2013

INDUSTRIA QUÍMICA

QUÍMICA MENCIÓN

QM-36

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LA INDUSTRIA QUÍMICA

La industria química es un referente de los tiempos modernos, si bien en la antigüedad se

conocían ya algunos elementos, sobre todo el oro, plata, hierro, cobre, plomo, estaño y mercurio

y con ayuda de reacciones químicas se obtenían algunas combinaciones, los últimos 200 años han

dado lugar a impresionantes resultados y nuevos conocimientos que han preparado el terreno al

desarrollo de la industria química.

La fabricación de un producto químico requiere en general, la realización de una serie de procesos

parciales, más o menos independientes, de los que la “preparación” y “purificación de las materias

primas” la “reacción” propiamente dicha y el “acondicionamiento de los productos finales” se

presentan en la fabricación de casi todos los productos.

Cada uno de estos procesos parciales se puede subdividir a su vez en fases de trabajo de las que,

por ejemplo, la trituración, la desecación, el tamizado y otros, son procesos físicos, mientras, la

tostación y la reducción, se cuentan entre los procesos químicos. Ambos tipos de procesos son

igualmente importantes y su coordinación garantiza el curso deseado del proceso total.

LA INDUSTRIA DEL HIERRO

El hierro es probablemente el elemento más abundante de nuestra tierra. Ciertamente, el

contenido de hierro en la corteza terrestre (16 km) es solamente de 4,7%, pero se acepta que el

núcleo de la Tierra consta fundamentalmente de hierro, porque también otros astros contienen

mucho hierro (se han encontrado meteoritos con un contenido en hierro superior al 90%).

En la naturaleza el hierro se presenta raras veces en estado nativo (sólo en los meteoritos) debido

a su carácter no noble. Cuando el contenido en hierro es superior a 20%, se habla de minerales

de hierro.

MAGNETITA PIRITA

Las impurezas (ganga), pueden ser muy diferentes y su conocimiento es importante para los

tratamientos a los que debe ser sometido el mineral. Cuando los minerales contienen mucha sílice

(SiO2) se les denomina ácidos, y si contienen mucha cal (CaO) minerales básicos.

MINERALES IMPORTANTES DE HIERRO

Nombre de mineral

Magnetita Ematita Hierro de Praderas

Espato de Hierro o Siderita

Pirita

Contenido

50 – 70% 35 – 60% 25 – 50% 30 – 40% 45%

Combinaciones de Hierro

Fe3O4 Fe2O3 Fe2O3 · n H2O FeCO3 FeS2

Color y Brillo Brillante Negro

Rojo Mate o brillante

Pardo mate Marrón

Cristalino

Amarillo brillante

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TIPOS DE HIERRO

Propiedades Químicas del Hierro

OXIDACIÓN DE HIERRO:

3 Fe + 2 O2 Fe2O3 + FeO (óxido férrico y óxido ferroso)

REACCIÓN CON VAPOR DE AGUA

3Fe + 4 H2O Fe3O4 + 4 H2 (Formación de Hidrógeno gaseoso)

OXIDACIÓN A TEMPERATURA AMBIENTE

4 Fe + 3 O2 + 6 H2O 4 Fe (OH)3

REACCIÓN CON ÁCIDO CLOHÍDRICO

Fe + 2 HCl FeCl2 + H2

REACCIÓN CON ÁCIDO SULFÚRICO

Fe + H2SO4 FeSO4 + H2

OBTENCIÓN INDUSTRIAL DE HIERRO

Método de Horno Alto

La Hematita y la Magnetita son las principales materias primas minerales que se utilizan en la

metalurgia del Hierro. La separación se lleva a cabo mediante reducción del metal en contacto con

carbón coque en un alto horno. El coque es obtenido de la destilación no combustionada del

carbón mineral, procedimiento mediante el cual se extraen sus compuestos volátiles.

El proceso pirometalúrgico se lleva a cabo introduciendo en la parte alta del horno el carbón y el

mineral en forma de pellets. Adicionalmente se agrega piedra caliza y sílice. En la parte inferior

del horno se insufla oxígeno que reacciona con el carbón y forma gases de carbono (CO y CO2), la

reacción ocurre aproximadamente a 1800ºC.

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El monóxido de carbono (CO) producido toma contacto con el mineral y la caliza y provoca su

reducción.

