Procesos químicos industriales y materias primas

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Procesos químicos industriales y materias primas

  1. 1. Colegio Terraustral IVº Medio Dpto. Química. PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES FUENTES DE MATERIAS PRIMASIntroducciónA través del tiempo, el hombre, intentando satisfacer sus necesidades, ha desarrollado técnicas defabricación de diversos productos. En la antigüedad, sin un profundo conocimiento de la materia,se desarrollaron técnicas para fabricar vidrio, pigmentos, aleaciones, etc. Actualmente la ciencia ytecnología avanzan a un ritmo acelerado, proporcionándonos formas más eficaces de llevar a cabonuestras actividades.Procesos Industriales1. Fuente: Las fuentes de materias primas son múltiples: el aire, la tierra, el mar son losproveedores de éstas. Por ejemplo, el aire es fuente de nitrógeno, requerido para la obtención deamoniaco. De la corteza terrestre se pueden obtener metales como hierro, cobre, oro, níquel,platino, etc.2. Materia prima: Las materias primas son necesarias para el inicio de cualquier proceso industrial,ellas se preparan, purifican y dosifican para su uso posterior.3. Proceso industrial: Es el conjunto de procedimientos necesarios para modificar lascaracterísticas de las materias primas.Estos procedimientos pueden clasificarse en físicos, constituidos por moldeo, fusión, laminado,torneado, etc. o químicos, I LITIOPropiedades del litio  Símbolo: Li  Número atómico: 3  Metal blando, de color blanco plata, que se oxida rápidamente en aire o agua.  Densidad: 0,53 g/mL.  Es el metal más ligero.  Punto de fusión: 180,5° CMuy reactivo, aunque menos que el sodio, por lo que no se encuentra libre en la naturaleza.Altamente inflamable, ligeramente toxico y explosivo. Se emplea especialmente en aleacionesconductoras del calor, en baterías eléctricas y sus sales en aplicaciones médicas.Obtención de litioLa extracción del litio se realiza fundamentalmente a partir de la extracción de salmueras con altocontenido de litio desde salares, las que se depositan en grandes pozas de evaporación solar.ExtracciónLas salmueras son extraídas gracias a pozos de bombeo situados en los salares. Las salmuerasestán presentes en diversos bolsones de líquido bajo la superficie. Luego de ser extraída lasalmuera es bombeada a pozas de evaporación, a través de las cuales se obtienen las salescontenidas.
  2. 2. Colegio Terraustral IVº Medio Dpto. Química.El proceso se realiza gracias a las diferentes solubilidades que presentan las sales.A la salmuera líquida se le adiciona Ca+2 para precipitar los sulfatos como CaSO4, luego de una seriede evaporaciones son recuperados los cloruros (NaCl, KCl y MgCl2) y ácido bórico. Finalmente, porla adición de Na2CO3, precipitan MgCO3 y CaCO3. La solución residual es filtrada en caliente para laobtención de carbonato de litio. Otra parte de las salmueras ya concentradas son reinyectadas alos depósitos subterráneos del salar.Mediante procesos de molienda, flotación, secado y compactado se obtienen los siguientesproductos: cloruro de potasio y sulfato de calcio.Los productos de litio se obtienen y comercializan en una amplia gama de formas físicas y envases.El carbonato de litio, un polvo blanco fino, es menos soluble en agua caliente que en agua fría, noes higroscópico y es generalmente estable cuando es expuesto a la atmósfera. El carbonato de litioreacciona fácilmente con ácidos fuertes y es usado frecuentemente para la manufactura de otrassales de litio.Usos y aplicacionesEl principal uso industrial del litio es en forma de estearato de litio como espesante para grasaslubricantes.Otras aplicaciones importantes de compuestos de litio son en cerámica, de modo específico en laformulación de esmaltes para porcelana; como aditivo para alargar la vida y el rendimiento enacumuladores alcalinos y en soldadura autógena y soldadura para latón.Además, se usa en la producción de tritio, carburantes, en aleaciones muy duras, electrodos debaterías (ánodos, debido a su elevado potencial electroquímico), vidrios especiales, síntesisorgánica (organocompuestos de litio que son similares a los reactivos de Grignard), refrigerante.En otras de sus aplicaciones prácticas, el litio es empleado en los reactores nucleares, paraobtener el tritio que es un componente de las aleaciones empleadas en su construcción; ytambién como catalizador.Otros derivados del litio tienen importantes usos medicinales. El carbonato de litio para eltratamiento de artrosis, el bromuro de litio como sedante; y el citrato de litio y el carbonato delitio, como antídotos de las psicosis maníaco-depresivas en fase aguda.Se ha usado en aleaciones (en una proporción menor de 0,1%) muy duras (cojinetes), electrodosde baterías debido a su alto potencial electroquímico.
