Calcinacion Lab 2

 

1.  INTRODUCCION

CALCINACION

El proceso de calcinación, es una operación unitaria metalúrgica de suma importancia, ya que permite obtener óxidos a partir de carbonatos, sulfatos e hidróxidos. Con la calcinación se prepara los minerales, para después realizar su próximo tratamiento de extracción del metal valioso. Es de suma importación, conocer la termodinámica y cinética de la calcinación, ya que esto  permite al ingeniero metalurgista, determinar las condiciones de trabajo, del horno como ser la temperatura, para poder realizar una calcinación de alto rendimiento. En el presente informe de laboratorio, se muestra la determinación de las condiciones de trabajo para a partir de cerusita lograr obtener un oxido de plomo rojo, con un alto rendimiento.

2.  OBJETIVOS

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Estudiar las bases termodinámicas del proceso. Realizar a nivel de laboratorio la calcinación de un mineral de cerusita. Obtener con ayuda del diagrama TPP, las condiciones para realizar la calcinación. Obtener como producto de la calcinación, el óxido de plomo rojo.

3.  FUNDAMENTO TEORICO 3.1. Calcinación El término calcinación es empleado para denotar la descomposición térmica de sólidos, y que como producto nos de otro sólido y un gas, la calcinación está basada en la ecuación general:

ó 1=ó 2 +   La calcinación es también una operación unitaria en la metalurgia, para muchos  procesos. La calcinación, puede llevarse llevarse a cabo para sólidos como sulfatos, sulfatos, carbonatos, he incluso que operación también laes descomposición de los es denominado secado. Sinhidróxidos, embrago, esta más aplicado para loshidróxidos carbonatos. 3.1.1.  Termodinámica de la calcinación de carbonatos La descomposición del carbonato está dado por la ecuación química:

 =  +   Para esta ecuación, se realiza el equilibrio correspondiente teniendo:

   = 

Asumiendo que la fase sólida, es pura, se tendrá que las actividades de los sólidos son 1:

 =   1

 

La actividad del CO2  es la presión del gas, además tomando en cuenta la ecuación de energía libre se tiene las relaciones:

 =   

∆ = − −    ∆ = − −   

Si despejamos la presión del gas tenemos:

 =  ==exp(−∆  ) Donde K es la constante de equilibrio y ΔG es el cambio de energía libre estándar de la anterior reacción. Se observa a que a medida que aumenta la temperatura, mayor presión de CO2 hay, esto nos indica, que la calcinación de un carbonato, depende de la presión de CO 2 que se produce. Esto nos indica que la reacción de descomposición de carbonatos, es favorecido, a medida que aumenta la temperatura. Algunos ejemplos de la práctica, de la temperatura de descomposición de carbonatos son: 200°C para el FeCO3, 400°C para MgCO3. 900°C para CaCO3. También viendo las condiciones atmosféricas, es decir la presión del aire, se dice que la descomposición térmica, empieza cuando la presión del CO 2, es mayor que la presión atmosférica local. La presencia de impurezas, puede causar una caída en el punto de disociación, esto implica que la temperatura t presión de equilibrio para la reacción de descomposición del carbonato son incrementados. 3.1.2.  Cinética de la calcinación de carbonatos Además de determinar las temperaturas, de descomposición de los carbonatos, es necesario conocer la cinética de la reacción. Se han realizado muchas investigaciones para describir la manera exacta la forma en la que se lleva a cabo la descomposición. Al momento de producirse la calcinación, sobre la superficie de la partícula, se

forma una interface, oxido-carbonato, en la cual, perjudica en el momento de calcinar el mineral, debido a que se forma en la den la superficie, del mineral, una capa de óxido, y el interior sigue siendo carbonato, por este motivo, se trata en calcinar un mineral, porque se tarda más tiempo, en llegar al centro del mineral, para que ocurra la descomposición. Basado en los datos de calcinación, Furnas derivo la siguiente ecuación, la cual  puede ser usada para determinar la penetración progresiva de la zona de calcinación:

lologg  = 00.0.003 0314 145 5 − 3.3085 3085  Donde: R= Velocidad de avance de la interface de calcinación, cm/h. T= Temperatura del ambiente °C. 2

 

