101601500 11 produccion electrolitica de aluminio
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FISICOQUIMICA
Grupo # 06.
Prof.: Miguel Ríos Br. Aponte Majier
Br. Soria Vanessa
19 de junio de 2012
Aluminio
El aluminio, de símbolo Al, es uno de los elementos más abundantes de la corteza terrestre
(8%) y uno de los metales más caros en obtener. Su número atómico es 13 y se ubica en el grupo
13 de la tabla periódica. Su punto de fusión es muy cercano a los 2000ºC
Es un metal muy electropositivo y muy reactivo. En un medio oxidante, en particular en el
aire, se cubre de una densa película de óxido que lo protege contra la corrosión. Por ésta razón los
materiales hechos de aluminio no se oxidan
La producción anual se cifra en unos 33,1 millones de toneladas, siendo China y Rusia los
productores más destacados, con 8,7 y 3,7 millones respectivamente. Una parte muy importante de
la producción mundial es producto del reciclaje.
A diferencia del material primario, obtenido por vía electrolítica, el metal secundario o
segunda fusión, se obtiene de diversos tipos de trozos procedentes de la elaboración primaria del
aluminio (chatarras) y de la recuperación del aluminio de materiales que lo contienen y que han
sido desechados.
Actualmente el término secundario no se considera a efectos de calidad, pero
fundamentalmente tiene un significado de origen, porque en muchos casos la tecnología de
refinado, o sea la producción del metal de segunda fusión, permite obtener metal de elevada
pureza; igualmente el material bruto también se utiliza en la producción de aleaciones con
tolerancias químicas muy amplia utilizadas exclusivamente en la industria de fundición a presión.
Independientemente de las consideraciones cualitativas, el aluminio secundario es mucho
más económico de producción que el material electrolítico y, todavía más importante, bajo el
aspecto energético se pone con relación al primario en la porción 1/25.
Historia de la Síntesis del Aluminio
En 1809, el inglés Humphrey Davy intentó sin éxito sintetizar el aluminio, y a pesar de su
fracaso intuyó su nombre, quería llamarle aluminium
Los primeros pasos para conseguir aislarlo fueron dados por el danés Hans Christian
Oersted, quien obtuvo a principios del siglo XIX el aluminio de manera impura (contenía
niveles de plomo).
En 1827 el químico alemán Friedrich Wohler obtuvo un polvo gris de aluminio impuro que
contenía además de potasio, cloruro de aluminio no reducido.
En 1845 logró mejorar su método produciendo pequeñas bolitas de un metal lo
suficientemente puro para describir con exactitud las propiedades del aluminio.
En 1845 Bunsen preparó electrolíticamente el aluminio partiendo del compuesto cloruro
alumínico sódico y Deville perfeccionó el procedimiento fabricando por primera vez el
aluminio en lingotes. Así comenzó la producción industrial de éste metal.
Hasta 1884, el aluminio era considerado un metal semiprecioso. El costo de producción era
de unos veinte dólares por kilogramo, utilizándose exclusivamente en joyería y trabajos
ornamentales.
En 1886 Hall y Héroult descubrieron que el óxido de aluminio era soluble en criolita fundida
y que la mezcla podía electrolizarse con un rendimiento comercial superior al existente,
obteniéndose un aluminio purísimo (proceso moderno de la electrólisis de la alúmina). El
gran problema del aluminio es el precio de la energía que consume su producción, la cual
representa entre un 25 y un 30% del costo de producción del metal. Por esta razón se
están desarrollando procesos alternativos que permitan la reducción de la energía
necesaria.
Materias primas
Para la obtención del aluminio se usan menas que contienen Al2O3. Entre estas están las:
Bauxitas: Las bauxitas contienen el equivalente a 30-57% de Al2O3 en forma de hidróxido
de aluminio Al(OH)3 ; 17-35% de Fe2O3 ; 3-13% de SiO2 ; 2-4% de TiO2 ; hasta 3% de CaO
y 10-18% de H2O.
Nefelinas: Las nefelinas se producen en forma de colas, después del beneficio de rocas
de apatitas y contienen cerca de 30% de Al2O3; 20% de Na2O+K2O; 40-45% de SiO2; 2-
4% de CaO y 2-4% de Fe2O3.
Alunitas: Las alunitas contienen 20-21% Al2O3; 4.5-5% de Na2O+K2O; 22-23% de SO3; 41-
42% de SiO2; 4-5% de Fe2O3 y 6-7% de H2O.
Caolines.
