Proceso Hidrometalúrgico Zn Y Al.pptx

HIDROMETALURGIA DEL Zn Y Al Integrantes: Beltran Callirgos, Grethell Hilanee Briceño Eyzaguirre, Kevin Martin Chero Sullon, Luis Eduardo Díaz García, Freddy Renato Leyton Reto, Uriel Aeolus Orozco Coronado, Mario

HIDROMETALURGIA DEL ZINC Importancia biológica y de numerosas aplicaciones industriales, sobre todo como parte de aleaciones metálicas

MINERAL DE EXTRACCION BLENDA (ZnS)

MARMATITA (Fe,Zn)S

FASES

TOSTACION El horno es alimentado con sulfuros y aire pre calentado para producir calcina y dióxido de azufre. La calcina es una combinación de óxidos metálicos que depende de los minerales tratados.

REACCIONES DE TOSTACION

FORMACION DE FERRITAS EN LA TOSTACION

La calcina se calienta y se muele para aumentar la velocidad de disolución Los productos de la tostación son almacenados en silos y transportados por corrientes de aire.

DIAGRAMA DE LIXIVIACION

Lixiviación neutra

Lixiviación Acida – caliente

Neutralización

Precipitación de la jarosita

PURIFICACIÓN 

La solución contiene como impurezas principales el Cu - Cd - Ni en pequeñas cantidades.



Estas impurezas reducen la eficiencia de corriente, disminuyendo la calidad del depósito catódico durante la electrolisis.



El producto es la solución de sulfato de zinc purificado "Check", y el residuo sólido es el ZPR (Zinc Purification Residue).

DIAGRAMA DE FLUJO DE PURIFICACIÓN DEL SULFATO DE ZINC

PURIFICACIÓN

ELECTRODEPOSICIÓN

Fusión Fusión del zinc catódico en hornos eléctricos de inducción y moldeo en barras de zinc de 99.995% de pureza La escoria extraída del horno será enviada a la planta de tratamiento.

LINGOTES

USOS DEL Zn -Galvanizado del hierro, para protegerlo de la corrosión. -Producción de latón, aleado con otros metales. Así se fabrican recipientes, piezas de relojería, etc. -Planchas de zinc para tejados y otros usos en el sector construcción. -Producción de baterías para computadores, misiles y cápsulas espaciales -Como aditivo en la metalurgia de metales preciosos, y para eliminar la plata del plomo. - Como insumo farmacéutico, suplemento dietético y otros usos medicinales

HIDROMETALURGIA DEL ALUMINIO

INTRODUCCIÓN El Aluminio es el segundo metal en producción del mundo con una producción anual de aproximadamente 50.000.000 de toneladas. Es moderno y el reemplazo del cobre obteniendo el segundo lugar como metal en producción en el mundo.

Facultad de Minas | Ingeniería Química

Sus propiedades intrínsecas son que este tiene una baja densidad, una alta conductividad térmica y eléctrica, bajo punto de fusión y buenas propiedades mecánicas cuando es una aleación.

Se tiene que tener en cuenta dos procesos o dos fases para su fabricación, la primer fase es convertir la Bauxita (mena de Al) en Alúmina en un proceso conocido como el proceso Bayer, la segunda fase es convertir la Alúmina en Aluminio en un proceso conocido como el proceso Hall-Hérault.

Facultad de Minas | Ingeniería Química

OBJETIVO

OBJETIVO GENERAL Explicar el proceso hidrometalurgico de obtención de Aluminio a partir del mineral de Bauxita.

OBTENCIÓN DE ALUMINIO POR METALURGIA Es uno de los metales que se obtiene industrialmente en mayor escala. La metalurgia extractive del aluminio consite en dos etapas.

DOS FASES

Transformación de Bauxita en Alúmina lo más pura posible.

Electrolisis de Alúmina disuelta en criollita fundida para obtener Aluminio.

