE LOS PROCESOS DE ELECTRÓLISIS,

LA

LEY

DE

FARADAY,

GALVANOTECNIA DE LA CELDA ELECTROLÍTICA ASIGNADA.

1.1. PROCESO DE ELECTROLISIS Iniciando esta parte del fundamento daremos a conocer la definición de electrolisis, pues este se define como un proceso por el cual la corriente eléctrica, y se produce una separación. Como anteriormente lo mencionamos, el proceso de electrólisis es un proceso por el cual se apartan los elementos usando la electricidad, los sales y los óxidos conducen muy bien la electricidad, y tienden a descomponerse cuando sufren el efecto de la corriente eléctrica, esta sustancia llevará el nombre de electrolítico, y el fenómeno electrolisis, este contiene un proceso de óxido reducción, e incrementa la energía libre. El funcionamiento de este proceso ocurre gracias a que la buena conducción de sustancias ya que esta lleva una carga eléctrica.

1.2. GALVANOTECNIA DE LA CELDA ELECTROLITICA DE NIQUEL Al níquel propiamente, se le atribuye, propiedades muy efectivas para evitar la corrosión de los materiales, ya que este se considera, maleable, resistente y duro, lo cual permite que el trabajo de recubrimiento sea más eficiente, además al tener un tono amarillento, puede ser útil decorativamente. Según

la

investigación

de

Frank

de

Copenhague, el niquelado electrolítico, tiene tres diferentes baños, o recubrimientos, el baño de níquel mate, implica dos capas con un ancho sufrientemente grande, sobre otros metales, luego se tiene que ajustar el ph, a un ph ni tan acido ni tan alcalino, en cuanto se refiere a la temperatura, debería estar entre los cuarenta grados, en este proceso se hace uso de un ánodo de níquel en proceso de disolución, del mismo modo el ánodo debe estar en el polo positivo, un aspecto muy importante, es que en este proceso de niquelación el burbujeo es menor, y daña el proceso de deposición del níquel. El baño de níquel brillante tiene propiedades aditivas, donde puede incluirse ciertos brillantes, para una densidad de corriente más grande, estos depósitos deben tener una buena nivelación, para una buena conducción. Una temperatura adecuada para este procedimiento es de 40 a 50 °C.

Con respecto a los niquelados diluidos se hace uso de un ánodo difícil de diluir en el proceso de recubrimiento, esto trae consigo un a la poca concentración de sales, que lleva a la deficiencia del recubrimiento. En medida de ello se considera que los baños, con este tipo de errores, no aprovecha todo el níquel, es mas solo llega a aprovechar un 50 %, por ende, sus depósitos son ineficiente.

1.3. LEY DE FARADAY

Esta ley lleva el nombre de Faraday por su creador Michael Faraday, y establece que el voltaje introducido dentro de una bobina esta directa relación con la rapidez de cambio de flujo magnético sobre el tiempo en cualquier superficie. Es por ello por lo que la fórmula que se usa es la que se muestra en la imagen más próxima. N, hace referencia al número de vueltas de la bobina.∅. hace referencia al flujo magnético, el cual es el producto entre el campo magnético y el área a usar Si llegase a suceder un cambio en el campo magnético, se induciría en una fuerza electromotriz.

2. CÁLCULOS

MATEMÁTICOS,

MATERIALES

REQUERIDOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UNA CELDA ARTESANAL.

2.1. CÁLCULOS MATEMÁTICOS El níquel es un metal blanco-plateado, dúctil, muy buen conductor de la electricidad, con propiedades ferromagnéticas y resistente a la abrasión y a los ataques de la mayoría de los ácidos y bases. Además, se trata de un gran catalizador, como demuestra su utilización en un gran número de procesos químicos. El niquelado consiste en el recubrimiento de la superficie de una pieza metálica (generalmente de acero, latón, cobre o zamak) con níquel con el propósito de aumentar su resistencia a la oxidación y a la corrosión y/o mejorar su aspecto físico. Unos objetivos que coinciden con los de los procesos de cromado y cobreado. En la imagen podemos observar los elementos que intervendrán el proceso electrolítico.

Para explicar las reacciones en los electrodos, se considerará al Sulfato de níquel como la solución de la reacción.