  3. 3. Colegio Terraustral IVº Medio Dpto. Química. II SALITREPropiedades del salitreEs una mezcla de nitratos NaNO3 y KNO3, obtenido a partir de un mineral llamado caliche.Se encuentra en forma natural en Sudamérica, fundamentalmente al norte de Chile.Utilizado para la fabricación de ácidos (nítrico y sulfúrico). Además, es un agente oxidante que seusa en agricultura como fertilizante. También se usa en la fabricación de explosivos (pirotecnia),medicina, fabricación de vidrios, preservante de alimentos, etc.Obtención del salitreSe obtiene a partir de los procesos de: Lixiviación, concentración, cristalización fraccionada.A partir del caliche, y mediante cristalización fraccionada, se obtiene el nitrato.El caliche se muele y lixivia con agua a 40°C, obteniendo una solución que se concentra en unapiscina por evaporación solar. Al disminuir la temperatura, el nitrato cristaliza y se recupera. Lassoluciones débiles se mantienen en las pozas para aumentar la concentración.Durante la evaporación también aumenta la concentración de los yodatos (IO3-) y de las solucionesconcentradas se obtiene sal (NaCl) y sulfato de sodio (Na2SO4).Para recuperar el yodo, se reducen los yodatos, según las siguientes reacciones: NaIO3 + 3NaHSO3 → NaI + 3NaHSO4 NaIO3 + 3SO2 + 3H2O → NaI + 3H2SO4Luego, el yoduro de sodio (NaI), es oxidado mediante la siguiente reacción: 5 NaI + NaIO3 + 3H2SO4 → 3I2 + 3Na2SO4 + 3H2OEl yodo obtenido es recuperado por flotación en celdas estándar. Se obtiene, en ellas, una pulpaconcentrada con 20 a 30% de yodo. El concentrado se seca, funde y purifica con ácido sulfúrico(H2SO4). Finalmente se pasa por rodillos, obteniéndose yodo en escamas. III CEMENTO Y CERÁMICASMuchas veces se confunde el cemento con el hormigón. Mientras el cemento es una especie depolvo fino de color grisáceo que se utiliza para fabricar hormigón, como componente del materialutilizado para pegar ladrillos, pavimentar carreteras, represas y muchas otras cosas, el cemento esel aglomerante usado en la preparación de los morteros (mezclas).Fabricación de cementoEl proceso de fabricación del cemento consta de cuatro etapas principales.1º Extracción y molienda de la materia primaComienza en las minas de piedra caliza donde extraen diferenciadamente la superficial, quecontiene caliza y óxidos de aluminios y de hierro, y la más profunda, rica en caliza más pura(CaCO3). Ambos tipos de rocas se trituran por separado hasta un diámetro de entre 5 a 7 cm, luego
  4. 4. Colegio Terraustral IVº Medio Dpto. Química.se mezclan en proporciones definidas de acuerdo al cemento que se quiera fabricar, la que es lamezcla pura. Dependiendo del tipo de roca natural utilizada, a veces se agrega a esta mezcla sílice,hierro y a veces óxido de aluminio para mejorar su calidad.2º Homogeneización de la materia primaUna vez que la mezcla está lista se introduce en un molino de rodillos, para transformar la mezclaen un polvo fino llamado mezcla cruda. Para unir los minerales se introduce la mezcla cruda en unhorno precalentador, donde se calienta hasta 800°C que sirve para eliminar CO2, dejando libre lacal (CaO).3º Producción del clinkerEl polvo pasa a un horno giratorio donde alcanza los 1500° C y se funde formando pequeñasbolitas denominadas clinker. Al salir del horno, el clinker es enfriado rápidamente para asegurar sualta calidad.4º Molienda de cemento.El último paso en la fabricación del cemento consiste en moler el clinker en un molino de bolas yen este momento se le añade yeso para retardar su fraguado (endurecimiento) al momento de serusado. IV ÁCIDO SULFÚRICOEl ácido sulfúrico concentrado, llamado antiguamente aceite de vitriolo, es un importante agentedesecante. Actúa tan vigorosamente en este aspecto que extrae el agua y por lo tanto carboniza lamadera, el algodón, el azúcar y el papel. Debido a estas propiedades