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TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

TEMA 1.-LA INDUSTRIA QUÍMICA Y LA QUÍMICA INDUSTRIAL Las actividades humanas de carácter económico se agrupan en tres grandes sectores: el primario lo forman las dedicadas a la puesta en valor de uso de los llamados bienes primarios, como son los productos de la pesca, la agricultura, la ganadería y la minería. El sector secundario engloba la actividad industrial -mecánica, química, eléctrica, textil, papelera, petrolera, etc.-. El terciario se refiere a los servicios que se prestan a la actividad general, como son la enseñanza, la banca, el transporte, las comunicaciones, la información, etc.

La importancia relativa de estos sectores evoluciona con el tiempo. A principios de siglo, el sector servicios tenía muy poca significación relativa, pero a medida que la civilización se ha ido haciendo más técnica este sector ha avanzado más que los otros y hoy se considera que un país llega a la madurez del desarrollo cuando sus servicios suponen la ocupación laboral de más del 50% de su población activa. Esta consideración está avalada por el hecho de que el valor añadido -diferencia entre el valor de lo producido y la suma de los valores de los recursos consumidos para ello, excluidos salarios, intereses y beneficios- es mayor en el sector terciario que en ningún otro.

Las materias que los sectores productivos aportan a la economía general requieren transformaciones que pueden ser : -Cambios de lugar: Industria del transporte y de la comunicación -Cambios de forma o disposición: Industrias mecánicas, electrónica, etc. -Cambios de la propia sustancia (entidad) de la materia: Industria química. Cabe, pues, entender por industria química aquella que obtiene productos de naturaleza distinta a los de partida. Esta definición es válida en líneas generales, aunque es de advertir que las clasificaciones administrativas van por otro camino, por razones varias, incluso históricas; así, la industria del cemento no se suele incluir entre las químicas aunque el producto tenga poco que ver con las materias primas empleadas. Otras veces, como ocurre con las industrias de la celulosa o el azúcar, los productos no se producen en las fábricas que tratan las materias primas correspondientes -madera o remolacha- sino que el fabricante se limita a aislar esos productos; aún así, las técnicas y conocimientos que han de utilizarse para ello caen tan de lleno en el ámbito cultural de la Química que, como en el caso del cemento, del petróleo y tantos otros productos, estas industrias no pueden dejar de ocupar lugar propio en el campo químico-industrial. EL DESARROLLO DE LA INDUSTRIA QUÍMICA La industria química se ocupa de cambiar la estructura química de los materiales naturales con el fin de obtener productos útiles para otras industrias o para la vida cotidiana. Los productos

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químicos se obtienen a partir del procesamiento, en una serie de etapas, de esas materias primas (minerales, metales e hidrocarburos, sobre todo), que suelen requerir tratamientos ulteriores, como el mezclado, para conseguir el producto final (p. ej., pinturas, adhesivos, medicamentos y cosméticos). Así pues, la industria química no se limita exclusivamente a los denominados “productos químicos”, sino que abarca otros productos, como las fibras artificiales, las resinas, los jabones, las pinturas, las películas fotográficas y muchos otros. Hay dos tipos principales de productos químicos: orgánicos e inorgánicos. Los primeros tienen una estructura básica de átomos de carbono, a la que se añaden hidrógeno y otros elementos. Actualmente, las fuentes del 90 % de la producción mundial de productos químicos orgánicos son el petróleo y el gas, que han sustituido, con diferencia, al carbón y las sustancias vegetales y animales, anteriores materias primas. Los productos químicos inorgánicos proceden principalmente de fuentes minerales. Algunos ejemplos son el azufre, que se extrae como tal o de otros minerales, y el cloro, que se obtiene de la sal común. Los productos de la industria química se clasifican, a grandes rasgos, en tres grupos, que corresponden a las principales etapas de fabricación: productos químicos básicos (orgánicos e inorgánicos), producidos normalmente a gran escala y convertidos en otros productos químicos; productos intermedios, obtenidos a partir de los productos químicos básicos, en su mayoría requieren un tratamiento posterior en la industria química, aunque algunos, como los disolventes, se utilizan sin procesar; y productos químicos terminados, que requieren tratamientos químicos ulteriores. Algunos de ellos (fármacos, cosméticos, jabones) se consumen tal cual; otros, como las fibras, los plásticos, los colorantes y los pigmentos deben someterse aún a otros tratamientos. Los principales sectores de la industria química son los siguientes: 1. productos inorgánicos básicos: ácidos, álcalis y sales, utilizados sobre todo en otros sectores industriales, y gases industriales, como el oxígeno, el nitrógeno y el acetileno; 2. productos orgánicos básicos: materias primas para plásticos, resinas, cauchos sintéticos y fibras sintéticas; disolventes y materias primas de detergentes; colorantes y pigmentos; 3. fertilizantes y plaguicidas (incluidos herbicidas, fungicidas e insecticidas); 4. plásticos, resinas, cauchos sintéticos, fibras sintéticas y celulósicas; 5. productos farmacéuticos (fármacos y medicamentos); 6. pinturas, barnices y lacas; 7. jabones, detergentes, productos limpiadores, perfumes, cosméticos y otros productos de perfumería; 8. productos químicos diversos, como líquidos para abrillantar, explosivos, adhesivos, tintas, películas fotográficas y productos para revelado.

