Cinetica Metalurgica 4k5n17
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FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS Y METALURGICA
CINETICA METALURGICA CINETICA MET., REACCION QUIMICA, CLASIFICACION,ORDEN DE REACCION CLASE 1
ING. ROGER ALFONSO MOZO HORNA
FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS Y METALURGICA
1. CINETICA METALURGICA • Cinética Metalurgica. Es el estudio de las velocidades y mecanismos de las reacciones químicas. • Velocidad de reacción: Es una medida de la rapidez con la que se forman los productos o se consumen los reactivos. • Mecanismo de reacción: Es la secuencia detallada de los pasos simples, elementales, que van desde los reactivos a los productos.
FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS Y METALURGICA
• En los procesos de obtención de un metal desde el mineral o concentrado hasta su refinación, existen una o más etapas en las que ocurren transformaciones físico-químicas. • Solo contados metales, tales como oro o platino se encuentran nativos. • En todos los otros casos el metal debe ser químicamente extraído y purificado, por ejemplo, en la obtención de cobre desde sulfuros u óxidos; en la obtención de arrabio (hierro) y acero desde minerales oxidados de hierro; en la obtención de zinc desde sulfuros o silicatos, etc. • En el caso mencionado del cobre, su extracción a partir de sus sulfuros ocurre por una transformación inicial a alta temperatura para formar el eje fundido de cobre (Cu2S-FeS) y luego al oxidar y reducir el eje formado a metal crudo o cobre blíster (Fig. 1).
FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS Y METALURGICA
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FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS Y METALURGICA
En metalurgia, la mayor parte de las reacciones ocurren tanto en medio acuoso (lixiviación, cementación, precipitación, electro obtención y electro refinación), como a alta temperatura (tostación, reducción, oxidación, etc.) o en medio fundido a alta temperatura (obtención de aluminio, formación de ejes o matas fundidas de sulfuros reducción de wustita (FeO) líquida con carbono, etc.). El análisis inicial de la extracción, purificación o refinación de un metal debe ser termodinámico, para establecer si la o las reacciones pueden ocurrir termodinámicamente. El segundo paso es establecer que ocurre durante la transformación química del o delas substancias involucradas. Es necesario aquí conocer el o los mecanismo (s) que participa (n), así como la velocidad de aproximación al equilibrio que se establece. Esto corresponde a la cinética de reacción.
FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS Y METALURGICA
Por otra parte es necesario conocer y caracterizar el flujo y la mezcla entre reactivos y productos en el espacio físico en que ocurre la transformación. Este espacio o volumen se denomina en general “reactor”, aún cuando en metalurgia, y dependiendo del proceso, se conoce por horno, (cuba, cubilote, rotativo, flash, CT, etc.) estanque (lixiviación en estanques o columnas, estáticas o agitadas) convertidor (para ejes de cobre níquel), tostador (lecho fluido, horno de piso múltiples), etc. • En el diseño de un reactor, o un proceso se comienza por analizar los aspectos termodinámico y las condiciones bajo las cuales sería posible producir las transformaciones deseadas, o bien, dadas ciertas condiciones de operación, verificar si la transformación es posible de efectuar. • Conocida las condiciones termodinámicas, se debe entonces conocer el aspecto cinético del proceso: es decir, que equilibrio se establece en las condiciones fijadas y con que velocidad se aproxima al equilibrio. Finalmente, se debe conocer el patrón de flujo y de mezcla que ocurren en el interior del reactor, e integrar la expresión analítica en la cinética para así caracterizar la transformación global y diseñar el reactor o proceso.
