Universidad Estatal de Guayaquil

Facultad De Ingeniería Química

Trabajo Final de Balance de Materia y Energía (303)

Autor: Kevin Steeven León Ríos

Tamayo Alcívar Richard Isaac

Sección B Curso Tercero

Ing. José Valdez

Año Lectivo

2012-2013

Introducción

En este trabajo podemos detallarles como hemos realizado un proyecto en base a una tesis realizada por estudiantes de la facultad de ingeniería química mediante un programa llamado CHEMCAD® sobre La Obtención De Óxido de Zinc por el método Americano que nos ha servido de mucha utilidad para representar el diagrama de procesos del trabajo.

El verdadero propósito es centrarnos en el campo investigativo de procesos industriales y combinarlo con herramientas informáticas las cuales son muy útiles hoy en día en el campo profesional.

Contenido

Introducción....................................................................................................................................... 2

Problema............................................................................................................................................ 4

Justificación........................................................................................................................................ 5

Problema

Utilizar un paquete informático Chemcad® para poder plasmar los cálculos de un tema de tesis en este caso la

Obtención de Zinc por el método Americano.

Justificación

Objetivo general

Evaluar el programa de Chemcad al tratar de simular por este programa un diagrama de proceso de tesis.

Objetivo Especifico

Analizar previamente el trabajo de tesis adquirido para poder plasmarlo en el programa de Chemcad ®

Metodología

Investigación de tipo documental me base en recopilación de información por medio de

consulta critica de documentos materiales de centros de documentación biblioteca y fuentes de páginas web centros y páginas sociales del

internet.

Marco teórico

Materiales

Materia prima:

Franklinita

La franklinita es un mineral del grupo de la espinela. Es un óxido de zinc, hierro y manganeso de fórmula (Fe,Mn,Zn)2+(Fe,Mn)3+2O4.

Su nombre proviene de la localidad de Franklin (Nueva Jersey, Estados Unidos), donde está el principal yacimiento.

Morfología

Normalmente se presenta como cristales octaédricos, siendo más raros los dodecaédricos y más aún los cúbicos. También puede formar granos esféricos y masas compactas. Suele aparecer asociado con calcita, willemita y, en ocasiones, con cincita.

Yacimientos

Los yacimientos son escasos, destacando los existentes en Estados Unidos; además del de Franklin, son importantes los de Mina Hill y Sterling Hill. También hay depósitos en la Mina San Antonio el Grande en Aquiles Serdán (Chihuahua, México).

Antracita

La antracita es el carbón mineral más metamorfoseado y el que presenta mayor contenido en carbono. Es de color negro a gris acero con un lustre brillante.

Estando seca y sin contar cenizas la masa de la antracita posee 86% o más de carbono y 14% o menos de volátiles. Comparado con otros carbones es poco contaminante y de alto valor calorífico (~35 megajoules por kilogramo). Cabe destacar que no difiere mucho en cuanto a calorías con la mayoría de los carbones bituminosos (hullas).

Comparado con estos últimos carbones la antracita no mancha al ser manipulada. También destaca entre sobre otros carbones por su bajo contenido de humedad.

Formación

Se suele hallar en zonas de deformación geológica aunque su formación más que a la deformación se debe al calor de fuertes gradientes geotermales o intrusiones ígneas. Las temperaturas requeridas para formar antracita son de 170 a 250 °C, lo cual supera a las temperaturas alcanzadas en las profundidades de la mayoría de las cuencas sedimentarias.

Yacimientos, reservas y extracción

La roca constituye alrededor de un 1% de las reservas mundiales de carbón mineral. Se puede hallar en varios países incluyendo el oriente de Canadá y de EE.UU., Sudáfrica, China, Australia y Colombia. En este último país yacen "semiantracitas y antracitas para usos industriales" en sus partes centrales y orientales. En la actualidad China es el mayor productor de antracita siendo responsable de la extracción de más de tres cuartos del total global.

Combustión y usos

Edificios de una mina de antracita y central termoeléctrica en Nuevo México, por los alrededores del año 1935.

La antracita es difícil de prender, se quema lento y requiere mucho oxígeno para su combustión generando en el proceso muy pocas flamas (y de color azul pálido) pero emitiendo mucho calor.

Antiguamente se usaba en plantas de centrales termoeléctricas así como en hogares para calentar. Su uso en hogares posee las ventajas de producir poco polvo al manipularse, quemarse lento y producir poco humo. Debido a su alto costo y relativa escasez ha sido desplazado por gas natural y electricidad en cuanto su uso para calefaccionar. Hoy en día se usa principalmente para producir coque.