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La industria química es una de las que se han desarrollado con mayor rapidez, tanto en extensión como en intensidad. Este doble y rápido desarrollo tiene relación con el hecho de que cada vez que la investigación química aporta una sustancia nueva -y el número de moléculas nuevas ha aumentado en millones en los últimos 100 años- siempre es posible ensayar su aplicación en cientos de maneras y para fines distintos, y raro será que entre tantas posibilidades no haya siquiera una que no resulte revolucionaria: textiles, plaguicidas, fertilizantes, desfoliantes, medicamentos, detergentes, refractarios, semiconductores, vidrios especiales, plásticos, cauchos, etc. LA QUÍMICA INDUSTRIAL Todo procedimiento químico supone la transformación de una o varias materias primas en uno o varios productos. A veces, junto a éstos, aparecen otros no deseados e inevitables que pueden tener valor para otros fines; se les llama subproductos. Dada la imposibilidad práctica de llevar a cabo las transformaciones en su totalidad, la parte de materia no transformada y las intermedias que no es posible recoger constituyen un conjunto de residuos que si escapan al ambiente son causa de contaminación. La importancia de este fenómeno ha ido en aumento al crecer la población humana y su índice de consumo; el consiguiente aumento de producción ha acabado por hacer imprescindibles instalaciones complementarias que eviten o atenúen la contaminación interior y exterior. En la figura 1.1 se clasifican los conceptos que se acaban de esbozar.

Figura 1.1 Esquema general de la producción química.

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MATERIAS PRIMAS: Las materias primas utilizadas en la industria podemos clasificarlas en:

- Materiales naturales y - Materiales sintéticos.

Materiales Naturales: Son aquellos que se encuentran en la naturaleza. A partir de estos se fabrican el resto de los productos. Podemos citar entre ellos a la madera, lana, arcilla, carbón, hierro, cobre, gas natural, petróleo, etc. Muchos de estos recursos son renovables, esto quiere decir que si su utilización es controlada no existe peligro de que se agoten. Por ejemplo: la lana, la madera, etc. Otros materiales como el petróleo, el carbón, los metales etc, son no renovables y existen en la naturaleza en cantidades limitadas, lo que implica que algún día se agotarán. El uso de materiales reciclables, como el papel, los plásticos, los metales, etc., además de reducir los costos de producción permitirá una mayor durabilidad de los materiales no renovables y paralelamente menor contaminación.

Materiales sintéticos: Son los materiales creados por el hombre a partir de materias primas naturales. Por ejemplo: los plásticos son obtenidos utilizando como materia prima el petróleo y estos a su vez son materias primas de otras industrias como la fabricación de envases, por ejemplo.

TRANSFORMACIÓN DE LA MATERIA PRIMA EN PRODUCTOS ACABADOS

Los materiales que se encuentran en estado natural necesitan ser transformados para ser utilizados. Actualmente, el proceso de transformación de un material, desde su estado natural hasta convertirlo en un producto acabado, puede, acarrear centenares de fases que, incluso, puede involucrar a gente de todo el mundo.

A grandes riesgos se pueden distinguir tres fases importantes:

Extracción de Conversión en Fabricación de

materia prima productos acabados productos y objetos Localización y extracción de la materia prima Muchas veces la localización de la materia prima es un proceso sencillo. Por ejemplo, una industria maderera que posea su propio bosque o el agricultor que planta su campo de algodón. En ambos casos se conoce con exactitud donde se encuentra la materia prima.

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Mas complicado son aquellas industrias que requieren materias primas del interior de la tierra ya que su localización frecuentemente resulta mas difícil debiendo recurrirse a técnicas sofisticadas de localización e incluso al uso de satélites. Conversión de la materia prima en productos industriales Una vez localizada, extraída y trasladada la materia prima, desde el lugar de origen hasta un centro de transformación, se procede a la fabricación de productos industriales. Por ejemplo, los troncos de árboles cortados son trasladados a las serrerías, donde son medidos y analizados para deducir cuál es la mejor forma de cortarlos para obtener el mayor número y las mejores tablas o tablones. En serrerías de cierta categoría, Es el ordenador o computadora el que determina la forma de corte óptima para obtener las mejores tablas de un mismo tronco. Fabricación de productos acabados Muchos materiales industriales generalmente necesitan sufrir un segundo proceso de fabricación para convertirse en objetos directamente utilizables por el hombre. Para esto se emplean una amplia gama de operaciones de transformación que mas adelante trataremos con mas detalle. SELECCIÓN DE LOS MATERIALES DESDE EL PUNTO DE VISTA INDUSTRIAL En líneas generales se puede afirmar que no existe un material perfecto (que pueda ser empleado para todo). Cada aplicación necesita de un material que reúna unas propiedades determinadas. Por tanto, los diseñadores e ingenieros necesitan analizar y comparar las ventajas e inconvenientes que tiene cada uno de ellos y elegir el que más convenga para cada aplicación.

A la hora de seleccionar el mejor para una aplicación concreta conviene tener en cuenta una serie de aspectos, tales como:

a) Costo del material

Se debe considerar que el precio del material empleado para construir un producto representa aproximadamente, de 1/3 a 1/2 del precio final. Por tal motivo éste es un factor muy importante a tener en cuenta si queremos vender el producto a un precio competitivo.

b) Transporte

A veces el transporte de la materia prima incrementa tanto los precios que el producto final deja de ser competitivo. Por ello, en la mayoría de los casos se compran en lugares próximos a los de transformación, con objeto de reducir o eliminar estos gastos.

c) Calidad

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La aparición continua de nuevos materiales obliga al fabricante a un estudio y evaluación constante de sus propiedades para una posible aplicación en el producto concreto. En este caso deberá tener en cuenta también las preferencias de los consumidores y las posibles repercusiones sobre el medio ambiente. d) Disponibilidad

Es importante poder disponer de la materia prima cuando se necesita o al menos tener otros materiales con características análogas.

e) Aptitud para la aplicación

Una vez que se ha construido el objeto que se deseaba, utilizando un material determinado, es necesario que soporte los esfuerzos a que va a estar sometido sin que ello pueda alterar su forma o características.