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2. REACCION QUIMICA • La reacción química es aquel proceso químico en el cual dos sustancias o más, denominados reactivos, por la acción de un factor energético, se convierten en otras sustancias designadas como productos. Mientras tanto, las sustancias pueden ser elementos químicos (materia constituida por átomos de la misma clase) o compuestos químicos (sustancia que resulta de la unión de dos o más elementos de la tabla periódica). • El ejemplo más corriente de una reacción química es la formación de óxido de hierro, que resulta de la reacción del oxígeno del aire con el hierro. • La física reconoce dos grandes modelos de reacciones químicas, las reacciones ácido-base, que no presentan modificaciones en los estados de oxidación y las reacciones redox, que por el contrario sí presentan modificaciones en los estados de oxidación.
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• En tanto, dependiendo del tipo de productos que resulta de la reacción a las reacciones químicas se las clasifica de la siguiente manera: reacción de síntesis (elementos o compuestos simples se unen para conformar un compuesto más complejo), reacción de descomposición (el compuesto se fragmenta en elementos o compuestos más simples; un solo reactivo se convierte en productos), reacción de desplazamiento o simple sustitución (un elemento reemplaza a otro en un compuesto) y reacción de doble desplazamiento o doble sustitución (los iones de un compuesto modifican lugares con los propios de otro compuesto para conformar dos sustancias diferentes
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3. CLASIFICACION DE REACCIONES QUIMICAS • Existen muchas maneras de clasificar las reacciones químicas. En la Ingeniería de las Reacciones Químicas probablemente el esquema más útil es el que resulta de dividirlas, de acuerdo con el número y tipo de fases implicadas, en dos grandes grupos: sistemas homogéneos y heterogéneos. • Una reacción es homogénea si se efectúa sólo en una fase, y es heterogénea si, al menos, se requiere la presencia de dos fases para que transcurra a la velocidad que lo hace. • Superpuestas a estos dos tipos de reacciones tenemos las catalíticas cuya velocidad está alterada por la presencia, en la mezcla reaccionante, de materiales que no son reactantes ni productos. Estos materiales, denominados catalizadores, no necesitan estar presentes en grandes cantidades. Los catalizadores actúan, en cierto modo, como mediadores retardando o acelerando la reacción.
FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS Y METALURGICA
Homogéneas
Hetereogéneas
No catalizadas
Catalizadas
La mayor parte de las reacciones en fase gaseosa
La mayor parte de las reacciones en fase líquida
Combustión de carbón
Síntesis de amoníaco
Tostación de minerales
Oxidación de amoniaco para dar ácido nítrico
Ataque de sólidos por ácidos
Cracking del petróleo
Absorción gas-líquido con reacción
Oxidación de SO2 a SO3
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4. ORDEN DE REACCION En cinética química, el orden de reacción con respecto a cierto reactivo, es definido como la potencia (exponencial) a la cual su término de concentración en la ecuación de tasa es elevado.
Por ejemplo, dada una reacción química: 2A + B — > C con una ecuación de tasa r = k [A]2 [B]1 “r" denota la rapidez de reacción y "k" es la constante cinética.
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El orden de reacción con respecto a A sería 2 y con respecto a B sería 1, el orden de reacción total sería 2 + 1 = 3. No es necesario que el orden de una reacción sea un número entero; cero y valores fraccionarios de orden son posibles, pero ellos tienden a ser enteros. Ordenes de reacción pueden ser determinados solamente por experimentos. Su conocimiento conduce a conclusiones sobre el mecanismo de reacción. El orden de reacción no está necesariamente relacionado a la estequiometría de la reacción, a menos que la reacción sea elemental. Reacciones complejas pueden tener o no órdenes de reacción iguales a sus coeficientes estequiométricos. Una determinación importante en el estudio de la cinética de una reacción química es la del orden de reacción. Conviene recordar, en los casos más simples, lo que se entiende por orden de reacción. Siendo Co la concentración inicial del reactivo y C la concentración del reactivo pasado el tiempo t de reacción, si dC/dt obedeciese a la ecuación (1), n será el orden de reacción.
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Si n = 0 (reacción de orden cero), la ecuación (2) será obtenida a partir de la ecuación (1)
En los casos de n = 1 (reacción de orden uno, o de primer orden) y n = 2 (reacción de orden dos, o de segundo orden), la ecuación (1) conducirá, respectivamente, a las ecuaciones (3) y (4).
