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Fernando Brierley – Felipe Salas
2013
Química – Procesos Químicos
Industriales
La tecnología ha permitido el desarrollo de innumerables técnicas que permiten transformar materias primas simples como la madera y la roca en materiales más elaborados. La industria química, aunque reciente, ha permitido un gran avance a la humanidad al permitir la creación de infinidad de productos de uso cotidiano, desde productos farmacéuticos hasta productos de limpieza. En este capítulo estudiaremos algunas técnicas utilizadas en la industria química y los procesos que dan origen al vidrio, papel, cemento entre otras especies comercializadas hoy en día.
© Fernando Brierley V. – Felipe Salas B.
2013
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QUÍMICA – PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES
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Procesos Químicos Industriales
I] Obtención del Hierro y Acero
Pese a que el hierro constituye solo un 4.7 % de la corteza terrestre, es aceptado que es probablemente el elemento más abundante en nuestra tierra, puesto que el núcleo terrestre está compuesto fundamentalmente de hierro.
El hierro se presenta raras veces en estado fundamental y en general lo encontramos en forma de combinaciones, como óxidos hidratados, carbonatos y sulfuros.
En general no existen rocas o minerales que no contengan hierro, de hecho donde exista vegetación existe hierro puesto que es fundamental para la producción de la clorofila.
A continuación exponemos los minerales más importantes que contienen hierro:
Nombre del Mineral Contenido de Hierro Fórmula Color y Bril lo Magnetita 50 – 70 % 𝐹𝑒!𝑂! Brillante – Negro Hematita 35 – 60 % 𝐹𝑒!𝑂! Brillante – Rojo Siderita 30 – 40% 𝐹𝑒𝐶𝑂! Cristalino – Marrón Pirita 45% 𝐹𝑒𝑆! Brillante – Amarillo
Para producir hierro puro, los minerales que contienen hierro son triturados y mezclados con carbón coque para pasar por un proceso llamado “horno alto”. En este proceso la mezcla de la molienda de mineral es pasada por varios procesos para su purificación y es llevada a altas temperaturas (sobre los 1800 ℃) gracias a la combustión del carbón coque. Una vez fundida la mezcla se obtiene hierro medianamente puro denominado hierro bruto o arrabio.
El hierro bruto tiene un contenido de un 3 a un 5 % de carbono puro pero a su vez también contiene impurezas como: azufre, fósforo, silicio y manganeso.
Luego de obtener el arrabio, el hierro es llevado a “hornos de cúpula” en los cuales es nuevamente fusionado a altas temperaturas con el fin de quemar impurezas.
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Denominamos acero a cualquier tipo de hierro forjable, es decir a aquellos tipos de hierro que al ser calentados al rojo, se ablandan y pueden ser deformados.
El hierro en su estado puro no posee ni la resistencia ni la dureza necesaria para las aplicaciones de uso común. Sin embargo al ser combinado con pequeñas cantidades de carbono, se obtiene acero, cuyas propiedades varían en función de la cantidad de carbono y de otros elementos presentes en esta aleación.
El acero se puede obtener a partir de dos materias primas fundamentales:
1. El arrabio obtenido del alto horno. 2. Las chatarras férricas.
En general para obtener acero a partir de arrabio se utiliza el convertidor con oxígeno, mientras que se utiliza el alto horno para los desechos férricos.
La obtención del acero pasa por la eliminación de las impurezas que se encuentran en el arrabio o
en las chatarras. Las reacciones químicas que eliminan estas sustancias impuras requieren de temperaturas por sobre los 1000 ℃.
La fabricación de acero se basa en la fusión de chatarra mediante una gran corriente eléctrica que logra fundir el material y dar pie a la escorificación de las impurezas (gracias a la cal agregada), posteriormente pasa a una etapa de adición donde se le agregan ciertos componentes para mejorar sus propiedades y obtener otros tipos de acero (es el caso del acero inoxidable)
II] Obtención del Litio
El litio es un metal muy escaso y muy útil en la fabricación de baterías, reactores de energía nuclear y en la industria de la farmacología.
Chile se ha transformado en el productor mundial Nº1 de litio, dada la gran reserva de litio ubicada en el salar de Atacama.