6

De los cuales nuestro ánodo (+) será el elemento níquel (Ni), y nuestro cátodo (-) será el cobre (Cu). Proceso de recubrimiento de celda electrolítica a base del níquel: Masa inicial de la lámina de cobre = 10 gramos

Masa final de la lámina de cobre = 8,88 g intensidad de la pila = 6 A Peso molecular del níquel = 58,7 g/mol Valencia del níquel = 2 Tiempo de electrodeposición = 20 minutos = 1200 s

CELDA ELECTROLÍTICA PARA NIQUELAR

2.2. MATERIALES

REQUERIDOS

PARA

CONSTRUCCIÓN DE UNA CELDA ARTESANAL. •

cubeta

•

barra de cobre 10 gramos (material a niquelar)

•

Cinta adhesiva

•

Batería (pila) de 6 voltios

LA

•

Placa de níquel

•

Gancho

•

Colador enlozado

•

Objeto para niquelar

•

50 gr de cloruro de cinc

•

50 gr de sulfato de níquel

•

Carbón activo

2.3. PROCEDIMIENTO El polo positivo de la pila se conecta a una barra en la que se colgaran, mediante ganchos metálicos, placas de níquel que se sumergen en el baño, el polo negativo se conecta a la otra barra, en la que se suspenderán, en ganchos, las piezas a niquelar. En 10 litros de agua, debemos ingresar cloruro de cinc que se calienta hasta la ebullición, y en la cual se hace disolver sulfato de níquel. Los objetos son sumergidos en el baño durante una hora, y la operación es activada metiendo con los objetos una banda de cinc. Esto permitirá aumentar la solidez del niquelado consiste en calentar a bastante temperatura los objetos niquelados. Fundiéndose un 'poco la capa niquelada con el metal sobre el que se halla colocada forma una especie de aleación y, en consecuencia, es considerablemente aumentada la adherencia de la capa delgada de níquel. El baño de cloruro de cinc y de sulfato de níquel es preparado a razón de una parte de cloruro por dos partes de sulfato; a veces suele emplearse sulfato de níquel amoniacal.

Añadimos el cloruro de níquel y el sulfato de níquel agitando la disolución durante 30 – 45minutos. Después se añade el carbón activo y se deja 1 hora en agitación para después filtrar.

3. EXPLICACIÓN FUNCIONAMIENTO

MECANISMO Cu

Y Y

DEMOSTRACIÓN

DEL DEL

PRINCIPIO. La ley de faraday constituye el principio fundamental de la electrólisis. Con la ecuación de esta ley se puede calcular la cantidad de metal que se ha corroído o depositado uniformemente sobre otro, mediante un proceso electroquímico durante cierto tiempo. Baños de níquel mate.

3.1. EXPLICACIÓN El recubrimiento consistirá en dar capas gruesas de níquel que en esta ocasión la aremos sobre cobre será un recubrimiento muy concentrado que permite trabajar con corrientes de 6 amperios por decímetro cuadrado, con el cual se consigue gruesas capas de níquel. El recubrimiento de níquel de cobre requerirá ánodos de níquel que deben sumergirse en un electrolito. La parte se suspende en un cable entre los electrodos de níquel. Los cables, que son de placas de níquel, que están conectados entre sí.

Los detalles están conectados al polo negativo de la fuente de voltaje, y los cables al positivo. Después conectamos la resistencia al circuito y al miliamperímetro para ajustar el voltaje en este caso de 6 voltios. La corriente estará encendida durante 20 minutos.

3.2. MECANISMO DEL FUNCIONAMIENTO En el prototipo el ánodo que es níquel quedara cargado positivamente , donde se realizara la oxidación , el niquelado es un proceso electroquímico que da como resultado la separación del níquel en un electrodo (ánodo) y el deposito de un capa de gris pálido en el otro electrodo (cátodo) que en este caso vendría a ser el cobre, en celda prepara, al introducir los elementos como la lamina de níquel y la lamina de cobre al ser conectado a una corriente o a la carga de la batería se producirá una reacción química, donde el ánodo que el cinc , soltara pedazos, capas de níquel que serán transferidos al cobre, recubriéndolo completamente con ayuda del sulfato de níquel , ya que el es la fuente principal del ion Ni⁺² en galvanizado.

3.3. DEMOSTRACIÓN DEL PRINCIPIO i.

Veremos las reaccione en el cátodo: NiSO4 + H2O → Ni2+ + SO42 - + H2O

Por lo que se produce H2

ii.

Reacciones en el ánodo:

Por lo que se produce O2

iii.