Una buena manera de asegurarse de que se va a adaptar a las exigencias demandadas es hacer un estudio de sus propiedades, tal y como se muestran a continuación. TIPOS DE ENSAYOS TECNOLÓGICOS La elección del material más adecuado exige el conocimiento previo de sus propiedades técnicas: características físicas y químicas aptitud para su conformación por deformación, grado de homogeneidad, resistencia mecánica, maquinabilidad, etc. Toda esta información nos la suministran los ensayos de los materiales, realizados sobre probetas normalizadas, productos semiacabados, elementos de estructuras o de máquinas y otros elementos de unión (tornillos, resortes, etc.). Según el fin se distinguen : Ensayos técnicos: Destinados a controlar la producción, de forma que se satisfagan ciertas normas perfectamente definidas. Se efectúan durante el proceso de fabricación en los laboratorios. Deben ser rápidos y simples, exactos, fieles y sensibles. Ensayos científicos: se les exige una gran precisión, fidelidad y sensibilidad, pero no importa la rapidez. Su objeto es: 1. Conocer las propiedades de un material o estudiar la influencia sobre la composición química, procesos de fabricación y las transformaciones de sus estructuras. 2. Poner a punto nuevos métodos de ensayo o perfeccionar los existentes. 3. Ensayar las piezas que han fallado tratando de hallar sus causas y forma de evitarlas. 4. buscar cifras de resistencia que sirvan de base Todos estos objetivos se consiguen mediante el uso de ensayos de tipo destructivos y no destructivo, basados en : • Químicos: Su finalidad es conocer la composición química del materia y su resistencia a los agentes químicos .La resistencia a los agentes químicos es objeto de los ensayos de corrosión.

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• Metalográficos: nos determinan con la ayuda de los microscopios la estructura del material y los tratamientos térmicos y mecánicos que ha sufrido. • Físicos y físico-químicos: destinados a conocer las propiedades físicas o determinar las heterogeneidades y demás defectos internos. A este grupo pertenecen los ensayos destructivos y no destructivos. • Mecánicos: son destructivos y tienen por misión: 1. conocer las características elásticas y de resistencia de los materiales. 2. Determinar las tensiones que se desarrollan en piezas terminadas o en prototipos reducidos, cuando se someten a esfuerzos análogos. ENSAYOS DE COMPRESIÓN, CIZALLADURA, FLEXIÓN, PANDEO Y TORSIÓN: Ensayo de compresión: estudia el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de compresión creciente, ejercido con una máquina apropiada, hasta conseguir la rotura o aplastamiento, según el material. Se efectúa sobre probetas cilíndricas en los metales y cúbicas en los no metales.

Ensayo de cizallamiento: Se trata de determinar el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo cortante, progresivamente hasta conseguir la rotura por deslizamiento a lo largo de la sección de cizallamiento. Se someten los materiales destinados a fabricar chavetas, tornillos, etc. que trabajan a esfuerzo cortante. Ensayo de punzonado: Similar al de cizallamiento, la diferencia estriba en que el corte se produce a lo largo de una superficie cilíndrica. Se coloca, muy bien sujeta sobre la matriz troncocónica B, una probeta plana, sobre la que actúa un punzón que recibe el esfuerzo del punzón..

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Ensayo de flexión: Complementario del de tracción, para aplicarlo en casos en que, por la fragilidad del material, las pruebas de tracción no dan resultados convincentes. No es un ensayo general para los materiales sino, para las estructuras fabricadas con éstos. Se efectúa sobre probetas de sección circular o rectangular, apoyadas por sus extremos, en dos soportes de rodillos cuya distancia puede variarse. En el punto medio la carga P creciente, y se mide allí la deformación o flecha.

Máquina para ensayo de flexión.

Ensayo de pandeo: Al someter a un esfuerzo de compresión una probeta en la que la relación LS sea muy inferior a la unidad o, que su longitud sea relativamente grande con respecto a la sección, su comportamiento es distinto al del

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ensayo de compresión. En vez de producirse aplastamiento se produce una flexión lateral o pandeo. Se realiza sobre piezas terminadas, con objeto de medir las deformaciones producidas por las cargas de prueba, por ejemplo en bielas, columnas, etc. Ensayo de torsión: Se efectúa sobre probetas de sección circular o tubular, que se sujetan por sus extremos mediante mordazas, cuya distancia puede variarse. Una de las mordazas permanece fija mientras que la otra, móvil, se hace actuar un momento de torsión Mt creciente, pudiéndose medir el ángulo de torsión. Ensayos de dureza: La dureza es una propiedad de la materia en estado sólido. Está determinada por la estructura cristalina. Se entiende por dureza de un material la resistencia superficial a la deformación. Según el método se distingue: • Resistencia que oponen los materiales a ser rayados por otros más duros, ( dureza mineralógica). • Resistencia que oponen los materiales a dejarse penetrar por otros más duros ( Durezas Brinell, Vickers, Rockwell, etc.) • Reacción elástica del material al chocar sobre él un cuerpo duro ( durezas Poldi, Shore ) • Resistencia que encuentra, a la oscilación, un péndulo que roza sobre el materia considerado ( dureza pendular). Los ensayos de dureza presentan la ventaja de ser sencillos, rápidos y, en general, no destructivos. A partir de la cifra de dureza podemos obtener información sobre sus características Dureza al rallado: primer procedimiento para determinar la dureza se debe a Friedrich Mohs. Lo empleó en los minerales, pero su uso no se extendió a los metales. Escala de dureza de Mohs: consta de 10 minerales de forma que cada uno de ellos es rallado por el que le sigue, 1-talco, 2-yeso, 3-calcita, 4-fluorita, 5-apatito, 6-feldespato, 7-cuarzo, 8-topacio, 9-corindón, 10-diamante. Método de Martens: el aparato construido por Martens consta de un diamante con una punta piramidal cuyo ángulo en el vértice es de 90º y sobre el cual, mediante un brazo de palanca, puede actuar una carga determinada. La probeta, sujeta en un soporte adecuado, se desplaza debajo del diamante, el cual produce un surco cuya anchura se mide con un micrómetro.