La velocidad de movimiento en las interfaces es dependiente solo de la temperatura y área disponible, entonces se puede decir que a mayor área de contacto que se tenga, mejor sería el proceso, por tanto el tiempo que se emplea, en la calcinación es proporcional al tamaño de la partícula, favoreciendo un tamaño más pequeño. 4.  MATERIALES Y METODO EXPERIMENTAL 4.1. Materiales 4.1.1.  Materiales y reactivos -  Horno -  Crisol de cerámica. -  Balanza digital. -  Mineral cerusita 4.1.2.  Composición mineralógica de la cerusita Pb = 73.5% SiO2 = 2.5% 4.2. Procedimiento experimental -  Con ayuda del programa HSC, se construyó, un diagrama TPP para Pb-O-C, Pb -O-C, para poder determinar la temperatura, a la cual se debía calentar el horno, y así poder realizar la calcinación, se tomó en cuenta las condiciones atmosféricas locales, para tener datos más exactos. -  Una vez definido, las condiciones, se preparó el horno, a la temperatura encontrada. -  Se pesó el crisol vacío, y luego se lo lleno con el mineral. -  Se pesó el crisol más el mineral, y se introdujo al horno, y se hizo calcinar calcinar la muestra durante un día. -  Se sacó la muestra del horno, y se pesó, se pudo observar, que la masa de la muestra disminuyo, considerablemente. 5.  RESULTADOS 5.1. Diagrama TPP para el sistema Pb-O-C, y temperatura de calcinación log pCO2(g)

Predominance Diagram for Pb-O-C System

10PbC2O4 5

PbCO3

0 -5 -10 -15 PbO2 Pb

-20

PbO(R)

-25 -30 -35 -40 -40

-30

Constant value:

-20

-10

0

10

20

30

40 log pO2(g)

T / °C = 300.00

Figura 1. Determinación de la presión del O 2 a 300ºC 3

 

Predominance Diagram for Pb-O-C System

log pCO2(g) -5

-10

-15

-20 Pb12O17

PbO(R)

PbO

Pb

-25

-30

-35

-40 100

200

300

400

Constant value: pO2(g) = 1.00E-10

500

600

700

800

900 T / °C

Figura 2. Determinación de la temperatura que se trabajara

-  La temperatura elegida es de T= 384ºC  5.2. Producto de óxido rojo obtenido

Figura 3. Producto obtenido de la calcinación

Figura 4. Comparación entre productos obtenidos, oxido rojo y amarillo de plomo

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5.3. Composición del mineral calculada. -  La composición el mineral seria: %Pb = 21.65 % %PbCO3 = 66.88 % %SiO2 = 2.5 % Otros = 8.97 % 6.  DISCUCIONES

-  Como se puede ver en la figura 1, se escogió la composición o presión de oxígeno, para  poder determinar mejor la temperatura de calcinación, para esto se propuso una temperatura inicial de 300ºC para poder pod er construir el diagrama, la línea roja nos muestra la presión de oxigeno que se eligió para el proceso, tomando en cuenta la composición del oxígeno de acuerdo a la presión atmosférica local (0.64 atm). Se escogió esta composición, debido a que debe estar entre los límites de la estabilidad del óxido de  plomo rojo, a la cual se desea llegar, no se escogió el valor del medio, debido a que como el mineral tiene impurezas, esto hace que aumente la temperatura necesaria para la descomposición. -  Con la presión de oxigeno definida, se construyó otro diagrama, la que se ve en la figura 2, esto para poder, determinar la temperatura a cual se trabajara en el horno. Se puede ver que los límites de estabilidad del óxido óx ido de plomo rojo son entre las temperaturas de 120-480 ºC, dentro de este rango de temperatura se puede, se debe trabajar para obtener el óxido de plomo rojo desea, se escogió una temperatura de 384ºC, esto para que tomando en cuenta las impurezas del mineral, se logre obtener el óxido deseado de manera efectiva. No se trabaja cerca el límite inferior debido, a que no se calcinaría c alcinaría por completo la muestra, y no se trabaja cerca del límite superior, debido a que se podría formar el óxido amarillo de plomo, lo cual no se desea llegar. -  En la figura 3 y 4 podemos ver el óxido de plomo obtenido, y por el color rojizo que adquiero, se puede decir que se calcino toda la muestra, ya que el color esta uniforme, si el color no hubiera estado uniforme, o existiría partes incoloras, esto indicaría, que no se calcino correctamente el mineral, o que el mineral contiene altas impurezas, o que tiene poca cerusita. Se comparó con el óxido de plomo amarillo, para que se vea la diferencia entre los óxidos, además para demostrar que se llegó al producto deseado.