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GRACIAS
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CINETICA METALURGICA CINETICA MET., REACCION QUIMICA, CLASIFICACION,ORDEN DE REACCION CLASE 1
ING. ROGER ALFONSO MOZO HORNA
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1. CINETICA METALURGICA • Cinética Metalurgica. Es el estudio de las velocidades y mecanismos de las reacciones químicas. • Velocidad de reacción: Es una medida de la rapidez con la que se forman los productos o se consumen los reactivos. • Mecanismo de reacción: Es la secuencia detallada de los pasos simples, elementales, que van desde los reactivos a los productos.
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• En los procesos de obtención de un metal desde el mineral o concentrado hasta su refinación, existen una o más etapas en las que ocurren transformaciones físico-químicas. • Solo contados metales, tales como oro o platino se encuentran nativos. • En todos los otros casos el metal debe ser químicamente extraído y purificado, por ejemplo, en la obtención de cobre desde sulfuros u óxidos; en la obtención de arrabio (hierro) y acero desde minerales oxidados de hierro; en la obtención de zinc desde sulfuros o silicatos, etc. • En el caso mencionado del cobre, su extracción a partir de sus sulfuros ocurre por una transformación inicial a alta temperatura para formar el eje fundido de cobre (Cu2S-FeS) y luego al oxidar y reducir el eje formado a metal crudo o cobre blíster (Fig. 1).
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En metalurgia, la mayor parte de las reacciones ocurren tanto en medio acuoso (lixiviación, cementación, precipitación, electro obtención y electro refinación), como a alta temperatura (tostación, reducción, oxidación, etc.) o en medio fundido a alta temperatura (obtención de aluminio, formación de ejes o matas fundidas de sulfuros reducción de wustita (FeO) líquida con carbono, etc.). El análisis inicial de la extracción, purificación o refinación de un metal debe ser termodinámico, para establecer si la o las reacciones pueden ocurrir termodinámicamente. El segundo paso es establecer que ocurre durante la transformación química del o delas substancias involucradas. Es necesario aquí conocer el o los mecanismo (s) que participa (n), así como la velocidad de aproximación al equilibrio que se establece. Esto corresponde a la cinética de reacción.
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Por otra parte es necesario conocer y caracterizar el flujo y la mezcla entre reactivos y productos en el espacio físico en que ocurre la transformación. Este espacio o volumen se denomina en general “reactor”, aún cuando en metalurgia, y dependiendo del proceso, se conoce por horno, (cuba, cubilote, rotativo, flash, CT, etc.) estanque (lixiviación en estanques o columnas, estáticas o agitadas) convertidor (para ejes de cobre níquel), tostador (lecho fluido, horno de piso múltiples), etc. • En el diseño de un reactor, o un proceso se comienza por analizar los aspectos termodinámico y las condiciones bajo las cuales sería posible producir las transformaciones deseadas, o bien, dadas ciertas condiciones de operación, verificar si la transformación es posible de efectuar. • Conocida las condiciones termodinámicas, se debe entonces conocer el aspecto cinético del proceso: es decir, que equilibrio se establece en las condiciones fijadas y con que velocidad se aproxima al equilibrio. Finalmente, se debe conocer el patrón de flujo y de mezcla que ocurren en el interior del reactor, e integrar la expresión analítica en la cinética para así caracterizar la transformación global y diseñar el reactor o proceso.
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2. REACCION QUIMICA • La reacción química es aquel proceso químico en el cual dos sustancias o más, denominados reactivos, por la acción de un factor energético, se convierten en otras sustancias designadas como productos. Mientras tanto, las sustancias pueden ser elementos químicos (materia constituida por átomos de la misma clase) o compuestos químicos (sustancia que resulta de la unión de dos o más elementos de la tabla periódica). • El ejemplo más corriente de una reacción química es la formación de óxido de hierro, que resulta de la reacción del oxígeno del aire con el hierro. • La física reconoce dos grandes modelos de reacciones químicas, las reacciones ácido-base, que no presentan modificaciones en los estados de oxidación y las reacciones redox, que por el contrario sí presentan modificaciones en los estados de oxidación.