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Ensayos de dureza por penetración estática: Se utilizan diversos métodos, cuya diferencia estriba en la forma del penetrador, en la carga que se aplica y en la forma de expresar la cifra de dureza. Actualmente están en uso los métodos de Brinell, Rockwell, Vickers. Método Brinell: Data de 1900. La impresión se produce mediante una bola de acero extraduro. Con una carga P se presiona la esferita, de diámetro D, sobre la superficie metálica cuya dureza se pretende medir, dejará una huella con forma de casquete esférico de diámetro d, y superficie S. El ensayo Brinell permite calcular aproximadamente la carga de rotura. Se ha comprobado que existe una relación de proporcionalidad directa entre el número de dureza Brinell y la carga de rotura. Método Vickers: Su razón estriba en que el método Brinell, cuando se trata de durezas superiores a 400 kp/mm2 no arroja resultados convincentes. En este ensayo se sustituye la bolita de acero por una pirámide cuadrangular de diamante. Con ello se consigue una mejor penetración a la vez que, la posibilidad de medir materiales más duros, pudiéndose llegar hasta 1000 kp/mm2. La pirámide se construye de manera que sus caras opuestas formen un ángulo de 136º puesto que este ángulo es bastante obtuso. Gracias a la forma piramidal la medida resulta muy cómoda de hacer y de un modo más preciso que con la bola. El tiempo de actuación es de 15 a 30 segundos. Los valores obtenidos por este método coinciden con los de Brinell hasta 300 unidades; a partir de este valor se presenta una discrepancia creciente y se hace muy acentuada por encima de 600 unidades Brinell ; ello es debido a que la bola se deforma bastante durante el ensayo, mientras que la pirámide apenas sufre una ligera distorsión con los materiales más duros. Para designar la dureza Vickers, se escribe la cifra obtenida seguida del símbolo HV y de la carga empleada. Ejemplo: 650 HV 30

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Durómetro Brinell y Rockwell Durómetro Vickers Método Rockwell: Este sistema se crea hacia 1925, aunque no da la precisión de los otros dos les aventaja en rapidez. En este método se mide la profundidad de la huella producida al actuar una carga sobre un penetrador de diamante de forma cónica con una punta esférica (para materiales duros) o sobre un penetrador de forma esférica (para materiales blandos).

MATERIALES MAS EMPLEADOS EN LA INDUSTRIA El número y variedad de materiales que se emplean en la actualidad es extraordinario, dependiendo del lugar en concreto. Los podemos clasificar de la siguiente forma:

Metales: Los Metales y las Aleaciones suelen dividirse en dos categorías: ferrosos y no ferrosos. Las Aleaciones Ferrosas están basadas en el Hierro como el constituyente principal e incluyen aceros, aceros inoxidables y diversas clases de hierro fundido. En las Aleaciones No Ferrosas intervienen metales diferentes al Hierro.

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Aleaciones No Ferrosas

a) Aleaciones de Aluminio

El Aluminio es un Metal ligero, con una densidad de 2.70 g/cm3, o sea, con un tercio de la densidad del acero. Aunque las aleaciones de aluminio tienen propiedades a la tensión relativamente bajas comparadas con las del acero, su relación resistencia-peso es excelente. El Aluminio se utiliza cuando el peso es un factor importante, como ocurre en las aplicaciones aeronáuticas y de automotores.

b) Aleaciones de Magnesio

El Magnesio es más ligero que el Aluminio, con una densidad de 1.74 g/cm3. Aunque las Aleaciones de Magnesio no son tan resistentes como las de Aluminio, sus relaciones resistencia-peso son comparables. En consecuencia, las aleaciones de Magnesio se utilizan en aplicaciones aeroespaciales, maquinaria de alta velocidad, y equipo de transporte y manejo de materiales.

c) Aleaciones de Cobre

Las Aleaciones de Cobre son más pesadas que el Hierro pero tienen mayor resistencia a la fatiga y al desgaste abrasivo que las ligeras aleaciones de Aluminio y de Magnesio; presentan una excelente ductilidad, resistencia a la corrosión, conductividades eléctrica y térmica.

Las aleaciones de Cobre son únicas en cuanto a que pueden seleccionarse para producir un valor decorativo apropiado. El Cobre puro es rojizo. Las adiciones de Zinc producen un color amarillo dorado y el Níquel un color plateado.

d) Aleaciones de Níquel y Cobalto

Las Aleaciones de Níquel y Cobalto se usan para obtener protección contra la corrosión y para lograr resistencia a la deformación a temperaturas elevadas, aprovechando sus altos puntos de fusión y elevadas resistencias mecánicas.

e) Aleaciones de Titanio

El Titanio proporciona excelente resistencia a la corrosión, alta relación resistencia-peso y propiedades favorables a temperaturas altas. Resistencias hasta de 200.000 psi (libras por pulgada cuadrada) aunadas a una densidad de 4.505 g/cm3 proporcionan las excelentes

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propiedades mecánicas, mientras que una capa protectora de TiO2 confiere una excelente resistencia a la corrosión y a la contaminación por debajo de 535 °C.

Aleaciones Ferrosas

Aceros Simples o de Bajo Carbono

Los Aceros suelen clasificarse mediante los sistemas AISI y SAE los cuales usan una cantidad de cuatro o cinco dígitos. Los dos primeros se refieren a los dos elementos de aleación más importantes y los dos o tres últimos números indican el porcentaje de Carbono. Un Acero AISI 1040 es un Acero con 0.40 % de Carbono, sin otros elementos aleantes. Igualmente un Acero SAE 10120 es un Acero que contiene 1.20 % de Carbono. Un Acero AISI 4340 es un Acero Aleado que contiene 0.40 % de Carbono. El 43 indica la presencia de otros elementos aleantes. Por lo general, los Aceros son tratados térmicamente para alcanzar la estructura y las propiedades adecuadas. Todos los tratamientos térmicos del Acero están orientados a la producción de una mezcla de ferrita (alfa) y cementita (Fe3C) que dé la adecuada combinación de propiedades.

Aceros Inoxidables

Los Aceros Inoxidables se seleccionan por su excelente resistencia a la Corrosión. Todos los verdaderos Aceros Inoxidables contienen un mínimo de 12 % de Cromo, lo que permite la formación de una delgada capa protectora de Oxido de Cromo cuando el Acero se expone al Oxígeno. Algunos contienen Níquel en una proporción menor.