Productos:

Óxido de Zinc

El óxido de zinc es un compuesto inorgánico con la fórmula ZnO. De ZnO es un polvo blanco que es insoluble en agua, y se utiliza ampliamente como un aditivo en numerosos materiales y productos, incluyendo cauchos, plásticos, cerámica, vidrio, cemento, lubricantes, pinturas, ungüentos, adhesivos, selladores, pigmentos, alimentos (fuente de Zn de nutrientes ), baterías, ferritas, retardadores de fuego, y cintas de primeros auxilios. Ocurre naturalmente como el mineral zincita, pero el óxido de zinc más se produce sintéticamente.

En la ciencia de materiales, ZnO es un semiconductor de banda prohibida ancha del grupo de semiconductores II-VI (ya que el oxígeno fue clasificado como un elemento del grupo VIA (el grupo de sexto principal, que ahora se conoce como 16 º) de la tabla periódica y de zinc, una transición metal, como miembro de la IIB (2 ª B), ahora 12, grupo). El nativo de dopaje del semiconductor (debido a las vacantes de oxígeno o intersticiales de zinc) es de tipo n. Este semiconductor tiene varias propiedades favorables, incluyendo una buena transparencia, de alta movilidad de electrones, amplia banda prohibida, y fuerte a temperatura ambiente luminiscencia. Estas propiedades se usan en aplicaciones emergentes para transparentes electrodos en pantallas de cristal líquido, en el ahorro de energía o ventanas de protección de calor, y en la electrónica como de película delgada de transistores y diodos emisores de luz.

Propiedades químicas

De ZnO se produce como un polvo blanco. El mineral zincite generalmente contiene manganeso y otras impurezas que confieren un color amarillo a rojo. de óxido de zinc cristalina es termocrómico , cambiando de blanco a amarillo cuando se calienta en el aire y volviendo a blanco en el enfriamiento. Este cambio de color es causado por una pequeña pérdida de oxígeno al medio ambiente a altas temperaturas para formar el Zn no estequiométrica 1 + x O, donde a 800 ° C, x = 0,00007.

El óxido de zinc es un óxido anfótero. Es casi insoluble en agua, pero es soluble en (degradado por) la mayoría de los ácidos, tales como clorhídrico ácido:

ZnO + 2 HCl → de ZnCl 2 + H 2 O

Bases también degradan el sólido para dar zincatos solubles:

ZnO + 2 NaOH + H 2 O → Na 2 [Zn (OH) 4]

De ZnO reacciona lentamente con los ácidos grasos en los aceites para producir los correspondientes carboxilatos , tales como oleato o estearato . ZnO forma productos de cemento como cuando se mezcla con una solución acuosa fuerte de cloruro de zinc y estos se describen mejor como cloruros de zinc hidroxi. Este cemento se utiliza en odontología.

ZnO también forma productos de cemento como cuando se tratan con ácido fosfórico ; materiales relacionados se utilizan en odontología. Un componente importante del cemento de fosfato de zinc producido por esta reacción es hopeita , Zn 3 (PO 4 ) 2 · 4H 2 O.

De ZnO se descompone en vapor de zinc y oxígeno a alrededor de 1975 ° C con una presión de oxígeno estándar. Calefacción con carbón convierte el óxido de zinc en vapor a una temperatura mucho más baja (alrededor de 950 ° C).

ZnO + C → Zn (vap) + CO

El óxido de zinc puede reaccionar violentamente con aluminio y magnesio en polvo, con caucho clorado y el aceite de linaza en calentar originando peligro de incendio y explosión.

Es reacciona con sulfuro de hidrógeno para dar el sulfuro. Esta reacción se utiliza comercialmente en la eliminación de H 2 S usando polvo de ZnO (por ejemplo, como desodorante).

ZnO + H 2 S → ZnS + H 2 O

Cuando ungüentos que contienen ZnO y el agua se funden y se exponen a luz ultravioleta la luz, el peróxido de hidrógeno es producido.

Propiedades físicas

Estructura Wurtzita

Una célula de unidad de blenda de zinc

Estructura

El óxido de zinc se cristaliza en dos principales formas, hexagonal wurtzita y cúbico blenda de zinc. La estructura de wurtzita es más estable en condiciones ambientales y por lo tanto más comunes. La forma blenda de zinc puede ser estabilizado por la creciente de ZnO sobre sustratos con estructura de red cúbica. En ambos casos, los centros de zinc y óxido son tetraédrica, la geometría más característico para el Zn (II).

Además de la wurtzita y polimorfos blenda de zinc, ZnO puede ser cristalizado en la sal de roca motivo a presiones relativamente altas a unos 10 GPa.

