Diagrama-De-kellog Cu - O - S

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERIAS CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE MINAS CICLO: VI DOCENTE: ING.RICHARD SANZ FERNANDEZ

CURSO: METALURGIA EXTRACTIVA

TEMA: DIAGRAMA DE KELLOGG DE HIERRO-OXIGENO- AZUFRE ALUMNO:

TURNO: MAÑANA AULA:

AREQUIPA  –  PERÚ  PERÚ 2017

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RESUMEN En el presente trabajo realizará conceptos conceptos de tostación, termodinámica termodinámica de tostación y la regla de las bases bases de gibbs para luego poder conocer conocer y describir el diagrama de Kellogg del sistema (Cu  – O  – S). Los procesos piro metalúrgicos son los métodos más antiguos y de aplicación más frecuentes de extracción y purificación de metales. Los metales más comunes que se tratan por estos métodos incluyen cobre, níquel, plomo cobalto; son los procesos que utilizan una combinación de tostación, fusión, conversión refinación a fuego, refinación electrolítica y refinación química. La tostación, que es el primer proceso, se emplea para cambiar los compuestos metálicos a formas de tratamiento más fácil por las operaciones que siguen, así como también para remover algunas impurezas volátiles en la corriente de gas. Mediante la fusión y la conversión se funden los compuestos metálicos y se forman nuevos compuestos en estado líquido, los cuales se separan en capas de valores metálicos pesados y escoria más ligera que se forman con la roca de desecho. Los valores metálicos, a los que se les ha separado la mayor parte de las impurezas iniciales, se purifican después por procesos de refinación electrolítica o química.

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ASTRACT In the present work he will perform concepts of roasting, roasting thermodynamics and the rule of gibbs bases, in order to be able to know and describe the Kellogg diagram of the system (Cu - O S). Pyro-metallurgical processes are the oldest and most frequent methods of extraction and purification of metals. The most common metals that are treated by these methods include copper, nickel, cobalt lead; they are processes that use a combination of roasting, melting, conversion refining to fire, electrolytic refining and chemical refining. Roasting, which is the first process, is used to change the metal compounds to easier forms of treatment by the following operations, as well as to remove some volatile impurities in the gas stream. By melting and converting the metal compounds are melted and new compounds are formed in the liquid state, which are separated into layers of heavy metallic values and lighter slag which are formed with the waste rock. The metal values, to which most of the initial impurities have been separated, are then purified by electrolytic or chemical refining processes.

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Índice 1.

Título: diagrama de Kellogg sistema Cobre – Oxigeno - Azufre .................................................. 5

2.

Objetivos  ..................................................................................................................................... 5 2.1.

Objetivo general  ................................................................................................................. 5 Investigar el diagrama de Kellogg del sistema Cu-O-S ............................................................ 5



2.2.

Objetivos específicos  .......................................................................................................... 5

3.

Problema  ..................................................................................................................................... 5

4.

Hipótesis  ..................................................................................................................................... 5

5.

Marco teórico  ............................................................................................................................. 6 5.1.

Tostación de sulfuros .......................................................................................................... 6

5.2.

Termodinámica de la tostación .......................................................................................... 7

5.3.

Regla de las bases de gibbs  ................................................................................................ 7

5.4.

Termodinámica de la tostación .......................................................................................... 8

5.5.

Diagramas de estabilidad  ................................................................................................... 8

5.5.1.

Tipos de diagrama de estabilidad  .............................................................................. 8

5.6.

Diagramas de Kellogg  ......................................................................................................... 9

5.7.

¿Cómo se construye el diagrama de kellogg?.................................................................. 10

5.8.

Aspectos generales del diagrama de Kellogg  .................................................................. 11

5.10.

Sistema Cu  –  O  –  S  ........................................................................................................ 12

5.10.1.

Línea de equilibrio Fe-Fe3O4  .................................................................................... 13

5.10.2.

Línea de equilibrio Fe  –  FeS. ..................................................................................... 16

Figura 6. Línea de equilibrio Fe  –  FeS. ...................................................................................... 17

4

1. Título: Diagrama de Kellogg sistema Cobre  – Oxigeno - Azufre 2. Objetivos 2.1.

Objetivo general 

2.2.