Hierros Fundidos

Las fundiciones o Hierros Fundidos son aleaciones Hierro-Carbono-Silicio que por lo general contienen entre 2 y 4 % de C, y entre 0.5 y 3 % de Si.

Obtención de Metales

Los Metales se obtienen de la Naturaleza generalmente a la forma de Minerales (Carbonatos, Sulfuros y Oxidos) con excepción de algunos Metales que no se encuentran combinados (por ejemplo: Platino). Los Materiales indeseables que se hallan mezclados con los Minerales se denominan "Ganga". los Procesos Metalúrgicos para la Obtención de Metales son los siguientes:

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• Tratamiento preliminar: Concentración y Eliminación de Impurezas • Reducción: Transformación del Metal combinado a Metal Libre por medios químicos

• Refinación: Purificación y/o adición de sustancias para obtener ciertas propiedades en el producto final Materiales no metálicos Silicatos

Son una familia de Compuestos cuya unidad estructural es el SiO44- el cual tiene una geometría tetraédrica, donde un átomo de Silicio se encuentra en el centro y los átomos de Oxígeno en los vértices . La Clasificación de los Silicatos es la siguiente:

• Ortosilicatos: Son los que contienen iones SiO44-. • Sorosilicatos: Conjuntos de 2 a 6 unidades tetraédricas unidos en forma lineal mediante

iones de oxígeno comunes. • Ciclosilicatos: Silicatos en los que las unidades forman anillos de tres y seis tetraedros. • Inosilicatos: Silicatos en los cuales los tetraedros forman filamentos de longitud

indefinida. • Filosilicatos: Silicatos en los cuales se forman láminas compuestas de tetraedros.

• Tectosilicatos: Las unidades tetraédricas forman una estructura tridimensional. Vidrio

Los Vidrios son materiales que habiendo sido fundidos previamente se hacen rígidos sin cristalizar durante el proceso de enfriamiento. En cierta forma, el Vidrio se asemeja a un líquido sub-enfriado.

Las estructuras vítreas se producen uniendo los tetraedros de sílice u otros grupos iónicos para formar una estructura reticular no cristalina.

Los Vidrios de Silicato son los vidrios más usados. La Sílice fundida, formada a partir de SiO2 puro se mezcla con óxidos "formadores de vidrio" tales como PbO, Al2O3 y "modificadores" (desvitrificadores) tales como CaO y Na2O.

Los Vidrios no silicáticos se pueden producir a partir de BeF2, GeO2, B2O3. Algunos vidrios se producen combinando SiO2 y B2O3 .

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TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

TEMA 2.- TECNOLOGÍA DE PROCESOS PRODUCTIVOS

Proceso es toda secuencia de pasos, tareas o actividades que conducen a un cierto producto, el cual es el objetivo de dicho proceso. Los procesos pueden ser: *De producción, cuando el resultado es un bien industrial. *De servicios, cuando ese resultado sea un bien intangible, como la salud o el transporte. *Administrativos, cuyo fin es un acto administrativo como una compra, una cobranza, un pago o que conduce a producir o modificar información. A continuación nosotros solo nos referiremos a los procesos de producción, pues los otros dos escapan al objetivo de esta materia.

Procesos de producción

Durante la producción de un bien o servicio, con el término proceso se designan tanto las tareas manuales, los sistemas que coordinan trabajadores y maquinas; como los procesos automatizados en los que el trabajador juega un papel indirecto o de control. Los trabajos manuales, por lo general, utilizan ciertas ayudas mecánicas y son responsables de una proporción importante de las actividades productivas. El diseño de estas actividades manuales y su relación con las fases de operación y control de las maquinas que se emplean, corresponde al área de la Ingeniería Industrial, la cual se ocupa del diseño de métodos de trabajo. Las actividades manuales, o la operación de maquinas, son frecuentes en trabajos de armado o ensamblaje de componentes, en actividades administrativas (oficinas), en supermercados, hospitales, etc. Existen procesos de producción que tienen una base tecnológica muy compleja, como es el caso de las industrias que trabajan metales (rama metalmecánica), industria de la madera, industria de plásticos e industria química, cuyas características se pueden encontrar en textos especializados. El propósito de un proceso, es producir transformaciones. Dichas transformaciones pueden producir cambios químicos (procesos químicos), alterar la forma o estructura (procesos mecánicos), quitar o agregar partes o piezas (procesos de armado), alterar la ubicación del objeto que se procesa (transporte) o verificar la exactitud (inspección y control de calidad). A continuación se describen estos procesos: 1.- Procesos Químicos Son propios de la industria del petróleo y de los plásticos, producción de acero, aluminio, etc. Desde el punto de vista industrial, estos procesos pueden ser discontinuos o continuos.

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Ejemplo del primer caso es el de las acerías de la industria de hierro, en el que se produce hierro fundido a partir de mineral, coque y caliza; estos insumos se introducen en capas de alternadas en el alto honro, al cual se le inyecta aire caliente a presión para mantener la combustión del coque. A medida que se quema, el coque absorbe el oxigeno del mineral y la caliza absorbe impurezas; así, la carga desciende, aumentando su temperatura hasta que se funde el hierro y se concentra en el fondo del horno de donde se le extrae (colada), periódicamente, para obtener arrabio en lingotes. Ejemplo de procesos químicos de tipo continuo es el caso de la industria del petróleo, donde la materia prima (petróleo crudo) es sometida a una serie de operaciones de transferencia de calor, presión, mezclado, transporte, etc., y el producto se va extrayendo continuamente en forma selectiva. 2. Procesos que cambian la forma o estructura Son propios de la industria de transformación y mecanizado de metales, en la industria de la madera y en el moldeado y formado de plásticos. A continuación se hacen algunas anotaciones sobre la industria metalmecánica y sus características, la cual es la más representativa de este tipo de procesos. Las industrias metalmecánica se subdividen en pesada y liviana. Ejemplo de las primeras son algunas de las que realizan operaciones primarias de formación, como la laminación, de la que se obtienen barras, planchas o perfiles de metal. Un caso especial en la industria metalúrgica es la fundición, en la que, licuando los metales a altas temperaturas y luego moldeándolos en moldes de arena o en matrices, se les da la forma que se desee, la que podrá o no requerir otras operaciones. Otro proceso especial de formación es la forja con martinete, que es un proceso mecánico en el cual se calienta el hierro al rojo, condición en que es más maleable, formándolo por medio de golpes, y finalmente templándolo por enfriamiento brusco en agua o en aceite. La forja mecánica hace lo mismo con grandes martillos “pilones” automáticos. El estampado es normalmente parte de la metalúrgica liviana, y consiste en una operación combinada de golpe, empuje y corte, que da forma a una pieza cortándola de una chapa delgada de metal. El estampado también puede ser prensado utilizando entonces prensas hidráulicas, en lugar de balancines. Las operaciones típicas de la metalmecánica, liviana son las que se realizan con las máquinas-herramientas, básicamente el torno, la limadora, el cepillo, la rectificadora, la fresadora y las formadoras de engranajes. Estas herramientas permiten generar superficies cilíndricas, planas, curvas y complejas y perforaciones. Para transformar el metal, estas maquinas usan principalmente dos medios: una “herramienta” de un metal sumamente duro o una piedra también durísima (carborundo), que van desbastando el metal.