BAUXITA

COMPOSICIÓN

DIAGRAMA SIMPLIFICADO OBTENCION DE ALUMINIO

FASE 01:

PROCESO DE BAYER Es el principal método industrial para producir alúmina a partir de bauxita. Fue inventado por el austriaco Karl Bayer en el año de 1889 y se basa en la disolución de la bauxita con hidróxido sódico (Sosa Caustica).

MOLIENDA DE LA BAUXITA Y PREPARACIÓN DE LA PULPA El primer paso en la planta de alúmina es la reducción del tamaño de partícula de la bauxita, para incrementar la superficie de reacción y facilitar su manejo, se realiza a través de triturador de placa y molino de bola, ambos de vía húmeda. Para obtener una suspensión de sólidos con un 80% en peso de partículas con diámetro inferior a 300 micras. En el triturador de placas se mezclan con cal para disminuir la concentración de fosfatos en la materia prima y se adiciona licor cáustico a la entrada del molino. Se obtiene bauxita en suspensión.

Facultad de Minas | Ingeniería Química

DIGESTIÓN DE LA PULPA Y APROVECHAMIENTO DE CALOR . Disolución de la alúmina de manera selectiva con NaOH (para no disolver el hierro). La carga se trata en autoclaves de acero durante un periodo que oscila entre 2-8 horas a una temperatura media de 140 -150 ºC y a presiones absoluta de 5 bares:

140-150°C

Para el monohidrato (Proceso Bayer Europeo): (Al2O3. H2O + impurezas) + 2NaOH → 2NaAlO2 + 2H2O + lodos rojos Para el trihidrato (Proceso Bayer Americano): (Al2O3. 3H2O + impurezas) + 2NaOH → 2NaAlO2 + 4H2O + lodos rojos De forma general: (Al2O3. X. H2O) + 2NaOH → 2NaAlO2 + (x+1). H2O

Facultad de Minas | Ingeniería Química

CLARIFICACIÓN: DILUCIÓN Y SEPARACIÓN DE RESIDUOS Al final de la digestión, la suspensión que abandona el último digestor conteniendo la solución de aluminato, arenas y lodos rojos (partículas finas), está a una temperatura por encima de su punto de ebullición a presión atmosférica, de manera que es pasada a través de un sistema de enfriamiento por expansión en el cual ocurre una despresurización en forma escalonada hasta la presión atmosférica y una disminución de la temperatura hasta aproximadamente 105-100 º C. La dilución y separación de residuos se compone de 3 etapas:

1. DESARENADO: Donde la pulpa se somete a la separación de los lodos y arenas que contiene. Las arenas separadas en la operación anterior son pasadas a través de clasificadores y posteriormente lavadas. En cuanto a los lodos son enviados a tanques almacenadores para la alimentación de los espesadores. Es en estos tanques, donde se adiciona el agente floculante que va a facilitar el proceso de sedimentación en los espesadores.

2. SEDIMENTACIÓN, LAVADO Y DESHECHO DE LODOS ROJOS:

La sedimentación se lleva a cabo en tanques espesadores, y el lodo rojo depositado en el fondo de éstos, es removido continuamente por un sistema de rastrilleo. Este lodo rojo saliente por la parte inferior de los espesadores, es lavado con el fin de recuperar la solución caústica (alcalina) y el licor que contiene alúmina disuelta, produciéndose simultáneamente un lodo que ha de ser desechado, mientras que el agua de lavado es enviada al área disolución.

SEDIMENTACIÓN DE LODOS ROJOS

Óxidos de silicio, hierro y titanio

3. FILTRACIÓN DE SEGURIDAD: :

Las partículas finas en suspensión deben ser separadas, de lo contrario contaminarían el producto, y ello es logrado mediante una filtración de seguridad. El proceso se realiza por medio de filtros a presión. Una vez que la solución pase a través de esta filtración, es enviada a una sección de enfriamiento por expansión instantánea, donde se le confiere al licor la temperatura requerida para la precipitación 50 ºC ó 70 ºC, según el tipo de proceso Bayer Europeo o Americano respectivamente.