Polimorfos hexagonales y blenda de zinc no tienen simetría de inversión (reflexión de un cristal con respecto a cualquier punto dado no se transforma en sí mismo). Esta y

otras propiedades de simetría de celosía como resultado la piezoelectricidad del ZnO hexagonal y blenda de zinc, y piroelectricidad de ZnO hexagonal.

La estructura hexagonal tiene un grupo de puntos de 6 mm (notación de Hermann-Mauguin ) o C 6v ( notación Schoenflies ), y el grupo espacial P6 es 3 MC o C 6v 4 . Las constantes de red son un = 3,25 Å y c = 5,2 Å; su relación de C / A ~ 1.60 está cerca del valor ideal para la célula hexagonal de c / c . = 1,633. Como en la mayoría del grupo II-VI materiales, la unión en ZnO es ampliamente iónica (Zn 2 + -O 2 - ) con el radio correspondiente de 0.074 nm para Zn 2 + y 0.140 nm para O 2 - . Esta cuentas de propiedad para la formación preferente de wurtzita en lugar de la estructura de blenda de zinc, así como la fuerte piezoelectricidad de ZnO. Debido a los lazos Zn-O polares, aviones de zinc y oxígeno están eléctricamente cargados. Para mantener la neutralidad eléctrica, esos aviones reconstruyen a nivel atómico en la mayoría de los materiales relativos, pero no en ZnO - sus superficies son atómicamente plana, estable y no presentan ninguna reconstrucción. Esta anomalía de ZnO aún no se ha explicado totalmente.

Producción

Para uso industrial, ZnO se produce a niveles de 10^ 5 toneladas por año por tres procesos principales:

Proceso indirecto

En el proceso indirecto o francés, zinc metálico se funde en un crisol de grafito y se vaporiza a temperaturas superiores a 907 ° C (típicamente alrededor de 1000 ° C). Vapor de zinc reacciona con el oxígeno en el aire para dar ZnO, acompañado por una caída en su temperatura y la luminiscencia brillante. Partículas de óxido de zinc son transportados al interior de un conducto de enfriamiento y se recogen en una casa de bolsa. Este método indirecto fue popularizado por LeClaire (Francia) en 1844 y por lo tanto se conoce comúnmente como el proceso francés. Su producto se compone normalmente de partículas aglomeradas de óxido de zinc con un tamaño medio de 0,1 a unos pocos micrómetros. Por su peso, la mayor parte de óxido de zinc en el mundo se fabrica mediante el procedimiento francés.

Proceso directo

El proceso directo o American comienza con diversos compuestos de zinc contaminados, tales como minerales de zinc o fundición de subproductos. Los precursores de zinc se reducen (reducción carbotérmica ) por calentamiento con una fuente de carbono tales como antracita para producir vapor de cinc, que se oxida a continuación, como en el proceso indirecto. Debido a la menor pureza del material de origen, el producto final es también de menor calidad en el proceso directo, en comparación con el indirecto.

Proceso químico húmedo

Una pequeña cantidad de la producción industrial implica procesos químicos húmedos, que comienzan con soluciones acuosas de sales de zinc purificados, a partir del cual el carbonato de cinc o hidróxido de cinc se precipita. El precipitado se filtra, se lava, se seca y se calcina a temperaturas de alrededor de 800 ° C.

Aplicaciones

Las aplicaciones de polvo de óxido de zinc son numerosas, y las principales se resumen a continuación. La mayoría de las aplicaciones se aprovechan de la reactividad del óxido en forma de un precursor de otros compuestos de zinc. Para las aplicaciones de la ciencia de materiales, el óxido de zinc tiene un alto índice de refracción , alta conductividad térmica, unión, propiedades antibacterianas y de protección contra los rayos UV. En consecuencia, se añade a los materiales y productos, incluyendo plásticos, cerámica, vidrio, cemento, caucho, lubricantes, pinturas, pomadas, adhesivo, selladores, pigmentos, alimentos, baterías, ferritas, retardadores de fuego, etc

Fabricación de goma

Entre 50% y 60% de uso de ZnO es en la industria del caucho. [ 48 ] El óxido de zinc junto con el ácido esteárico se utiliza en la vulcanización de caucho aditivo de ZnO también proteger de caucho a partir de hongos (ver médica aplicaciones) y la luz ultravioleta.