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El torno es un mecanismo giratorio que amordaza la pieza a ser trabajada, con una herramienta deslizante, en el que se producen superficies de revolución. La limadora es un mecanismo que avanza y retrocede, en el que la herramienta sujeta a él, trabaja una pieza que se desliza en sentido transversal. Produce superficies planas. El cepillo es igual, solo que los movimientos relativos de herramienta y pieza se hallan invertidos. La rectificadora consta de una piedra giratoria de alta velocidad que trabaja una pieza metálica giratoria o deslizante (produciendo superficies de revolución o planas). La fresa es una herramienta giratoria como el torno de un dentista, con la cual se producen excavaciones. Las formadoras o creadoras de engranajes son maquinas en las cuales un engranaje de metal muy duro va desgastando una pieza metálica cilíndrica hasta hacerla, paulatinamente, engranar con él. 3. Procesos de armado Algunos de los procesos usados para unir partes y piezas son la soldadura, el remachado, atornillado y el pegado. Estos procesos son comunes en la industria automotriz, electrónica, artefactos electrodomésticos y algunos relacionados con la industria electromecánica. Se puede afirmar que la automatización no ha alcanzado las operaciones de armado, salvo en la gran industria electrónica, con el desarrollo y aplicación de circuitos impresos, que de todos modos, son una pequeña proporción del armado total de un aparato. Buena parte del análisis de las operaciones de ensamblaje depende del estudio de tiempos y movimientos y de las relaciones existentes entre el trabajador y sus herramientas, como ya se vio anteriormente.

Descripción y análisis de los procesos 1. Generalidades Para poder describir los procesos es necesario registrarlos, de tal forma que no se cometan omisiones o errores, y además que la presentación pueda ser entendida por todos los entes para los cuales ha sido realizada. Siempre que se pueda la observación debe ser directa, y para registrarla, es necesario hacer uso de símbolos convencionales. A continuación se analizan los problemas involucrados con la observación directa, el grado de fineza requerido, los flujogramas y símbolos utilizados para definir los diferentes diagramas que se utilizan. a) Comentarios sobre la observación directa El hombre tiene una tendencia natural a creer que lo que le rodea es de una cierta manera y al registrarlo así en la memoria, tiene luego la “certeza” de su veracidad. Por eso mismo, quien quiera registrar cualquier situación valiéndose de los comentarios y opiniones de quienes están haciendo el trabajo desde hace años, incurrirá en una serie de errores por buena que sea la fe de los consultados.

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Puede ser mucho el tiempo durante el cual lo están realizando, pero tenderán a menospreciar aquello en lo que se han mecanizado totalmente y por lo tanto lo realizan sin pensar, con lo que el registro que se haga según su opinión no seria completo. Lo mismo sucedería a quien quiera conocer los detalles de un proceso, basándose en la información de un libro o de un tecnólogo, por buenos que ellos sean. Porque en la gran mayoría de los casos, ambos describen los procesos en forma genérica, omitiendo aspectos secundarios o accesorios que luego, en la práctica, son indispensables para el buen diseño del proyecto. A falta de poder observar directamente en una planta lo mas similar posible a la que se proyecta (que es siempre el mejor método), se puede obtener la información que se desea de un tecnólogo especialista, siempre que se pregunte correctamente y se sepa dar orden y forma a los siempre numerosos desordenados conocimientos que normalmente posee cualquier profesional que haya trabajado muchos años en una rama industrial determinada. b) Comentarios sobre el grado de fineza para registrar información. Al observar un proceso o una operación con el objetivo de registrarlos, o al tratar de describir un proceso con base en la información verbal, aparece de inmediato el interrogante sobre el grado de detalle que debe utilizarse, para lo cual son útiles las siguientes recomendaciones: El grado de fineza del registro será mayor cuanta mas importancia tengan los detalles para hallar la solución. Existen diferentes técnicas de registro, cada una de las cuales utiliza un grado de fineza determinado. El analista elegirá la que corresponda al caso, tomando tantos o tan pocos detalles como se necesiten. Si lo que se desea es describir a la planta o sección en su conjunto, se utiliza un registro general. Si se desean ahorrar fracciones de tiempo en una tarea que se repite cientos de miles de veces en el año, será necesario un registro detallado. En cada ocasión habrá un grado de fineza que resulta el mas adecuado, ya que un mayor detalle en el registro, significa mas tiempo de estudio, y por consiguiente, mayores costos.