Investigar el diagrama de Kellogg del sistema Cu-O-S

Objetivos específicos 

Conocer concepto de tostación, termodinámica de tostación y la regla de las bases de gibbs.



Conocer diagrama de estabilidad.



Describir el diagrama Kellogg.



Conocer el sistema Cu-O-S.

3. Problema Falta de equipos para realizar pruebas metalúrgicas en los laboratorios de la Universidad Tecnológica del Perú Arequipa. 4. Hipótesis Implementación de laboratorios en la Universidad Tecnológica del Perú Arequipa.

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5. Marco teórico 5.1. Tostación de sulfuros Tostación Es la oxidación de los sulfuros metálicos para producir óxidos metálicos y bióxido de azufre.

MS + 3/2 O2 = MO + SO2

Óxidos complejos ZnFe2O

Formación de SO3

Otras Reacciones

Sulfatos Metálicos

Menas típicas que se tuestan

.COBRE

SULFUROS

.ZINC .PLOMO

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5.2.

Termodinámica de la tostación Las condiciones necesarias para la formación de distintos productos de tostación pueden ilustrarse mediante las relaciones de equilibrio que existen en un sistema que contiene los siguientes 3 componentes:

METAL

OXÍGENO

AZUFRE

Se tienen 3 componentes y, de acuerdo con la regla de las fases, se puede obtener un máximo de 5 fases: 4 fases condensadas y 1 fase gaseosa 5.3.

Regla de las bases de gibbs P+F=C+2 P

= C + 2  – F

P

= 3 + 2  – F

F = 0 (mínimo valor)

3 componentes (metal, oxigeno, azufre) Donde: P = número de fases presentes en el equilibrio. C = número de componentes del sistema. F = número de grados de libertad del sistema  (variables: presión, temperatura, composición). El número 2 en la regla corresponde a las variables de temperatura T y presión P.

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5.4.

Termodinámica de la tostación 

La fase gaseosa contiene normalmente SO2 y O2, aunque SO3 y aun S2 pueden encontrarse presentes.



Entre estos componentes gaseosos existen los siguientes equilibrios: 

S2 + 2 O2 = 2 SO2



2 SO2 + O2 = 2SO3

Para una temperatura dada, la composición de la mezcla gaseosa está definida por la presión parcial de cualquiera de los dos componentes gaseosos. Para composición constante de gas, la composición de las fases condensadas esta fija. Así las relaciones de fase en el sistema ternario a temperatura constante pueden describirse por medio de un diagrama bidimensional en donde las coordenadas son las presiones parciales de los 2 componentes gaseosos. Estos son denominados diagramas de KELLOGG. 5.5.

Diagramas de estabilidad Los diagramas de estabilidad se usan para: 

Predecir reacciones posibles en sistemas metalúrgicos



Conocer los factores que rigen las reacciones como la temperatura y reacciones parciales.

5.5.1. Tipos de diagrama de estabilidad Hay innumerables diagramas de estabilidad. Ejemplos: TEMPERATURA vs % PESO LOG P so2 vs LOG P o2 CO2/CO vs % TEMPERATURA LOG Pi vs % 1/TEMPERATURA

8

5.6.

Diagramas de Kellogg Los diagramas de estabilidad de los sistemas M-O-S, llamados también diagramas de predominancia de áreas, muestra zonas o áreas definidas, dentro de las cuales es predominante, es decir estable, cierta especie, en función de presiones parciales y temperatura, estos diagramas tienen particular importancia en metalurgia extractiva, porque conociéndoles, se puede llegar a establecer el proceso a seguirse en cierto tipo de concentrado.

Figura 1. Diagrama de Kellogg



Las áreas predominantes, en función de presiones y temperatura, darán pautas para determinar si el proceso conveniente será una tostación: sulfatante, oxidante, tostación  – reducción, etc., o una reducción directa, o reducción previa oxidación de sulfuros, o tostación seguida de lixiviación, etc.



Las líneas muestran los equilibrios bivariantes y los puntos muestran equilibrios univariantes (equilibrios entres 3 fases). 9

5.7.

¿Cómo se construye el diagrama de kellogg?

a. Se identifica cada una de las reacciones. 