Industria cerámica

Industria de la cerámica consume una cantidad significativa de óxido de zinc, en particular en composiciones de glaseado y de frita de cerámica. La capacidad térmica relativamente alta, conductividad térmica y estabilidad a alta temperatura de ZnO junto con un comparativamente bajo coeficiente de expansión son propiedades deseables en la producción de cerámica. ZnO afecta el punto de fusión y propiedades ópticas de los esmaltes, esmaltes, y las formulaciones de cerámica. El óxido de zinc como una expansión bajo, flujo secundario mejora la elasticidad de esmaltes al reducir el cambio en la viscosidad como una función de la temperatura y ayuda a prevenir el agrietamiento y escalofríos. Mediante la sustitución de ZnO para BaO y PbO, la capacidad de calor disminuye y la conductividad térmica se incrementa. El zinc en pequeñas cantidades mejora el desarrollo de superficies brillantes y brillantes. Sin embargo, en cantidades moderadas o elevadas, produce mate y cristalinas superficies. Con respecto al color, el zinc tiene una influencia complicada.

Industria de hormigón

El óxido de zinc se utiliza ampliamente para hormigón de fabricación. La adición de ZnO mejora el tiempo de procesamiento y la resistencia del hormigón contra el agua.

Filtros de cigarrillos

El óxido de zinc es un componente de filtros de cigarrillos. Un filtro que consiste en carbón impregnado con óxido de zinc y óxido de hierro elimina cantidades significativas de HCN y H 2 S del humo del tabaco sin afectar a su sabor.

Aditivos alimentarios

El óxido de zinc se agrega a muchos productos alimenticios, incluidos los cereales para el desayuno, como fuente de zinc, una condición necesaria de nutrientes. (Sulfato de zinc también se utiliza para el mismo propósito.) Algunos alimentos preenvasados también incluyen pequeñas cantidades de ZnO, incluso si no se piensa como un nutriente.

Pigmento Blanco de zinc se utiliza como pigmento en pinturas y es más opaca que litopón, pero menos opaco que el dióxido de titanio. También se utiliza en recubrimientos para papel. Blanco chino es un grado especial de blanco de zinc utilizado en artistas pigmentos. Es también un ingrediente principal de maquillaje mineral.

Recubrimientos

Las pinturas que contienen polvo de óxido de cinc mucho tiempo han sido utilizadas como revestimientos anticorrosivos para metales. Son especialmente eficaces para el hierro galvanizado. El hierro es difícil proteger porque su reactividad con recubrimientos orgánicos conduce a la fragilidad y la falta de adherencia. Pinturas de óxido de zinc conservan su flexibilidad y adherencia sobre tales superficies durante muchos años.

ZnO altamente de tipo n dopada con Al, Ga o In es transparente y conductor (transparencia ~ 90%, más baja resistividad ~ 10 -4 Ω · cm). ZnO: recubrimientos de Al se utilizan para el ahorro de energía o de las ventanas-protector de calor. El recubrimiento permite que la parte visible del espectro, pero tampoco refleja los rayos infrarrojos (IR) de nuevo en el ambiente (ahorro de energía) o no permite que la radiación IR en el ambiente (protección térmica), dependiendo de qué lado de la ventana tiene el recubrimiento.

Plásticos, tales como naftalato de polietileno (PEN), pueden ser protegidos mediante la aplicación de revestimiento de óxido de zinc. El recubrimiento reduce la difusión de oxígeno con la pluma. Capas de óxido de zinc también se pueden utilizar en

policarbonato (PC) en aplicaciones al aire libre. El revestimiento protege la PC de la radiación solar y disminuye la velocidad de oxidación y foto-amarillenta de PC.

Diseño de planta

Proceso americano

Proceso en el cual se toma como materia prima la mena franklinita de la corteza terrestre llevándola a un mezclador para luego hacerlo pasar por un horno formándose el producto requerido dando un 93% de conversión. La franklinita utilizada contiene un 20% de óxido de zinc, se usa además antracita y corriente eléctrica. Es el proceso más recomendado debido a su factibilidad y el que utilice a mi proceso y unos 355 kw/H.

Selección y descripción del proceso.

Selección del proceso.

Proceso obtención de óxido de zinc por el método directo americano

La técnica desarrollada por los americanos para la obtención de óxido de zinc, parte de la utilización de materia prima o insumo a la mena franklinita producto este, que posee una composición en óxido de zinc del 80%. El que es extraído de la corteza terrestre, llevándolo posteriormente a un mezclador, para luego hacerlo pasar por un horno formándose el producto requerido dando cerca de un 93% de conversión, contra los restantes proceso este porcentaje tiene ventajas, ya que en el proceso indirecto francés, ni el proceso electro térmico no se aproxima a este porcentaje, aparte del análisis económico, el proceso ideal el directo americano se usa además en este proceso antracita y corriente eléctrica, por lo que la factibilidad de este proceso es la recomendada.

