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.