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• En tanto, dependiendo del tipo de productos que resulta de la reacción a las reacciones químicas se las clasifica de la siguiente manera: reacción de síntesis (elementos o compuestos simples se unen para conformar un compuesto más complejo), reacción de descomposición (el compuesto se fragmenta en elementos o compuestos más simples; un solo reactivo se convierte en productos), reacción de desplazamiento o simple sustitución (un elemento reemplaza a otro en un compuesto) y reacción de doble desplazamiento o doble sustitución (los iones de un compuesto modifican lugares con los propios de otro compuesto para conformar dos sustancias diferentes
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3. CLASIFICACION DE REACCIONES QUIMICAS • Existen muchas maneras de clasificar las reacciones químicas. En la Ingeniería de las Reacciones Químicas probablemente el esquema más útil es el que resulta de dividirlas, de acuerdo con el número y tipo de fases implicadas, en dos grandes grupos: sistemas homogéneos y heterogéneos. • Una reacción es homogénea si se efectúa sólo en una fase, y es heterogénea si, al menos, se requiere la presencia de dos fases para que transcurra a la velocidad que lo hace. • Superpuestas a estos dos tipos de reacciones tenemos las catalíticas cuya velocidad está alterada por la presencia, en la mezcla reaccionante, de materiales que no son reactantes ni productos. Estos materiales, denominados catalizadores, no necesitan estar presentes en grandes cantidades. Los catalizadores actúan, en cierto modo, como mediadores retardando o acelerando la reacción.
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Homogéneas
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No catalizadas
Catalizadas
La mayor parte de las reacciones en fase gaseosa
La mayor parte de las reacciones en fase líquida
Combustión de carbón
Síntesis de amoníaco
Tostación de minerales
Oxidación de amoniaco para dar ácido nítrico
Ataque de sólidos por ácidos
Cracking del petróleo
Absorción gas-líquido con reacción
Oxidación de SO2 a SO3
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4. ORDEN DE REACCION En cinética química, el orden de reacción con respecto a cierto reactivo, es definido como la potencia (exponencial) a la cual su término de concentración en la ecuación de tasa es elevado.
Por ejemplo, dada una reacción química: 2A + B — > C con una ecuación de tasa r = k [A]2 [B]1 “r" denota la rapidez de reacción y "k" es la constante cinética.
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El orden de reacción con respecto a A sería 2 y con respecto a B sería 1, el orden de reacción total sería 2 + 1 = 3. No es necesario que el orden de una reacción sea un número entero; cero y valores fraccionarios de orden son posibles, pero ellos tienden a ser enteros. Ordenes de reacción pueden ser determinados solamente por experimentos. Su conocimiento conduce a conclusiones sobre el mecanismo de reacción. El orden de reacción no está necesariamente relacionado a la estequiometría de la reacción, a menos que la reacción sea elemental. Reacciones complejas pueden tener o no órdenes de reacción iguales a sus coeficientes estequiométricos. Una determinación importante en el estudio de la cinética de una reacción química es la del orden de reacción. Conviene recordar, en los casos más simples, lo que se entiende por orden de reacción. Siendo Co la concentración inicial del reactivo y C la concentración del reactivo pasado el tiempo t de reacción, si dC/dt obedeciese a la ecuación (1), n será el orden de reacción.
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Si n = 0 (reacción de orden cero), la ecuación (2) será obtenida a partir de la ecuación (1)
En los casos de n = 1 (reacción de orden uno, o de primer orden) y n = 2 (reacción de orden dos, o de segundo orden), la ecuación (1) conducirá, respectivamente, a las ecuaciones (3) y (4).
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