Las menas principales para la producción de aluminio son las bauxitas y las nefelinas. Al
usarse las nefelinas para la producción de aluminio se obtienen valiosos productos derivados; la
potasa y la sosa caústica.
Por otro lado, la bauxita que recibe su nombre de la localidad francesa de Les Baux, donde fue
extraída por primera vez y actualmente sus principales yacimientos se encuentran en el Caribe,
Australia, Brasil y África porque la bauxita extraída allí se disgrega con más facilidad. Es un
aglomerado de diversos compuestos que contiene caolinita, cuarzo óxidos de hierro y titania, y
donde el aluminio se presenta en varias formas hidróxidas como la gibbsita Al (OH)3, la boehmita
AlO(OH) y la diásporo AlO(OH).
Proceso de producción
El proceso tecnológico para la elaboración del aluminio se divide, en lo fundamental, en dos
etapas:
1. La obtención de la alúmina (Al2O3) a partir de la mena. (Proceso Bayer)
2. La obtención del aluminio a partir de la alúmina. (Proceso Hall-Héroult)
Es importante mencionar que al proceso al que haremos mención es el de electrólisis (proceso
Hall-Héroult) éste el más eficiente y, por ende el método predominante y casi único a escala
mundial por la industria para producir aluminio.
1. Obtención de la Alúmina (Proceso Bayer: tratamiento con sosa caustica)
Antes de adentrarnos a los diferentes procesos de obtención de aluminio sería importante
mencionar la forma mediante la cual se obtiene la alúmina, ya que ésta será la materia prima
esencial en la elaboración de aluminio
El proceso Bayer, inventado por Karl Bayer en 1889, es el método utilizado mayoritariamente
para la producción de alúmina a partir de bauxita.
Según este procedimiento, la bauxita transportada desde la mina se muele y tritura hasta
quedar pulverizada y se carga a unos autoclaves para su lixiviación. A los autoclaves se agrega
una disolución de sosa caústica, cal y se suministra vapor de agua, todo esto hace que la bauxita
se disuelva en la sosa. Esta dilución se lleva a cabo a bajas presiones y altas temperaturas.
La alúmina, que se encuentra en la bauxita en forma de hidróxido de aluminio, reacciona con la
sosa y pasa a la disolución aluminato sódico (Na2O.Al2O3):
→
Los óxidos de hierro presentes, no reaccionan y pasan a los lodos decantados.
La sílice reacciona con la sosa y pasa a la disolución en forma de silicato sódico (Na2O.SiO2):
→
El silicato sódico, actúa con el aluminato sódico en la disolución y forma el alumino -silicato
sódico insoluble (Na2O.SiO2.2SiO2.2H2O):
→
Como resultado de esta reacción, la disolución se limpia de sílice pero cierta cantidad de
aluminio pasa a los precipitados.
Es por esto que para incrementar la producción de aluminio se necesita una bauxita con la más
baja cantidad de sílice posible, debido a que la producción de aluminio silicato de sodio insoluble
produce una pérdida de alúmina
Finalmente se ha obtenido el aluminato sódico (Na2O.Al2O3) como una masa pastosa en el
autoclave. Del autoclave se envía a un aparato de evaporación especial (un intercambiador de
calor), donde la masa se enfría y se hidroliza o se le agrega agua al aluminato sódico para obtener
el hidróxido de aluminio (Al(OH)3) cristalino precipitado. Este proceso se inocula con cristales de
hidróxido de aluminio para servir de centros de cristalización.
→
Un filtro permite separar la alúmina de la sosa. Finalmente se hace la calcinación a 1200ºC del
hidróxido obtenido en hornos rotatorios para convertirlo en alúmina (Al2O3) eliminando la
humedad:
→
En un refrigerador se enfría la alúmina hasta la temperatura ambiente.
El rendimiento de alúmina a partir de la mena, por este procedimiento es cerca del 87%.
2. Obtención del aluminio. (Proceso Hall-Héroult: Electrólisis de la
alúmina)
La electrólisis es un proceso electroquímico en el que se utiliza el paso de la corriente eléctrica
a través de una solución que contiene compuestos disociados en iones para provocar una serie de
transformaciones químicas. La corriente eléctrica se proporciona a la solución sumergiendo en ella
dos electrodos, uno llamado cátodo y otro llamado ánodo, conectados respectivamente al polo
negativo y al polo positivo de una fuente de corriente continua. Para este caso la electrolisis
descompone la alúmina en aluminio y oxígeno y se aplica el uso de corriente eléctrica para lograr
la reducción debido a que la elevada reactividad del aluminio impide extraerlo de la alúmina
mediante reducción directa.