desecantes, se usa parafabricar éter, nitroglicerina y tintes. Cuando se calienta, el ácido sulfúrico concentrado secomporta como un agente oxidante capaz, por ejemplo, de disolver metales tan poco reactivoscomo el cobre, el mercurio y el plomo, produciendo el sulfato del metal, dióxido de azufre y agua.El ácido sulfúrico es un ácido fuerte, es decir, en disolución acuosa se disocia fácilmente en ioneshidrógeno (H+) e iones sulfato (SO4-2). Cada molécula produce dos iones H+, o sea, que el ácidosulfúrico es biácido. Sus disoluciones diluidas muestran todas las características de los ácidos:tienen sabor amargo, conducen la electricidad, neutralizan los álcalis y corroen los metales activosdesprendiéndose gas hidrógeno. A partir del ácido sulfúrico se pueden preparar sales quecontienen el grupo sulfato SO4-2 y sales ácidas que contienen el grupo bisulfato, HSO4UsosEl ácido sulfúrico es el producto químico de mayor consumo en el mundo debido a suspropiedades. Los usos del ácido sulfúrico son tan variados que el volumen de su producciónproporciona un índice aproximado de la actividad general industrial. El ácido sulfúrico se utilizaprincipalmente para hacer fertilizantes, tanto superfosfato como sulfato de amonio. También seusa para fabricar productos orgánicos, pinturas y pigmentos y rayón, así como para refinarpetróleo y procesar metales. Uno de los pocos productos de consumo que contienen ácidosulfúrico como tal es la batería de plomo, que se utiliza en los automóviles. Últimamente, la
  5. 5. Colegio Terraustral IVº Medio Dpto. Química.compra de ácido sulfúrico está siendo muy controlada, pues se le utiliza en la purificación delclorhidrato de cocaína. V VIDRIOVidrio, sustancia amorfa fabricada, sobre todo, a partir de sílice (SiO2) y calizas, fundida a altastemperaturas con boratos o fosfatos. También se encuentra en la naturaleza, como en la obsidiana-material volcánico- o en los objetos conocidos como tectitas. El vidrio es una sustancia amorfaporque no es ni un sólido ni un líquido, sino que se encuentra en un estado vítreo, en el que lasunidades moleculares, aunque están dispuestas de forma desordenada, tienen suficiente cohesiónpara presentar rigidez mecánica. El vidrio se enfría hasta solidificarse sin que se produzcacristalización; el calentamiento puede devolverle su forma líquida. Suele ser transparente, perotambién puede ser traslúcido u opaco. Su color varía según los materiales empleados en sufabricación.FabricaciónEl vidrio se fabrica a partir de una mezcla compleja de compuestos vitrificantes, (sílice), fundentes(álcalis) y estabilizantes (cal). Estas materias primas se cargan en el horno de cubeta (deproducción continua) por medio de una tolva. El horno se calienta con quemadores de gas opetróleo. La llama debe alcanzar una temperatura suficiente, y para ello el aire se calienta en unosrecuperadores construidos con ladrillos refractarios, antes de que llegue a los quemadores. Lamezcla se funde a unos 1.500° C y avanza hacia la zona de enfriamiento, donde tiene lugar elrecocido. En el otro extremo del horno se alcanza una temperatura de 1.200 a 800º C. Al vidrio asíobtenido se le da forma por laminación o por otro método. VI HIERROEl hierro es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre y el segundo metal despuésdel aluminio. Se conoce desde la Prehistoria, donde da nombre a un período, la Edad del Hierro,en el que se extendió su uso y el trabajo con este metal.Se extrae de minerales como limonita, siderita (FeCO3), magnetita (Fe3O4), hematita (Fe2O3) y pirita(FeS2).Propiedades del hierro• Color blanco plata• Temperatura de fusión: 1535 °C.• Densidad: 7,86 g/mL• Metal blando, maleable y dúctil.• Se magnetiza fácilmente a temperatura ambiente.• Metal no noble, es decir, rara vez se presenta en estado nativo, ya que se oxida con facilidad.Es el metal más importante para la actividad humana, debido a que tiene una gran cantidad deaplicaciones. Entre sus aleaciones, sin lugar a dudas la más importante es el acero. Alrededor deeste metal se han creado muchas industrias, desde aquellas que asociadas a su extracción yproducción hasta otras que lo utilizan como materia prima para la fabricación de maquinarias,