Las reacciones se ilustran a continuación:

1. Formación de monóxido de carbono a

partir de coque:

CO2 + C 2 CO

2. Reducción de óxidos de hierro con

monóxido de carbono

Fe2O3 + 3 CO 2 Fe + 3 CO2

A temperaturas entre 400 – 500ºC cesa la

acción reductora del CO y actúa solo como

transportador de calor, hasta que sale del

horno por una tubería.

El carbón coque se reutiliza en el horno

para la producción de acero.

Por fusión y soplado de aire y en presencia de caliza y coque como combustible se obtiene una

fundición con pocas impurezas. El contenido en hierro llega al 95% y el punto de fusión aumenta

a unos 1200ºC. El contenido en carbono es de 3-4%. Este material no se ablanda al calentarlo,

sino que al fundir lo hace de una vez. El punto de fusión depende del contenido en carbono; con

3% de C, el hierro funde a 1280 ºC, con 4% a 1180 ºC.

Diagrama de obtención de Hierro

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ACERO

APLICACIONES Y USOS DEL HIERRO Y ACERO

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EL LITIO

EXTRACCIÓN

Las salmueras son extraídas gracias a pozos de bombeo en el salar de Atacama, éstas se

encuentran en diversos bolsones de líquido bajo la superficie del salar. Una vez que se extrae,

mediante un sistema de sondaje las salmueras son depositadas en pozos de evaporación donde se

separa el Cloruro de Litio contenido y se mezcla con Carbonato de sodio (Na2CO3) y cal

generándose en la reacción carbonato de Litio (Li2CO3) y cloruro de sodio (NaCl). En pasos

posteriores la mezcla de sales se separa, filtra y seca.

SEPARACIÓN Y OBTENCIÓN EN DETALLE

Parte de la salmuera líquida, luego de una serie de evaporaciones, es recuperada en forma de

solución concentrada. Estas soluciones son transportadas y procesadas para la obtención de

Carbonato de Litio y de Ácido Bórico. Otra parte de las salmueras ya concentradas son

reinyectadas a los depósitos subterráneos del salar.

Las sales depositadas en las posas de evaporación son debidamente cosechadas y transportadas

para ser procesadas. Mediante procesos de molienda, flotación, secado y compactado se obtienen

los siguientes productos: Cloruro de Potasio y Sulfato de Potasio.

Esquema de proceso salar de Atacama (Fuente: Soquimich)

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Para la obtención de Litio las salmueras del Salar son concentradas y posteriormente procesadas

para ser convertidas en carbonato de litio, usando tecnología de punta para la extracción y

conversión. Además de carbonato se comercializa hidróxido de litio y del cloruro de litio.

Obtención de Carbonato, Cloruro e Hidróxido de Litio (Fuente:Soquimich)

Principales Usos

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INDUSTRIA DEL PAPEL

La celulosa es una sustancia blanca, que se presenta en forma de fibras y es el constituyente

universal de la pared celular de los vegetales. Se emplea en la fabricación del papel, siendo la

madera su fuente principal. El 90% de la producción mundial de papel proviene de la celulosa.

Nuestro país ha sido un importante productor de papeles y sus derivados, debido a la gran

cantidad de bosques y áreas de explotación forestal. Chile es uno de los países con más alto

porcentaje de parques y reservas respecto de su superficie y número de habitantes. Gracias al

proceso de fotosíntesis, los árboles de nuestro país absorben 43 millones de toneladas de dióxido

de carbono y retornan a la atmósfera 32 millones de toneladas de oxígeno. Los recursos

provenientes de los bosques, que contribuyen al bienestar humano son numerosos como por

ejemplo: Maderas (pulpa y celulosa); Savias (caucho, gomas y resinas); Cortezas (corcho y

especias); Hojas (alimento, té, y principios químicos activos) y Semillas (alimento).

DIAGRAMA DE FLUJO PARA OBTENCIÓN DE PAPEL

Hoy en día, en las papeleras se filtra el agua de suspensión de las fibras (pasta) sobre un rodillo

generándose una lámina húmeda. Luego, en la sección de prensado, la lámina húmeda se

comprime pues pasa a través de rodillos y cintas rotatorias.

En la etapa siguiente la lámina comprimida se seca con vapor a alta temperatura. En la etapa de

encolado, se adiciona cola, almidón y otros pigmentos al material laminado con el propósito de

aumentar su resistencia. Un segundo secado y finalmente un calandrado completan el proceso. En

la etapa de embobinado se obtienen rollos superiores a los 10 metros de ancho.