PRECIPITACIÓN DEL HIDRATO La precipitación espontánea del hidrato es difícil. Lo que se hace es la SIEMBRA de cristales de hidrato, generalmente fino y en cantidad controlada, obteniéndose la granulometría deseada. La reacción de precipitación es la siguiente: 𝑁𝑎𝐴𝑙 (𝑂𝐻)4 (𝑎𝑐) → Al(𝑂𝐻)3 + 𝑁𝑎𝑂H(𝑎𝑐)

El equilibrio de la reacción tarda mucho en realizarse, y el rendimiento va a depender de las condiciones de operación. Se debe buscar:  La mayor cantidad de hidrato de grano grueso.  La mayor producción de hidrato.  Una textura de grano adecuado.

Las condiciones que favorecerán lo descrito son:  Temperatura relativamente elevada al comienzo de la precipitación (favorece aglomeración).  Posterior enfriamiento para aumentar el rendimiento.  Tamaño de siembra adecuado (influye superficie y número de núcleos).  Trabajar con sobresaturación de alúmina y sosa (sin afectar a la calidad del producto).  Tiempo óptimo (sin que sea excesivamente largo ya que baja la productividad).

En los mecanismos de precipitación se tienen tres fases: - Nucleación. - Crecimiento. - Aglomeración. El objetivo es minimizar la nucleación (pocos gránulos), que sean grandes y que no se rompan.

CLASIFICACIÓN Y LAVADO DEL HIDRATO

La precipitación se lleva a cabo en forma discontinua, en doble paso, lo que supone dos tipos de germen: el grueso y el fino. El hidrato se clasifica en los tanques de sedimentación en función de diámetro crecientes: grueso (producto al calcinador), medio (núcleos de germen grueso) y fino (germen finos). El germen grueso se lava para eliminar el licor que arrastra. Se llevan a cabos filtrados y lavados, obteniéndose una torta que contiene un 10-15% de agua y que se envía a la última etapa.

Facultad de Minas | Ingeniería Química

CALCINACIÓN El Hidrato Grueso Lavado y Filtrado se somete a secado y calcinación. El secado se consigue aprovechando los gases calientes del calcinador y, una vez seco el mismo, se pone en contacto a alta temperatura (>1000ºC) en un horno. De esta forma se obtiene el producto final, la alúmina no higroscópica (Al2O3) La reacción es la siguiente: 2Al (OH)3 → Al2O3 + 3H2O .

CALCINACIÓN

PROCESO HALL-HERAULT El proceso Hall-Hérault es el utilizado mundialmente en la producción de aluminio. Se trata de un procedimiento de reducción carbotérmica de la alúmina en un baño de criolita. EL ELECTROLITO, es el medio iónico en el que se produce la electrolisis de la alúmina. Se trata de una electrólisis ígnea o de sales fundidas (aluminio muy ávido por el oxígeno, la molécula de agua se descompondría en lugar de la sal de aluminio disuelta).

Consta de propiedades las cuales son: · · · · · · ·

Buena solubilidad de la alúmina Temperatura de solidificación la más baja posible. Menor densidad que el aluminio líquido. Buena conductividad térmica. Poca solubilidad del aluminio. Buena estabilidad termodinámica. Bajo precio.

Facultad de Minas | Ingeniería Química

DENSIDAD DEL ELECTROLITO Permite separar físicamente el electrolito del metal (diferencia de densidades máxima). La mejor manera de incrementar el rendimiento de corriente en las cubas de electrólisis es mediante aditivos, aunque algunos incrementan la densidad del electrolito. VISCOSIDAD Gobierna la hidrodinámica del proceso, y afecta a: • Circulación del electrolito • Sedimentación de las partículas de alúmina • El transporte del aluminio disuelto y de las partículas de carbón • Desprendimiento de gases.