Ley de Faraday: Con estos datos aplicamos la ley de Faraday para determinar cuántos gramos de níquel se han depositado en la lámina de acero

Despejando g que es la masa depositada del metal: I . t . PM g= 96486 . v 6 .1200 . 58,7 g¿ 96486 .2 g = 2,1901 gramos Entonces tenemos 2.1901 gramos de níquel electrodepositado

4. COSTOS DE LOS PROCESOS INVOLUCRADOS EN LA INSTALACIÓN DE UNA PLANTA PILOTO DEL PROCESO DE

NIQUEL Para sacar el costo de una planta piloto de niquelado, primero se tuvo que elaborar recopilando información de funcionamientos, condiciones de trabajo, requerimientos, disponibilidad de materiales y espacio, herramientas y mas insumos adaptados al conjunto y construcción, con lo cual se analizo y diseño la planta piloto determinando características y espacios de las diferentes dependencias para realizar trabajos satisfactorios y ordenados. A continuación, se mostrará dos presupuestos, con una lista de precios obtenida de proveedores y fabricantes, los cuales fueron consultados para la obtención de un precio final a la propuesta. 1er presupuesto La tabla 4.1 presenta los materiales usados, las herramientas y equipos necesarios son mostrados en la tabla 4.2 y 4.3 respectivamente, en cada una de ellas se toma en cuenta la cantidad y costos necesarios para la implementación de la automatización de la planta. 2do presupuesto La tabla 4.4 presenta Mesa de Trabajo, la tabla 4.5 mostrara Camara y Extractor de gases, la tabla 4.6 muestra Electrolisis, anodos, acidos y cubas, la tabla 4.7 muestra el control y potencia, la tabla 4.8 materiales y herramientas y por ultimo la tabla 4.9 nos presenta gastos administrativos. TABLA 4.1: DATOS PRINCIPALES Partid a

Material

Cantidad

Unidad

Precio Unitario

IMPORTE

1 2 3 4 5

Botón de paro tipo hongo Botonera de arranque-paro Interruptor termomagnético 2A Interruptor termomagnético 20A Clemas con portafusible

1 1 20 4 22

Pieza Pieza Pieza Pieza Pieza

$85.00 $90.00 $138.00 $76.50 $27.69+IV

71.4 75.6 2318.4 257.04 511.7112

6 7

Fusible europeo 2A Cable color rojo calibre 18

22 100

Pieza M

A $2.50+IVA $204.00

46.2 171.36

caja con 8

Cable color blanco calibre 18

100

M

100mts $204.00

171.36

caja con 9

Cable color negro calibre 18

100

M

100mts $204.00

171.36

caja con 10 11

Gusano para cable Canaleta ranurada 40*40

2 1

M

100mts $8.50 por

14.28

M

metro $58.15 +

48.846

IVA por 2 12

Riel Din

1

Pieza

metros $50.00 por

13 14 15

Tornillos de 2” Rondanas para tornillo de 2” Cintillos sujeta cable (cinchos)

30 60 100

Pieza Pieza Pieza

2 metros $135 $80 $30.00 por

113.4 67.2 25.2

Pieza

un ciento $86.00 por

72.24

Pieza

un ciento $59.00 por

49.56

Pieza

un ciento $1990.00

16 17 18

Capuchones Conectores Similar Gabinete Similar SUBTOTAL IVA

100 100 1

42

1671.6 $58.98.76 $1123.57

TOTAL

$7022.33

Tabla 4.2 Datos secundarios N°1 Partida Herramienta Cantidad Unidad Precio unitario 1 Pinzas de electricista 8” Trupper 2 Pieza $159 2 Pinzas de punta con corte 6” Tullmex 2 Pieza $132 3 Pinza pelacable automáticas Steren 2 Pieza $395 4 Desarmador de cruz Stanley 2 Pieza $45*2

Importe $267.12 $221.76 $663.60 $75.60

desarmadores $45*2

$75.60

5

Desarmador plano Stanley

6 7 8

Taladro Atornillador Boch 1 Pieza Lima redonda bastarda 4” 3 Pieza Multímetro digital Steren 2 Pieza SUBTOTAL IVA TOTAL Tabla 4.3 Datos secundarios N°2

Partida 1 2 3 4 5 6

Equipo OPLC Unitronics V350 Modulo EX-A2 Modulo IO-RO16 Modulo IO-PT400 RTD PT-100 Rosemount Fuente de alimentación