2 MeS + 3 O2 = 2 MeO + 2 SO2



2 MeS + 2 SO2 + O2 = 2 MeSO4

b. Se obtienen las constantes de equilibrio con la siguiente ecuación: 

GT ° = -RT Ln (k)

c. Teniendo la constante K, las reemplazamos en la ecuación de constante de equilibrio:

d. Luego aplicamos logaritmos a ambos lados de la igualdad y despejamos log P SO2.

e. Después graficamos log (P SO 2) vs log (P O 2)

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Figura 2. Log (P SO 2) vs log (P O 2) “Con

este procedimiento vamos a obtener las líneas de estabilidad termodinámica, según la reacción seleccionada.”

5.8.

Aspectos generales del diagrama de Kellogg 

Para una estequiometria de reacción dada, la forma de la expresión de equilibrio es la misma para todos los metales, solo los valores de las constantes de equilibrio K, son distintos de metal a metal.



Las líneas que se obtienen representan el límite de estabilidad termodinámico.

 El área que queda entre las líneas se va a llamar área de predominancia

o de estabilidad de fase en particular.

5.9.

Aspectos importantes en la tostación 

Cuando la tostación se efectúa en aire, la suma de las presiones parciales de SO2 y O2 es alrededor de 0.2 atm.

11



La temperatura de formación de sulfato difiere considerablemente de metal a metal. La mayor temperatura de tostación se alcanza en el caso del plomo y el zinc y menores temperaturas en caso del cobre y níquel.



Durante la tostación de menas de sulfuros complejas pueden ocurrir otras reacciones.



Los óxidos producidos pueden reaccionar entre si dando óxidos complejos.

5.10. Sistema Cu  –  O  –  S La construcción de estos diagramas es fácil siempre que se cuente con los datos necesarios. Estos datos se obtienen de las tablas, principalmente de las de formación de compuestos a partir de sus componentes puros y asociando estos datos con los de p so2 y p o2.

Se tiene el sistema Fe - S  –  O a una temperatura de 700K en función de P so2 y P o2 y se indican las zonas de estabilidad, a esta temperatura todavía no existe la fase Fe O. Se mostrara la obtención de algunas rectas para este sistema.

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Figura 3.sistema Fe-O-S 5.10.1. Línea de equilibrio Fe-Fe 3O4 1. Definimos la reacción química que representa el equilibrio:

2. No hay presencia de SO2 en la reacción, por lo tanto la línea será independiente del Log PSO 2 y dependerá solo de la presión de oxígeno a la temperatura dada. Esto hace que la línea sea paralela al eje del cual no depende es decir Log P SO2 (Línea vertical cuyo máximo punto será el punto univariante equilibrio Fe  – Fe 3 O4  – Fe S).

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Figura 4. Equilibrio Fe-Fe3O4 3. Se determina la constante de equilibrio para la reacción. Para el cálculo de este diagrama se asume que se trata de metales, óxidos, sulfuros, sulfatos, etc. La constante de equilibrio a presión constante K para la reacción dada será.

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4. Determinación del valor de la constante de equilibrio mediante la relación de la energía libre: G = -RT Ln (K)

Para la formación de Fe3 O4 la energía libre es: G = -1102200 + 307,4 * T = -RT Ln (K) Tomando T = 70 K se tiene: K = 1,55 ∗ 1066

Ln (K) = 152,41 5. Determinación de recta: Del paso 3 se obtiene la ecuación:

1 log PO2 = − logk  2 

log PO2 = − log(1,55 ∗ 1066 ) 

log PO2 = - 33,09

Se puede observar el valor de la línea de equilibrio Fe  – Fe 3 O 4 que corta el eje log PO2 = -33,09.

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Figura 5. Línea de equilibrio Fe  –  Fe3 O4

5.10.2. Línea de equilibrio Fe  –  FeS.

1. Reacción química que representa el equilibrio

FeS + O2 = Fe + SO2

2. En este caso el equilibrio dependerá tanto de SO2 como de O2 y será una línea oblicua, que finaliza en el punto monovariante Fe

 –

FeS - Fe3 O4.

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Figura 6. Línea de equilibrio Fe  –  FeS.

