Termodinamica De La Tostacion 1h6o

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN DE PIROMETALURGIA 1,. TERMODINAMICA DE LA TOSTACIÓN.Las condiciones necesarias para la formación de los distintos productos de tostación pueden ilustrarse mediante relaciones de equilibrio que existe en un sistema que contiene metal, azufre y oxigeno. Se tiene tres componentes y de acuerdo con la regla de fases, se puede tener un sistema de 5 fases, es decir 4 fases condensadas y na fase gaseosa. Si la temperatura es constante se podría tener un sistema de 3 fases condensadas y una sola fase gaseosa. 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 + 2S2 = 2SO2 2SO2 + O2 = 2SO3

(1) (2)

Para una temperatura dada, la composición de la mezcla gaseosa esta definida por la presión parcial de cualquiera de los 2 componentes gaseosos. También para una composición constante de gas, la composición de las tres fases condensadas esta fija. A las relaciones de fase en el sistema ternario a temperatura constante pueden describirse por medio de las diagramas bidimensionales en donde las coordenadas son las presiones parciales de dos de los componentes gaseosos. En la figuras se muestra los diagramas de ellinghan y la de kellogg. Las líneas que describen el equilibrio entre cualquiera de las fases condensadas están dadas por ecuaciones como: Me + SO2 = MeS + O2

(3)

2Me + O2 = 2MeO

(4)

2MeS + 3O2 = 2MeO + 2SO2

(5)

2MeO + 2SO2 + O2 = 2MeSO4

(6)

MeS + 2º2 = MeSO4

(7)

En el caso de que el metal hubiera formado varios sulfuros y óxidos se deben considerar mas ecuaciones para la formación de MeS2 Pueden existir también sulfatos básicos como MeO MeSO4.

Me2(SO4)3 etc.

Para las reacciones dadas antes y para todas las fases condensadas en sus estados estándar los equilibrios estan dados por las expresiones siguientes: logPo – log PSo2 = log K3 logPo2 = - logK4 2logPso – 3 log Po = log K5 2logPso + logPo = - log Ko 2logPo = - log K Puede observarse que para una estequiometría de reacción dada la forma de la expresión de equilibrio es la misma para todos los metales, es decir, la pendiente de las curvas correspondientes en la fig. 1 es la misma. Solo los valores de las constantes de equilibrio K3

K4 etc son distintos de metal a

metal. Esto quiere decir que la posición de las áreas entre las líneas. Estas áreas se denominan área de predominancia para la fase particular. Puede observarse que en tanto exista solo una fase condensada. Las presiones parciales de SO2 y O2 pueden modificarse independientemente una de la otra. Es decir, el sistema a temperatura constante tiene dos grados de libertad. A lo largo de las líneas de equilibrio entre dos fases condensadas. El sistema tiene solo un grado de libertad. Finalmente cuando se encuentran presentes tres fases condensadas el sistema no cambia a temperatura constante. En la fig. 1 se dan también líneas que describen las reacciones (1) y (2) es decir la formación de S2 y de SO. Estas estan dadas por las expresiones: 2logPso – 2logPo = logK1+ logPs 2logPso + 2logPo = -logK2+ 2logPso Se tiene entonces que para valores fijos de K1 K2 la relación entre logPso y logPo depende también de las presiones parciales de S2 o SO3 en la figura IV1 las líneas son para cuando Ps y Pso son iguales a una atmósfera. Para otras presiones, las lineas se recorren hacia arriba o hacia debajo de acuerdo con las expresiones arriba dadas. Puede notarse que la presión parcial

de S2 se

incrementa cuando la presion parcial de O2 es pequeña y la de SO3 grande. Los diagramas del tipo de la fig. 1 se denominan frecuentemente diagramas de kellogg.

Figura 1 DIAGRAMA DE KELLOGG PARA EL SISTEMA Me-S-O Cuando la tostación se efectúa en aire, la suma de las presiones parciales de SO2 y O2 es alrededor de 0.2 atm. Esto quiere decir que las condiciones durante la testación se describirán

por la línea punteada en la figura V-1

Primero se convierte el sulfuro en oxido por medio de la reacción (5). Luego el oxido puede convertirse en sulfato, que mediante calentamiento prologado en aire prolongado a temperatura constante

puede descomponerse de nuevo

para dar el óxido. Puesto que las áreas de predominancia

para los distintos metales se

encuentran en distintos lugares, no sucederán simultáneamente las reacciones para un amena de sulfuros mezclados para diferentes metales; además algunas reacciones pueden no suceder en absoluto. Entonces para un sulfuro mezclado de Fe-Cu ver fig.2 el sulfuro de hierro se oxidara primero formando Fe3O4 (suponiendo que PSO + PO = 0.2 atm). El cobre se encontrara presente como Cu2S.

La oxidación adicional convierte la magnetita en hematina y el Cu2S en Cu2O y después en CuO - CuSO4 mientras que la hematina no formara sulfato bajo estas condiciones. La oxidación de un

sulfuro metálico para dar el metal correspondiente se

denomina tostación – reacción puesto que antes se suponía que algo del sulfuro debía convertirse primero en oxido, el cual reaccionaba después con el sulfuro restante para dar el metal. El principio de la reacción – tostación se utiliza en la fusión y conversión de matas de menas sulfurosas y en menor grado en la fusión del plomo. Se observa además que el sulfato metálico a temperaturas bajas y presiones parciales elevadas de SO2 y O2. También la temperatura de formación de sulfato difiere considerablemente de metal a metal. La mayor temperatura de sulfatación que corresponde a una elevada temperatura de descomposición del sulfato, se tiene en el caso del plomo y del zinc. Se tienen menores temperaturas en el caso del cobre y del niquel en tanto que el oxido de hierro en sulfato solo a temperaturas por debajo de 600º C, La conversión directa de sulfuro a sulfato requiere de aun menores temperaturas.

Figura 2 DIAGRAMA DE KELLOGG PARA LA TOSTACIÓN DE SULFUROS

2.- DIAGRAMA DE ELLINGHAN.-

Figura 3 DIAGRAMA DE ELLINGHAN PARA LA FORMACIÓN DE OXIDOS

FIGURA 4 DIAGRAMA DE ELLINGHAN PARA EL SISTEMA OXIGENO – CARBONO 3.- AFINIDAD DEL METAL EN LA TOSTACIÓN.-

4.- TEMPERATURA DE IGNICIÓN.Para que un combustible se queme, es decir, reaccione con el oxígeno, es necesario el aporte de una cantidad de energía para que el combustible se inflame. Esta cantidad de energía depende del tipo de combustible, de la proporción de mezcla gas-aire y del contenido de oxígeno. Las temperaturas mostradas en la tabla 3.11 han sido determinadas por calentamiento de una mezcla de combustible y una cantidad apropiada de oxígeno para que tenga lugar la ignición, siguiendo la norma DIN 51794. TABLA 3.11. Temperaturas de autoinflamación de algunos combustibles. COMBUSTIBL E H2 CO CH4 C2H6 C3H8 C5H12 C8H18 C6H6 Kerosene Gasolina Carbón

TEMPERATURA, ºC 400 605 537 515 450 260 210 555 260 390 454