CONDUCTIVIDAD TERMICA Deseable que la conductividad del electrolito sea máxima para minimizar las pérdidas óhmicas. Aunque sea necesaria una cierta generación de calor en el electrolito y viene determinada por la resistividad del mismo, la disminución de la resistividad permite portar la potencia perdida aumentando la distancia interpolar o la densidad de la cuba, lo cual es positivo para la productividad. La criolita de litio (Li3AlF6) es el que tiene efectos positivos en la conductividad. La resistividad también aumenta con las burbujas de gas generadas en el ánodo. DISOLUCION DE LA ALÚMINA La electrolisis es un proceso continuo, pero no existe en la actualidad un sistema de alimentación constante. Tanto en las cubas Söderberg como en las

Un aumento de la viscosidad disminuye la difusión y el transporte de aluminio hacia el cátodo. Facultad de Minas | Ingeniería Química

  precocidas la alimentación se realiza de forma discontinua con intervalos de horas entre ambas. Parte de la alúmina se disuelve y otra se deposita sobre el talud y el cátodo o crisol de la cuba desde donde se disuelve progresivamente (dependiendo la velocidad de disolución de las características físicas de la alúmina utilizada, la concentración de alúmina disuelta en el electrolito, la temperatura y el gradiente de agitación del mismo). La criolita y la alúmina fundidas constituyen una mezcla compleja de varios iones. Los iones presentes serían:

REACCIONES ELECTROQUÍMICAS Reacción Catódica

la reacción total se escribe como:

Reacción Anódica Tiene que existir concentración suficiente de alúmina en el electrolito. La única especie iónica que contiene oxigeno es el ion que es el único que experimenta la reacción anódica. Cuando la reacción anódica global para x= es:

  la reacción anterior se emplean en la reacción catódica. Los otros 3 reaccionan con De el de la reacción catódica para dar:

Los 3AlF_6^(3-) de la última reacción se unen a otro de la reacción catódica para dar en presencia de alúmina:

El oxígeno liberado se combina con el carbón del ánodo para generar el dióxido de carbono. Siendo la reacción global:

Facultad de Minas | Ingeniería Química

EMBALAJE Sirve como método de la concentración de alúmina en el electrolito, ya que se relaciona con la densidad de corriente. Y del estado de los ánodos en especial en los Söderberg. Un electrodo debe reunir las siguientes características: · Exento de impurezas · Elevada conductividad eléctrica · Oxidarse lentamente · Baja conductividad térmica tenaz y resistente · Económico CUBAS ELECTROLISIS Atendiendo al ánodo, existen 2 tipos: · Cubas precocidas, que se preparan en un taller aparte y ya vienen coquizados. · Söderberg, ánodo que se van cociendo en la misma cuba

· · · ·

VENTAJAS DE SODERBERG No hay que reelaborar los restos que se producen en el caso de los ánodos precocidos. No se necesita un taller de elaboración de electrodos menor densidad de corriente. Menores pérdidas térmicas por radiación. Disminuye el trabajo manual.

INCONVENIENTES DE LOS SÖDERBERG · Costo más elevado de inversión · Mayor distancia entre electrodos · Mayor gasto de carbón · Mayor producción de gases y más contaminación ambiental · Reacción menos uniforme

AFINO DEL ALUMINIO Proceso Hoopes • El aluminio obtenido por el proceso electrolítico Hall-Hérault, tiene una pureza de un 99.7%, teniendo como impurezas Si y Fe. • El proceso se desarrolla en una cuba electrolítica y hay 3 capas en la cuba: - La de abajo está compuesta por una aleación anódica fundida de Al-Cu y es donde tenemos el Al que queremos afinar. - La del medio está formada por el electrolito, constituido inicialmente en el proceso Hoopes por fluoruro de Al (AlF3), fluoruro bárico (BaF2), y el fluoruro sódico (NaF), y que se está sustituyendo por baños de fluoruro cálcico (CaF2), ó cloruro de bario (BaCl2). - La superior en contacto con los cátodos, está formada por el Al afinado. ⚬ Por su posición en la tabla de potenciales el Al se va pasando del ánodo al cátodo, mientras que el resto de las impurezas quedan en la disolución anódica. ⚬ Cuando se van concentrando las impurezas pueden llegar a superar el límite de solubilidad, siendo entonces necesario reponer la solución anódica consumida y de esta forma se depositaria el Aluminio en el cátodo