DIAGRAMAS DE REPRESENTACIÓN DE UN PROCESO PRODUCTIVO En la industria de procesos existen varias formas de representar un proceso productivo a través de los denominados Diagramas de Flujo. Dentro de estos vamos a tratar:

• Diagramas en bloques • Diagramas simplificados del equipo • Diagramas detallados del equipo • Diagramas de instrumentación y • Diagramas auxiliares

Diagramas en Bloques:

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Los diagramas en bloques son, prácticamente, ideogramas de proceso, en términos principalmente fundamentales. Es decir, si se desea separar un compuesto "A" de una solución, simplemente se dispondrá una caja negra que corresponde a un proceso de separación; que tal proceso sea factible y que exista la tecnología necesaria es asunto de etapas posteriores. En cuanto la factibilidad es resuelta, la caja se reemplaza por un equipo concreto, en un tipo de diagrama posterior. Veamos el diagrama de bloque de una planta de tratamiento de aguas servidas:

Como podemos observar, las aguas servidas son tratadas en primer lugar con el fin de eliminar los sólidos gruesos en suspensión para luego hacerles un tratamiento biológico donde se separan los lodos del agua, esta última pasa por una etapa de desinfección mientras que los lodos son secados y eliminados como lodos denso. Diagramas simplificados de los equipos del proceso: Es el diagrama de ingeniería más simple (es decir, no de carácter fundamental), donde se muestran (en forma de iconos) los equipos necesarios para una planta de proceso y la interconexión entre ellos se representa por líneas que enlazan un equipo con otro. Este diagrama es apenas un pequeño paso más detallado que el diagrama de flujo conceptual, consistente de simples cajas de funcionalidad, sin mayor preocupación sobre la forma específica de los transportes necesarios. Pero en este diagrama de los equipos del proceso se captura, sin embargo, cada equipo necesario para cumplir la funcionalidad de la caja negra y los sistemas de transporte, al menos de materiales. En cada equipo se especifican los grados de conversión, las eficiencias y otros parámetros gruesos que reflejan el requisito de diseño de

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cada uno. El ingeniero que desarrolla este diagrama sabe, previamente, que los equipos que ha puesto en el diagrama existen o que se les puede construir; sin embargo, no ha realizado cálculos precisos de las dimensiones, materiales de construcción, costos detallados, etc. Este tipo de diagramas es el que habitualmente se conoce como Diagrama de Flujo del Proceso. Veamos la correspondencia entre el diagrama de bloques de una planta de tratamiento de aguas servidas y sus diagramas simplificados de equipos:

Otro ejemplo seria el siguiente:

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Diagramas detallados de equipos: Este diagrama incluye las tuberías del proceso, las válvulas, los desagües, las desviaciones, las ventilaciones, los reciclos y todos los equipos de proceso. El diagrama detallado no suele ser necesario para la estimación inicial de costos; su aporte es valioso, más bien, en el cálculo afinado de costos de la planta. En este nivel de detalle, los costos se estiman por coeficientes globales, nacidos de la empírica. Por ejemplo, conocida la

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inversión en los equipos principales (desde el punto de vista de la inversión, es decir, los más grandes y costosos), se estiman los costos de: instalaciones eléctricas; instrumentación; servicios de calor y frío; canalizaciones, operación; de mantenimiento; etc. mediante coeficientes (15%, 20%, 5%, etc.) Diagrama de distribución de equipos e instalaciones (Lay-out): Conocidos los equipos principales y las instalaciones de servicio necesarias (por ejemplo, si deben llegar camiones de despacho de productos, se deberá considerar el área necesaria para su entrada, salida y maniobras de carga o descarga), se desarrolla un diagrama que especifique donde está cada equipo y donde está cada instalación (estacionamiento de ejecutivos, garaje, caldera, subestación eléctrica, casino, sala cuna, etc.) Este diagrama se suele conocer como el Lay-out del proyecto o de la Planta. Su precisión incide sobre la precisión de la estimación de costos de terrenos y sobre las pérdidas de carga asociadas a los equipos (las cotas pueden significar que se deban instalar bombas de impulsión que, de variar la localización de equipos, se podrían ahorrar). Diagramas de Instrumentación y Proceso: Este diagrama especifica tanto la conexión hidráulica de un equipo con otro en forma precisa (diámetro y longitud de cañerías o canaletas, pérdidas de carga asociadas a singularidades, etc.) como los aparatos que permiten el manejo concreto del proceso. En muchos casos se pueden indicar los requisitos de instrumentación en los propios diagramas simplificados, pero, si la instrumentación es compleja, resulta necesario desarrollar un diagrama más detallado, destacando todos los reguladores e instrumentos. El diagrama de instrumentación, junto al diagrama simplificado de equipos, recibe el nombre de Diagrama de Instrumentación y Proceso, referido habitualmente como el P&ID (léase Pí and Ai Dí) representando la abreviación de Piping and Instrumentation Diagram. Todos los diagramas anteriores son valiosos si disminuyen progresivamente la incertidumbre asociada a un proceso y si son útiles para generar los planos de detalle que corresponden a las etapas finales del diseño del proyecto. Puede resultar que el desarrollo pletórico de diagramas genere información poco expedita para una etapa temprana de desarrollo de modo que se debe tener siempre presente que los informes excesivamente verbosos son malos informes.

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BALANCE DE MATERIA Dentro de las industrias de procesos, los balances de materia y energía son importantes auxiliares en el diseño, control, optimización y evaluación económica de los procesos propuestos y existentes, así como de decisiones sobre las operaciones que se presentan a diario, por lo que tienen repercusión directa en la producción y en la situación financiera de las compañías; en consecuencia que el profesional técnico desarrolle los conocimientos, habilidades y actitudes que le permitan realizar el cálculo de balances de materia y energía con la exactitud requerida.