La extracción del litio se puede realizar a través de la refinación de minerales que contengan litio o de la extracción de salmueras de alto contenido en litio.
Las salmueras son extraídas mediante pozos de bombeo situadas bajo el salar de Atacama, las que son bombeadas hasta pozos de evaporación en los cuales se obtienen las sales contenidas en la salmuera.
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Estas sales son transportadas y procesadas para obtener carbonato de litio y ácido bórico.
El carbonato de litio (𝐿𝑖!𝐶𝑂!) es un polvo blanco y fino, que reacciona fácilmente con ácidos fuertes y es usado para la obtención de otras sales de litio. Se utiliza principalmente en la industria de vidrios, la industria óptica, en la producción de aluminio, en la construcción, en celdas de energía y en aplicaciones médicas.
El cloruro de litio es obtenido a partir del carbonato de litio y tiene sus principales usos en las soldaduras de arco.
III] Obtención del Azufre
El azufre generalmente se encuentra formando parte de sulfuros metálicos en depósitos de origen volcánico. Existe en forma elemental en depósitos subterráneos y se extrae mediante un procedimiento llamado “proceso Frash”, que consiste en inyectar agua sobrecalentada (a 165℃ y a 16 atm) a la roca subterránea que contiene azufre a través de un tubo. El azufre se funde al llegar a los 119 ℃ formando una bolsa líquida subterránea, luego se inyecta aire comprimido a una presión de 25 atm por otro tubo, logrando que la bolsa líquida de azufre emane a la superficie.
Los sulfuros metálicos constituyen una materia prima de vital importancia puesto que sus dos componentes son usados a nivel industrial, desde usos en la agricultura hasta sintetización de ácido sulfúrico.
Físicamente el azufre es un sólido amarillo e insoluble en agua, que tiene múltiples aplicaciones:
1. Vulcanización del caucho, para formar polímeros más duros; caucho vulcanizado. 2. Fabricación de la pólvora. 3. Obtención de fungicidas. 4. Preparación de productos farmacéuticos.
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IV] Obtención del Yodo
El yodo es un mineral que no podemos encontrar en yacimientos como el cobre y el carbón, lo podemos encontrar en forma de yoduros en el agua de mar y en algas, y en forma de yodatos en minerales como el salitre.
Podemos extraer yodo a partir de la purificación del salitre, donde lo encontramos como yodato de sodio (NaIO3), el cual es calentado y mezclado con bisulfato de sodio dando origen a un precipitado que contiene yodo en forma sólida que al ser lavado, prensado, secado y purificado nos entrega yodo puro.
Los principales usos del yodo radican en la desinfección de heridas, elaboración de fármacos para combatir enfermedades, en la fabricación de colorantes y en la elaboración de reveladores para películas fotográficas.
V] Obtención del Ácido Sulfúrico
El ácido sulfúrico (H2SO4) es un compuesto líquido, incoloro e inodoro con un punto de fusión de 10 ℃, es miscible con agua en cualquier proporción liberando altas cantidades de calor.
El ácido sulfúrico posee grandes aplicaciones en la industria de la metalurgia, en la industria de abonos (para preparar sulfatos), en la industria petroquímica, en la industria de los fertilizantes, en la industria textil, entre otras.
Existen múltiples formas de obtener ácido sulfúrico; una de ellas es a través de cámaras de plomo, donde básicamente dióxido de azufre purificado es oxidado a ácido sulfúrico en presencia de agua mediante gases nitrosos que actúan como transportadores de oxígeno.
Sin embargo, el método más utilizado para la producción de ácido sulfúrico es el método de contacto, en el cual mediante un quemador se produce anhídrido sulfuroso (SO2) a partir de azufre puro, posteriormente en presencia de un catalizador (pentóxido de vanadio), el SO2 es transformado en anhídrido sulfúrico (SO3) el cual al ponerse en contacto con agua produce ácido sulfúrico (H2SO4) liberando grandes cantidades de energía que es utilizada para realizar otros procesos industriales.
Hoy en día el ácido sulfúrico es el producto químico de mayor consumo en el mundo puesto que es el ácido orgánico de menor costo de producción. Sus principales usos están en la elaboración de fertilizantes, refinación del petróleo, en la metalurgia del cobre, hierro y manganeso y en la fabricación de pigmentos.