 

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Se puede ver que el mineral impurezas es decir aproximado de 9esto % de impurezas, y además que no tiene todo altas el plomo del mineral estauncomo carbonato, se comprobó, con la calcinación mediante cálculos, tomando en cuenta que la masa  perdida después de la calcinación es del CO2 producido por la calcinación. Esto nos indica que en el mineral e hay plomo ya sea como elemento, e lemento, oxido, u otros compuestos, que se debería realizar un análisis mineralógico, para ver si esto perjudicaría, en la obtención del óxido deseado de seado a escala industrial, o si tiene otros elementos valiosos que  pueden ser aprovechados. -   No se trabajó con los promedios de los los imites de la estabil estabilidad idad del óxido de plomo roo, como se puede ver en la figura 1 y 2 , esto debido a que el mineral tiene impurezas, estas impurezas hacen que aumente la temperatura de descomposición del carbonato, como se puede ver en la teoría. Así que se decidió trabajar un poco más que el promedio,  para así garantizar la calcinación del mineral, y llegar al producto deseado.

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7.  CONCLUSIONES -  Se estudió las bases termodinámicas del proceso, viendo que el proceso de calcinación de carbonatos, depende de la temperatura, y la presión del CO 2. Con estos datos se armó dos diagramas, como se observa en las figuras 1 y 2, que nos ayudan a determinar las condiciones de la calcinación a realizar.  -  Se calcino a nivel de laboratorio, un mineral de cerusita, obteniendo buenos resultados, como los que se pueden observar en las figuras 3 y 4.  -  Se logró construir los diagramas TPP, con los datos termodinámicos del proceso de

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calcinación, para determinar las condiciones de trabajos de calcinación del mineral. Obteniendo que se debe trabajar a una temperatura de 384ºC. Se logró obtener el óxido de plomo rojo como producto deseado, a las condiciones de laboratorio, obtenidos a partir de los diagramas construidos. la calcinación es un proceso, en el cual dependiendo de las condiciones principalmente de temperatura, se logra obtener distintos óxidos o productos. Se debe tomar en cuenta la impureza del mineral, para poder obtener buenos resultados, si no se toma en cuenta se puede llegar a obtener un mal producto. El programa de computadora HSC es muy útil para poder realizar los diagramas necesarios para la determinación de condiciones de calcinación.

8.  REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS -  Dr. Ing. Juan León, Texto de Piro metalurgia I, Fundamentos básicos, 2014, paginas pa ginas 710. -  www.buenast www.buenastareas.calcinacion.com areas.calcinacion.com -  www.guiametalurgicapirometalurgia.calcinacion.com -  Programa de computadora HSC, para p ara los diagramas.

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9.  APENDICE -  Calculo de masa de cerusita experimental: masa crisol= 82.354 g masa crisol + cerusita= 189.176 g

masa cerusita = 189.176 –  189.176 –  82.354  82.354 = 106.822 g -  Calculo de la masa de CO2 desprendida: masa luego del calcinado= 177.401 g masa sin crisol= 177.401 –  177.401  –  82.354  82.354 = 95.047 g masa de CO2 = 106.822 –  106.822 –  95.047  95.047 = 11.775 g -  Calculo de la composición de la cerusita, a partir de la composición mineralógica y asumiendo que todo el carbonato se descompuso:

 = 11.7 11.775 75     × 12   = 3.211 211    De la cerusita sabemos Pb = 73.5 %, SiO  = 44 2.5 %   = 0.7735 35 × 10 106.6.822 822 = 78.5 78.514 14       × 207   = 55.3   =3.211  × 26712      267   55.399    = 71.44  =3.211 × 26712     71.4455   %= 78.514−55.39  × 100 = 21.6.655 %  2

106.822 71.445  × 10 1000 = 66.88 88 % %  % = 106.822

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