El papel es biodegradable, su periodo de descomposición varía entre 3 semanas y 2 meses. Se

puede fabricar nuevo a partir de celulosa o bien puede reciclarse, según sea el caso los procesos

son algo diferentes.

La industria del papel consume enormes cantidades de madera cada año.

Para fabricar una tonelada de papel se requiere cortar 17 árboles y en el

proceso se generan 30 kilogramos de contaminantes atmosféricos.

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Fabricación a Partir de Madera

consta de 4 pasos básicos:

Descortezado

Formación de la pasta

Blanqueo de la pasta

Laminación

Fabricación con Papel Reciclado

Para fabricar papel con reciclados, obviamente se deben agregar pasos antes de formar la pasta,

estos tienen por objetivo principal eliminar la tinta, estos son destintado, filtración y lavado.

Pulper, utilizado para Rodillo de presión, elimina el agua,

formar la pasta el rodillo puede imprimir marcas en el papel

Algunos Tipos de papel

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INDUSTRIA DEL VIDRIO

El vidrio es un sólido amorfo, que carece de ordenaciones moleculares definidas, e incluso se le

considera un líquido sobre enfriado. Se trata de un sólido, pero sus moléculas están

desordenadas, como en un líquido, manteniendo la cohesión necesaria que le proporciona rigidez

mecánica. El vidrio, por lo general, no tiene un punto de fusión definido y al ser calentado pasa

progresivamente por etapas de ablandamiento en un amplio rango de temperatura.

Compuesto % aproximado

SiO2 68,0% a 74,5%

Al2O3 0% a 4,0%

Fe2O3 0% a 0,45%

CaO 9% a 14%

MgO 0% a 4,0%

Na2O 10% a 16%

K2O 0% a 4,0%

SO3 0% a 0,3%

La fabricación de vidrio y de productos de vidrio consta fundamentalmente de tres etapas:

Obtención de Vidrio

Preparación de

Materias Primas

Fundido

Molienda de

scrap

Empaquetado

Almacenado y

transporte

Inspección y

ensayo

Recocido

Formado del

vidrio

Reciclado

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MATERIA PRIMA

En general las materias primas utilizadas en la elaboración de los distintos tipos de vidrios se

pueden dividir en tres categorías: Principales, Refinantes y Colorantes.

a) Principales: Las materias primas principales son las que se utilizan en mayor porcentaje en la

producción del vidrio, y la cantidad que se emplee de cada una de ellas depende en general del

tipo de vidrio a producir.

b) Refinantes: Los reinantes son productos químicos que se añaden en menor cantidad con la

finalidad de eliminar las burbujas contenidas en el vidrio fundido, mejorando así su calidad.

c) Colorantes: Son sustancias empleadas para dar coloración al vidrio, o para volverlo incoloro

anulando la tonalidad verde, que le es natural.

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INDUSTRIA DEL CEMENTO

La caliza, cuyo componente fundamental es el CaCO3, y en menor proporción MgCO3, es la

materia prima de la que se obtienen diferentes compuestos de calcio necesarios en la industria

química. Además es utilizada para obtener la cal hidráulica y el cemento Portland, utilizado en la

construcción.

El cemento Portland es obtenido, calentando una mezcla pulverulenta de caliza y arcilla en

proporción adecuada, a altas temperaturas, aprox. 1.500 °C, enfriando y moliendo el producto

resultante. Las arcillas son una serie de minerales formados por polímeros de sílice (SiO2)

hidratada y alúmina (Al2O3) hidratada, su principal uso es en la fabricación de cerámicas (ladrillos,

tejas, loza, porcelana, refractarios, etc.).

Polpaico posee una capacidad instalada de 2,7 millones de toneladas anuales de cemento,

distribuida en tres plantas ubicadas en el país, en el norte (Planta Mejillones con 300 mil

toneladas), centro (Planta Cerro Blanco con 1,6 millones de toneladas) y sur (Planta Coronel con

800 mil toneladas).