2

Cantidad 1 1 1 2 7 1

Pieza

Unidad Pieza Pieza Pieza Pieza Pieza Pieza

desarmadores $1897 $34.50 $779

Precio unitario 669.66 USD 105.54 USD 321.04 USD 326.91 USD $500 USD $950 PESOS

$1593.48 $86.94 $1308.72 $4292.82 $817.68 $5110.5

Precio total $10176.15 $1603.78 $4878.52 $9935.44 $4.025 $950

24VCD SUBTOTAL IVA PRECIO TOTAL

$31568.89 $5051.02 $36.619.91

Tabla 4.4 Mesa de trabajo Partida 1 2

Descripcion Mezon de melaminico Placa de granito

Cantidad 1 1

Precio Unitario $240.00 $105.00

Precio total $240.00 $105.00

3 4 5 6 7

Partida 1 2 3

Lavandin 1 Valvula 1 Recipiente plástico 5GI 1 Sensor de nivel 1 Bomba de agua 1 SUBTOTAL Tabla 4.5 Camara y extractor de gases Descripcion Construccion camara Ventilador Tubo flexible SUBTOTAL

Cantidad 1 1 1

$21.60 $11.50 $9.15 $4.80 $34.00

$21.60 $11.50 $9.15 $4.80 $34.00 $426.05

Precio Unitario $75.00 $11.00 $22.30

Precio total $75.00 $11.00 $22.30 $108.30

Tabla 4.6 Electrolitos, anodos, acidos y cubas Partida 1 2 3 4

Descripcion Baños electroliticos Anodos Acidos Cubas SUBTOTAL

Cantidad 1 1 1 1

Precio Unitario $173.35 $146.16 $28.70 $72.56

Precio total $173.35 $146.16 $28.70 $72.56 $420.77

Precio Unitario $340.00 $304.17 $100.00 $75.00 $35.00 $11.00 $10.00 $12.64 $11.65 $20.00 $2.75 $4.20 $2.10 $6.50 $63.00 $0.98

Precio Total $340.00 $304.17 $100.00 $75.00 $35.00 $11.00 $10.00 $12.64 $11.65 $20.00 $2.75 $4.20 $2.10 $6.50 $63.00 $7.84

Tabla 4.7 Control y potencia Partida 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Descripcion Fuente de poder Transformador Temporizador Control de temperatura Control de extractor Ventilador Bomba de aire Contactor 2 Hp Contactor 2 polos Cable (varios calibres) Porta fusible Boton paro de emergencia Lampara indicadora Adaptador 5V Tablero de control Pulsadores

Cantidad 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 8

SUBTOTAL

$1005.85

Tabla 4.8 Materiales y herramientas Partida 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Descripcion Herramientas Tornilleria Perfiles de Aluminio Canaletas Tubo y rejilla Accesorios electricos Cable 14*3 Accesorios hidraulicos Pintura Seguridad industrial Albañil Transporte SUBTOTAL

Cantidad 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Precio Unitario $40.00 $20.00 $16.29 $3.00 $11.30 $28.51 $25.00 $38.00 $31.79 $72.00 $20.00 $261.50

Precio Total $40.00 $20.00 $16.29 $3.00 $11.30 $28.51 $25.00 $38.00 $31.79 $72.00 $20.00 $261.50 $573.39

Precio Unitario $126.72 $126.72 $0.00

Precio total $126.72 $126.72 $0.00 $253.44

Tabla 4.9 Gastos administrativos Partida 1 2 3

Descripcion Costo ingenieril 5% Imprevistos 5% Unidad 0% SUBTOTAL

Cantidad 1 1 1

5.-CONCLUSION Y RECOMENDACIONES: 5.1 CONCLUSIONES 

Se obtiene capas de niquelado brillante mediante deposición mediante la celda electrolítica para niquelar para

conseguir una mejora a la

corrosión. 

Encontramos diferencias en las reacciones químicas en un proceso de recubrimiento electrolítico.



existe una correspondencia directa de los sucesos químicos y el flujo de electricidad mediante la electrolisis del níquel



Utilizamos formulas y conceptos de electroquímica para las reacciones en celdas teniendo en claro el método oxido-reducción



Encontramos propiedades del Níquel, para este proceso electrolito como: son de tipo de metales,

elevada dureza, el tiene puntos de

ebullición y fusión elevados y ser buenos conductores de la electricidad y el calor. 

Hallamos la reacciones de cátodo y ánodo en cada uno respectivamente y que valencia y cómo se comporta el níquel

5.2 RECOMENDACIONES 

 Las piezas a tratar deben estar limpias y libres de suciedad, corrosión y defectos, antes de poder comenzar.



Para limpiar y proteger la pieza durante el proceso de recubrimiento se puede utilizar una combinación de tratamiento térmico, limpieza, enmascaramiento, decapado y grabado



Es un proyecto a gran escala con un alto presupuesto en la instalación de una planta de níquel, por lo que los gastos en una planta deben ser calculados para obtener un presupuesto de costo para el cobro de este procedimiento en la planta y obtener ganancias.