  6. 6. Colegio Terraustral IVº Medio Dpto. Química.materiales de construcción, recipientes, instrumental de laboratorio y médico e incluso enutensilios de hogar.AceroEl acero es una aleación de hierro que tiene principalmente Cromo (Cr) y Níquel (Ni), y menos del1,7% de carbono debido a que el carbono presente en el arrabio se oxida. Presenta pequeñascantidades de otros elementos como silicio, fósforo, manganeso, etc., dependiendo del tipo deacero que se quiere producir. Estos elementos le confieren propiedades especiales: mayorresistencia al desgaste, a la corrosión, a la oxidación, etc. VII COBREEl cobre es un mineral escaso en la corteza terrestre, está presente aproximadamente en un0,007%. Sin embargo, los yacimientos de cobre chilenos, tienen una ley promedio de cobre de 1%,cifra que a nivel mundial es considerada muy buena.Propiedades del cobre.Numero atómico (Z): 29Masa atómica relativa: 63,55Estados de oxidación: +1 y +2Radio atómico: 1,28 A°Radios iónicos: Cu+ 0,06 A° y Cu2+ 0,72 A°Configuración electrónica: [Ar] 3d104s1Punto de fusión: 1083 °CElectronegatividad: 1,9Densidad: 8,92 g/cm3Conductividad eléctrica: 95 63Isotopos estables: Cu29 69,17% y 65Cu29 30,83%Industria del cobre.En la naturaleza se encuentra combinado con el oxigeno o con el azufre, formando mineralesoxidados (CuO, cuprita) o sulfurados (CuFeS2, calcopirita). El procedimiento empleado paraproducir cobre depende del tipo de mineral de donde provenga el cobre.Metalurgia del cobre.En Chile, el cobre se extrae de minerales oxidados y sulfurados. Tras el descubrimiento de unyacimiento y de los estudios correspondientes para determinar la ley del mineral se aplicandiversos métodos para la extracción y purificación del mineral. (Métodos mencionados en la guíaanterior). Los procesos físicos comprenden las etapas de extracción y molienda del mineral.
  7. 7. Colegio Terraustral IVº Medio Dpto. Química.Procesos específicos de la metalurgia del cobre. Extracción mineral oxidado Extracción mineral sulfurado Cuprita (CuO) Calcopirita (CuFeS2) Chancado Se tritura el mineral en chancadoras y molinos, hasta dejarlo de un menor tamaño Molienda El mineral se reduce a menos de 0,2mm, tamaño adecuado para la flotación. Lixiviación Flotación Proceso hidrometalúrgico en el que Proceso físico químico que sirve para se provoca la disolución del mineral, separar los minerales sulfurados del cobre. utilizando una solución de H2SO4. Consiste en mezclar la pulpa del mineral Obteniéndose CuSO4, con una con agua y otros agentes químicos. En concentración de 9g/L donde se obtiene un concentrado de Cu de un 31% de pureza. En este proceso de obtiene además la molibdenita (MoS2), la que posteriormente se transforma en oxido de molibdeno (MoO3). Filtración y secado Para llevar el concentrado al proceso de Extracción por solvente fundición es necesario dejarlo conLa disolución de CuSO4 es sometida a la menos de un 5% de humedad. Esto se acción de solventes orgánicos que consigue secándolo y filtrándolo a fuego capturan los iones Cu2+ en forma directo selectiva eliminando las impurezascomo: Fe, Al y Mn. El cobre se recupera Fundición.usando una disolución altamente acida, El concentrado de cobre es sometido a con lo que alcanza una concentración altas temperaturas en hornos de de 45g/L. reverbero con la finalidad de refinarlo, obteniendo un cobre blíster con un 96% de pureza. Electroobtención. Electrorrefinación

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