El aluminio se obtiene por electrólisis, a partir de la alúmina disuelta en criolita (Na3AlF6)
fundida. Esto se debe a que la alúmina, que es una material de tipo refractario, posee un alto punto
de fusión, por lo que es conveniente realizar previamente la disolución en criolita, Na3AlF6, que
tiene un punto de fusión que ronda los 1000ºC, bastante inferior al punto de fusión de la alúmina, el
cual es de 2015ºC, lo que reduce el punto de fusión final del baño fundido, que es un conductor de
la corriente eléctrica (electrolito).La criolita se produce usando fluorita (CaF2), el hidróxido de
aluminio, el carbonato sódico y el ácido sulfúrico.
Se acepta que el proceso electrolítico transcurre como sigue:
Bajo la acción de la corriente la criolita fundida se disocia en iones.
→
La alúmina disuelta también se disocia en iones.
→
De manera que son transportados al cátodo los iones 3Na+ y Al
3+, como el ion de aluminio
tiene un potencial negativo menor que el sódico, se descarga allí solo el aluminio, convirtiéndose
en aluminio metálico que precipita en el fondo del baño caliente en forma líquida.
→
→
Los iones de sodio reaccionan con el anión AlO33-
para formar aluminato sódico según:
→
Los iones negativos o aniones se dirigen al ánodo, se forma allí alúmina y se desprende
oxígeno, según:
→
El oxigeno desprendido reacciona con el carbón para formar CO y CO2 que se desprenden del
baño como gases.
Estas reacciones pueden reducir la eficiencia de la célula e incrementar el consumo de carbón
de la misma.
El aluminio formado al ser más denso que el electrolito se funde en el fondo del baño, así el
aluminio líquido queda protegido de la oxidación.
El metal que se separa en el horno de electrólisis se saca a intervalos regulares (aunque el
fondo ha de quedar siempre cubierto). El aluminio líquido se extrae de la cuba por medio de un
sifón utilizando el vacío para evitar tener que utilizar a esas temperaturas bombas y válvulas, y se
calienta en un horno para separar del metal las partículas de criolita arrastradas y eliminar los
gases disueltos y, finalmente, se cuela en barras o en moldes.
El aluminio así obtenido tiene un grado de pureza que va desde el 99,7% al 99,9%, aceptable
para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, para algún uso especial se necesita aluminio de
alta pureza, especialmente si se requiere una ductilidad o conductividad elevada, con lo que es
necesario el uso de celdas de refinado.
Otra posibilidad es que el aluminio obtenido se mezcle con determinados elementos (Fe, Si,
Mg, Cu y Zn principalmente) formando distintos tipos de aleaciones con las propiedades mecánicas
requeridas (elasticidad, resistencia a la corrosión, etc.).
Lo normal es que el aluminio se obtenga en forma de lingotes para luego someterlo a distintos
procesos que nos permiten obtener los semielaborados de aluminio: productos laminados,
extrusionados, piezas forjadas, etc., que a continuación permitirán obtener los productos acabados
para el mercado de consumo.
Rendimientos
Al emplear el procedimiento Bayer descrito, la extracción de la alúmina constituye cerca de
87% para producir 1ton de alúmina se gastan de 2,0 a 2,5 ton de bauxita, 70 a 90 kg de NaOH,
cerca de 120kg de cal, de 7 a 9 ton de vapor y cerca de 280kw de energía eléctrica.
Por el método Hall-Héroult, para obtener una tonelada de aluminio se usan 2 toneladas de
alúmina, 100 kg de criolita, hasta 600 kg de los electrodos de carbón y de 15.000 a 20.000 Kwh de
energía eléctrica.
En conclusión unas 4 a 5 ton de bauxita nos proporcionaran dos ton de alúmina, y de ésta
seguidamente y por electrolisis se obtendrá 1ton de aluminio.
La distribución del consumo energético de producción está dispuesta de la siguiente
forma:70% lo consume el proceso electrolítico, 10% los consume el proceso Bayer para la
obtención de la alúmina y el 10% restante lo consumen los procesamientos del metal
(purificaciones, aleaciones, acabados)
Afinación o Purificación del Aluminio (Alternativa final de la Producción.
El aluminio obtenido de las cubas de electrólisis de la alúmina contiene cierta cantidad de
impurezas, alúmina, criolita y gases, por lo que para obtener aluminio de alta pureza (99.85-99.9%)
se someten a un proceso de afinación.