OBTENCIÓN

Fabricación de cemento

El proceso de fabricación del cemento consta de cuatro etapas principales

1. Extracción y molienda de la materia prima

Comienza en las minas de piedra caliza donde extraen diferenciadamente la superficial, que

contiene caliza y óxidos de aluminios y de hierro, y la más profunda, rica en caliza más pura

(CaCO3). Ambos tipos de rocas se trituran por separado hasta un diámetro de entre 5 a 7 cm,

luego se mezclan en proporciones definidas de acuerdo al cemento que se quiera fabricar, esta

es la mezcla pura. Dependiendo del tipo de roca natural utilizada a veces se agrega a esta

mezcla silice, hierro y a veces óxido de aluminio para mejorar su calidad.

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2. Homogeneización de la materia prima

Una vez que la mezcla está lista se introduce en un molino de rodillos para transformar la

mezcla en un polvo fino llamado mezcla cruda. Para unir los minerales se introduce la mezcla

cruda en un horno precalentador donde se calienta hasta 800 °C que sirve para eliminar CO2, dejando libre la cal (CaO).

3. Producción del Clinker

El polvo pasa a un horno giratorio donde alcanza los 1500 °C y se funde formando pequeñas

bolitas denominadas Clinker. Al salir del horno el clinker es enfriado rápidamente para

asegurar su alta calidad.

Horno Rotatorio Clinker

4. Molienda de cemento.

El último paso en la fabricación del cemento consiste en moler el clinker en un molino de bolas

y en este momento se le añade yeso para retardar su fraguado (endurecimiento) al momento

de ser usado.

Molino de bolas Vista interna

Existen dos tipos básicos de cemento:

Arcilloso: Fabricado a partir de piedra caliza y arcilla en proporción de 4:1.

Puzolánico: Mezclado con ceniza volcánica.

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CEMENTO PORTLAND

El cemento más utilizado se denomina Portland, usado principalmente para la fabricación de

hormigón (concreto).

El clinker Portland está formado principalmente por 4 componentes:

40-60% Silicato tricálcico,

20-30% Silicato dicálcico,

7-14% Aluminato tricálcico,

5-12% Ferritoaluminato tetracálcico.

Cada tipo de cemento contiene los mismos 4 compuestos principales, pero en diferentes

proporciones.

El aluminato tricálcico reacciona inmediatamente con el agua por lo que al hacer cemento, éste

fragua al instante. Para evitarlo se añade yeso, que reacciona con el aluminato produciendo

estringita o Sal de Candlot, sustancia que en exceso es dañina para el cemento. Generalmente su

tiempo de curado se establece en 28 días, aunque su resistencia sigue aumentando tras ese

periodo. Como aglomerante el clinker portland es un aglomerante hidráulico, por lo tanto, necesita

de agua para fraguar, el agua de amasado no se evapora sino que pasa a ser parte de él una vez

endurecido y es capaz de endurecer aún inmerso en agua.

Con el agregado de materiales particulares al cemento (calcáreo o cal) se obtiene el cemento

plástico, que fragua más rápidamente y es más fácilmente trabajable. Este material es usado en

particular para el revestimiento externo de edificios.

CEMENTOS ESPECIALES

Los cementos portland especiales son los cementos que se obtienen de la misma forma que el

portland, pero que tienen características diferentes a causa de variaciones en el porcentaje de los

componentes que lo forman.

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MEZCLAS DE CEMENTOS

INDUSTRIA DEL SALITRE

El mineral de donde se extrae el salitre se denomina caliche y se compone fundamentalmente de

una mezcla de Nitratos (NaNO3 y KNO3) y Yodatos (de Calcio principalmente).

El proceso de extracción y refinado se denomina Guggenheim y consiste en lixiviar el mineral

molido con soluciones acuosas diluidas de nitratos obtenidas en el mismo proceso (aguas

madres).

Una vez lixiviado en estanques, el material se deja cristalizar exactamente a 4ºC usando

intercambiadores de calor. Se consigue entonces un producto (nitrato) que inmediatamente pasa

a granulación liberándose las aguas madres para reinsertarlas en la etapa anterior.

Producción de nitratos a partir de caliche

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Los nitratos obtenidos son usados fundamentalmente en la industria agrícola como fertilizante. En

el mismo proceso se extrae el yodo y se comercializa (KI, AgI, NaI, I2O5 y HI).

Los fertilizantes provocan una mejora en la calidad del suelo pues suplantan algunos minerales

que no están en suficiente cantidad. Los nitratos más corrientes usados como fertilizante de suelo

son los de Sodio, Potasio, Calcio, Amonio.

Otros usos:

Fabricación de explosivos.

Producción de vidrio.

Cerámicas.

DMTR-QM36

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