3. Constante de Equilibrio: La constante de equilibrio a presión constante, K para la reacción dada será: K=

PSO2 PO2

log K = log PSO2 − log PO2

4. Constante de equilibrio mediante la energía libre:

G = - RT Ln ( K) Para Ia formación de FeS Ia energía libre es: G = —150200 + 52,55 * T Para Ia formación de SO2 Ia energía libre es:

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G = —361700 + 76,68 * T Así se obtiene IA energía total para Ia reacción inicial: G = —211500 + 24,13 * T = —RTLn(K) Tomando T: 700 K se tiene: Ln(K) = 33,4 K = 3,33 * 104 5. Determinación de recta: Del paso 3 se obtiene la ecuación: logPSO2 = Log PO 2 + logK log PSO2 = log PO2 + log(3,33 * 104 ) log PSO2 = log PO2 + 14,52

Aplicando valores al logaritmo de la presión del oxígeno se construye la trayectoria de la recta en el diagrama y la respectiva delimitación de las zonas. a. Se log PO2  = -33,09 Log PSO2 = -33,09 + 14,52 = -18,57 b. Sea log PO2 = -50 Log PSO2 = -50 + 14,52 = -35,5

Los puntos analizados anteriormente constituyen los extremos de la línea de equilibrio Fe  – Fe3 O4.

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Figura 7. Equilibrio Fe  –  Fe3 O4.

Figura 8. Sistema Fe-O-S

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Conclusiones:



PRIMERA CONCLUSIÓN: Se concluye que el comportamiento físico-químico de los sistemas (M-O-S) Metal  –  Oxígeno  –  Azufre, es de mucha importancia para la comprensión de los procesos de tostación, oxidación de sulfuros Fusión.



SEGUNDA CONCLUSIÓN: Se concluye que la tostación puede efectuarse en varios tipos de hornos, durante los últimos años el más usado es el horno de lechofluidizado.



TERCERA CONCLUSIÓN: Se concluye que los diagramas de estabilidad se usan para: predecir reacciones posibles en sistemas metalúrgicos por ejemplo la temperatura, las presiones y las reacciones parciales



CUARTA CONCLUSIÓN: Se concluye

que

el

diagrama de Kellogg es una

herramienta de gran ayuda para controlar Ias reacciones que ocurren durante Ia tostación, indicándonos Ia estabilidad termodinámica que hay en ellas, y pudiendo a su vez predecir el producto que se va a obtener con Ias condiciones de presión existentes durante el proceso.



QUINTA CONCLUSIÓN: Se concluye que la línea de equilibrio de un diagrama de Kellogg será vertical cuando en Ia reacción solo exista oxígeno. Dicha línea será horizontal cuando en Ia reacción solo exista dióxido de azufre. La línea presentará pendiente en el caso donde existan ambos gases.

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Recomendaciones 

PRIMERA RECOMENDACIÓN: Se recomienda investigar más sobre este tema de diagrama de Kellogg del sistema Cu-O-S ya que es de suma importancia de conocer sobre todo las reacciones que ocurren durante la tostación.



SEGUNDA RECOMENDACIÓN: Se recomienda hacer pruebas de laboratorio para comprender mejor el tema investigado.

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Bibliografía 

Diagrama de Kellogg, recuperado de: http://es.slideshare.net/costafro/diagramasde-kellogg-diagramas-de-predominancia.

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Tostación, operaciones de preparación http://docentes.uto.edu.bo/cvelascoh/wpcontent/uploads/Tostaci%C3%B3n_1.pdf

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MALDONADO CERÓN, Luis Alfonso. Fundamentos de los procesos piro metalúrgicos. Bucaramanga: UIS, 1985.

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ROSENQVIST, Terkel. Fundamentos de metalurgia extractiva. México: Limusa, 1987. 564p.

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JOFFRE, Juan. Termodinámica metalúrgica. Universidad Autónoma de San Luis Potosí, 1993. GASKELL, David. Introduction to metallurgical thermodynamics. Washington: Scripta publishing, 1973. 520p.

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de

carga,

recuperado

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COUDURIER, Lucien. WILKEMIRSKY, Igor. Fundamentos de los procesos metalúrgicos. Chile: Universidad de concepción, 1971. 536p.

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