Hay dos vías principales para afinar o purificar el aluminio:
La clorinación: Por este método se insufla cloro a la masa de aluminio fundido a
temperatura de entre 750-770ºC, durante unos 10-15 minutos. Durante la insuflación las
impurezas reaccionan con el cloro y se separan del aluminio, aunque una parte (1%) del
aluminio reacciona también y se separa, produciendo pérdidas del material.
La afinación electrolítica: Para afinar el aluminio por el método electrolítico, las barras de
aluminio impuro se colocan como ánodos en un baño de sales de cloro y flúor y este se
descarga a pureza muy elevada en cátodos hechos de aluminio puro.
Descripción de la celda
El baño electrolítico se compone de una caja o cuba, ésta es una estructura de acero en forma
rectangular abierta, cubierta en su interior por ladrillos refractarios (termoaislantes) que circundan
bloques de carbón catódico y a su vez contiene al electrolito y al aluminio líquido. Estas son
organizadas en serie dentro de la planta de producción de aluminio y se asientan sobre hormigón.
Por encima de las cuba se colocan otros electrodos de carbón (ánodos), inmersos en el baño
fundido y suspendidos de una estructura de acero (superestructura) que es soportada por el casco.
Estos ánodos se conectan a corriente eléctrica necesariamente directa, con un potencial de 5 a 10
V. Con ello se produce la circulación de una corriente muy elevada de entre 40.000 y 100.000A,
que además de producir la electrólisis, calienta la solución de alúmina en la criolita fundida hasta
950-1000ºC, manteniéndola líquida. Por esta razón el consumo energético que se utiliza para
obtener aluminio es muy elevado y lo convierte en uno de los metales más caros de obtener, ya
que es necesario gastar de 15 a 20 kWh para obtener un kilo de metal de aluminio.
La corriente eléctrica es conducida por medio de las barras colectoras a las celdas
electrolíticas, distribuyéndose por los ánodos, baño, cátodos y las barras colectoras de una celda a
otra. La corriente entra a una celda a través de los ánodos, fluye por medio del electrolito y del
metal líquido, donde ocurre el proceso de electrólisis; luego las barras colectoras de acero, unidas
al recubrimiento de carbón del fondo, conducen la corriente desde la celda.
Los eventos principales que ocurren en el período de arranque de una celda son: la adición del
baño caliente, la conexión de la corriente a la celda y la puesta en marcha del proceso de
electrólisis.
Para instalar una celda de reducción se debe contar, esencialmente, con un casco de acero,
una cuba, una superestructura que sujeta a los ánodos durante el proceso de electrólisis y con los
electrodos mismos. Y dependiendo del tipo de celda varían las toneladas de electrolito, el número
de ánodos, el tiempo de residencia, entre otros.
Descripción de los sistemas principales de la celda:
Electrolito
El electrolito usado es la criolita en baño fundido con la alúmina, que se encuentra entre los
950-1000ºC dentro de la celda.
Ánodo
Es un bloque de carbón obtenido a partir de una mezcla de coque aglutinado con brea
(subproductos de la refinación del petróleo), llevados a un horno (precocidos) y envarillado
metálico. Estos están conectados al puente o barra colectora por lo cual se desplazan, alejándose
o acercándose al cátodo en conjunto y están parcialmente sumergidos en el baño electrolítico. Los
ánodos por lo común son de sección cuadrada o rectangular. El carbón del ánodo se oxida durante
la electrólisis, es decir, se consume el electrodo .Por lo que al alcanzar una cierta altura deben ser
cambiados.( Su tiempo de vida útil es de aproximadamente veinte días). La reacción que se lleva a
cabo en el mismo es la siguiente
→
Cátodo
El cátodo consiste en un armazón de grafito incrustado en barras de acero para realizar la
conexión eléctrica en la cuba de acero. De hecho en forma general el sistema catódico está
constituido por la propia vasija electrolítica que contiene el metal fundido, los bloques de antracita,
coque y grafito, que son cocidos durante el arranque de la celda. E incluye barras colectoras
primarias y secundarias.( Durante el proceso el propio aluminio líquido funciona como cátodo)
Generalmente la vida útil del sistema que envuelve un cátodo es de 1.500 a 3.000 días. Y la
reacción de reducción que se lleva a cabo en el mismo es la siguiente:
→
La reacción global llevada a cabo en la celda es la que sigue a continuación:
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ANEXOS
Esquema general de la producción de aluminio primario
Proceso Bayer Proceso Hall-Héroult
Celda Electrolítica