Descripción del proceso.

Banda trasportador la materia prima.-

Del patio se transporta hacia los trituradores, la mena Franklinita y la antracita por separado, dejando la materia prima de un tamaño adecuado para su mezclado.

Transportador de tornillo sin fin.-

Luego de pasar la materia prima por los trituradores martilló la paso hacia el mezclador de

solidos por medio de un sistema de transporte de tornillo sin fin.

Mezclador de sólidos.-

El mezclador de la antracita con la mena Franklinita debe realizarse homogéneamente previa a su entrada el molino de martillo donde se producirá la reducción del tamaño de las partículas previas a su entrada al horno de cuba.

Transportador de candilones.-

Obtenido el mezclado y el tamaño adecuado de las partículas de la materia prima, transporte en candilones se realiza hasta el horno de cuba, hasta aquí se ha realizado esta operación a temperatura ambiente.

Horno de Cuba.-

Las reacciones toman lugar aquí recibida la materia prima mezclada del transporte en candilones, el horno que se encuentra una temperatura de 1000 °C. El producto de la reacción, que viene a constituir el óxido de zinc en estado sólido más cinc en estado de gas, se suspende por la parte superior del horno de cuba. Por la parte inferior este horno se separa las impurezas de nuestra reacción que viene a constituir el magnesio, el hierro y la antracita que no ha reaccionado .la liberación del vapor de zinc. El paso del aire por las parrillas que pueden regularse por 10 cámaras de aire que permite aumentar la corriente de aire de modo gradual a medida que avanza la carga.

La mezcla de vapor de cinc y productos de combustión del proceso de revisión sale del horno y pasa una cámara de gran diámetro en donde está el polvo arrastrado a la causa de la disminución de velocidad y el cambio de dirección de los gases.

El óxido de zinc es arrastrado por los vapores de cinc metálico y el aire pasa a un separador.

Separador.-

Es donde las partículas pueden funcionar como separador de las partículas más gruesas mandándolos por un lado (cinc metálico sólido) y las partículas más finas por arriba (óxido de zinc). Luego estas partículas de óxido de zinc pasan a una cámara de almacenamiento.

Cámara de almacenamiento.-

Sirve como recipiente de almacenamiento del óxido de zinc que sale a una temperatura aproximadamente de 900 °C. La cual es previamente mandada de una banda transportadora al Fluidizador de sólidos.

Fluidizador de sólidos.-

Este por medio de su corriente de aire que se le suministra por medio de un ventilador enfría los sólidos de óxido de zinc que tiene elevadas temperatura al salir los sólidos del Fluidizador de sólidos pasan a un transportador y enfriador de sólidos.

Transportador y enfriador de sólidos.-

Éste a su vez nos transporta los enfría ya que los sonidos de óxido de zinc deben tener temperatura de 25 °C. Y éste a su vez nos manda directamente al desintegrador.

Desintegrador y pulverizador de sólidos.-

El equipo desintegra o pulveriza a los sólidos que se han compactado debido al enfriamiento brusco que le fue suministrado al óxido de zinc, de ahí cuando se hicieron polvo fueron transportados por medio de una banda transportadora de sólidos la cual lleva hasta un almacenamiento.

Banda transportadora de magnesio, hierro y antracita.-

El horno que tiene dos corrientes de salida, laguna de óxido de zinc y la otra de magnesio más hierro más antracita, esta mezcla de sodio fue transportado hasta un Fluidizador de sólido, ya que salen calientes.

Fluidizador de sólidos de magnesio, hierro, antracita.-

Con el objeto de que no se enfríe de nuestra mezcla de sólido por medio de una corriente daría su vez el transporte por la presión que ejerce, el aire a una banda transportadora.

Banda transportadora.-

Transporta los óleos de dicha mezcla a un tanque de almacenamiento que se encuentra a 25 °C.

Almacenamiento de mezcla sólida.-

Ponemos la mezcla de sólido previo al proceso podemos separar, magnesio, hierro y antracita y utilizarla para otro producto.

Diagrama de Flujo

Anexos

Tablas de Watson

manuales de Chemcad

características de materiales

Proceso de obtencion del Oxido de Zinc

Trituracion

Molienda

Mezclado

Horno

fluidizador (aire)

Almacenamiento (MnO)(Fe2O3)

Fluidizador

Enfriador

Separador de Solidos

enfriador de producto

Desintegrador

Silo de Embalaje

Almacenamiento (ZnO)

Antracita (C)Franklinita

20%ZnO 80%Fe2O3 y MnO