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En la industria de procesos se llevan a cabo procesos físicos y procesos químicos. En los primeros se realizan las transformaciones de los materiales sin cambio en la estructura molecular de los mismos, es decir se conservan las propiedades de los materiales originales que ingresan al proceso. En los segundos se produce reacción química que corresponde a un consumo de reactivos para generar productos con una nueva estructura molecular y diferentes propiedades con respecto a los materiales originales. Para realizar el Balance de Materia de los procesos físicos se aplica la siguiente ecuación:

MATERIALES QUE ENTRAN A UN PROCESO

=MATERIALES QUE SALEN DEL PROCESO

El Balance de materia es:

M1+M2=M3

El Balance de materia en un proceso con reacción química se establece como el consumo de reactivos igual a la generación de productos:

R1 P1

R2 REACCIÓN P2

R1+R2 = P1+P2

LA RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS DE BALANCE DE MATERIA Los problemas de balance de materia dentro de la Industria Química son aquellos en los que se pide determinar la masa de sustancias químicas que se mezclan, se separan en varias fases o corrientes, o se combinan o transforman en otras, manteniéndose invariantes dos principios fundamentales : El primero es el principio de conservación de la materia que establece que la masa total del sistema no varía. Este principio puede extenderse también al caso de la conservación de la masa de aquellas sustancias químicas que no sufren reacción química. El segundo principio es el de conservación de los elementos químicos que intervienen en el sistema y que se asocian en las diferentes moléculas que constituyen las sustancias químicas.

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Método: En general para abordar un problema de balance de materia se pueden seguir los pasos que se señalan a continuación: 1.- Interpretar adecuadamente el enunciado del problema. Conviene leer el problema varias veces para comprenderlo y asimilarlo bien. Tratar de identificar qué datos son conocidos y cuáles desconocidos. Si existe una o más reacciones químicas involucradas o por el contrario no hay ninguna. Si se conocen bien todas y cada una de las sustancias químicas que intervienen (elementos químicos y fórmulas de las moléculas) y que cambios pueden sufrir en las condiciones a que van a ser sometidas. Se presupone siempre que las condiciones son estacionarias, es decir, independientes del tiempo y que no existe acumulación de masa en los equipos del proceso, de manera que la entrada de materia tiene que ser igual a la salida conservándose los principios que se indicaron más arriba. Es preciso desarrollar el sentido común y los conocimientos de química para aventurar hipótesis correctas como por ejemplo que en toda combustión de una sustancia orgánica a alta temperatura y con aire suficiente todo el carbono se convierte en dióxido de carbono, todo el hidrógeno en agua, todo el azufre en anhídrido sulfuroso y todo el nitrógeno en nitrógeno molecular. Se considera por lo tanto, salvo indicación expresa, despreciable la formación de CO y de NOx. Existen una serie de datos implícitos que se consideran conocidos "a priori" como la composición del aire (79% N2 y 21% O2) en el que se asimilan los gases inertes contenidos en el aire por simplificación a nitrógeno. La ecuación de estado de un gas perfecto PV = nRT, se supone válida y general para cualquier gas, lo que permite que 1 mol de cualquier gas ocupe 22,4 litros en condiciones normales ( 1 atm y 0ºC ó 273ºK). 2.- Dibujar un diagrama de flujo En el que se representen las corrientes de entrada y salida por flechas y las operaciones o procesos como cajas rectangulares . En ellas tendrán lugar por ejemplo reacciones químicas o procesos de mezcla o separación con una o varias entradas y en general una o varias salidas a veces con distintas fases: líquida, sólida o gaseosa. 3.- Colocar en el diagrama los datos conocidos y desconocidos. En las corrientes de entrada y salida del diagrama de flujo se identifican las sustancias químicas, fases y se indican las composiciones en caso de ser conocidas y las cantidades de flujo de materia de las sustancias que sean datos en el problema. 4.- Colocar en las cajas del diagrama las reacciones ajustadas y rendimientos de operación. En caso de existir una o varias reacciones se ajustarán y asignarán a los procesos correspondientes así como su rendimiento o eficiencia tanto para aquéllas como para los procesos de separación. 5.- Seleccionar una base sencilla para los cálculos.

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Dado que en general las reacciones entre sustancias químicas proceden en general de forma sencilla en moles (número de veces en que está contenido el peso molecular de la sustancia en gramos), resulta cómodo elegir 1 o 100 moles como referencia o bien 1 ó 100 Kmol del reactante principal o del más complejo si se conoce su composición molar, como base de cálculo. 6.- Inspeccionar el diagrama y leer de nuevo el enunciado. Conviene de nuevo identificar las sustancias químicas y las corrientes del proceso y comprobar las composiciones y datos conocidos y desconocidos o sujetos a alguna condición particular. Técnicas de solución. Enlazando con el método anterior se seguirían los pasos siguientes: 7.- Desarrollar un balance de materias parcial o total Para cada elemento químico o sustancia que no reacciona se puede establecer un balance que iguale la entrada a la salida. Para ello conviene empezar con las sustancias más fáciles, es decir, aquellas que estén en una sola fase o una corriente única o bien que no reaccionen como sucede con los componentes inertes, cenizas etc. Por ejemplo el balance de nitrógeno en los procesos de combustión de hidrocarburos con aire, permite relacionar rápidamente las corrientes de entrada y salida. Aunque normalmente se puede plantear los balances de muchas maneras, una solución muy frecuente es hacerlo como ecuación matemática por elemento químico que iguale la suma de moles de entrada de cada sustancia que contenga el elemento en cuestión a la suma de moles de sustancias de salida que contengan dicho elemento, en ambos casos se afectará a cada sustancia de un factor dado por el número de veces que el elemento aparezca en la molécula. Cuando existe un exceso de reactante, puede ser conveniente calcular la cantidad que queda después de la reacción por diferencia entre el valor inicial y la cantidad que ha reaccionado de acuerdo con la estequiometría de las reacciones que tengan lugar. 8.- Resolución del sistema de ecuaciones. El sistema de ecuaciones expresado por los balances elementales se resolverá por los métodos habituales de resolución de sistemas de ecuaciones lineales. 9.- Comprobar que la solución es lógica y no hay errores. Mediante la realización de un balance global de materia se puede comprobar que las masas totales entrante y saliente son iguales. Esta condición es redundante y combinación lineal de la suma de todos los balances elementales pero puede servir de prueba de que no hay errores. Asimismo conviene desconfiar de los resultados obtenidos muy pequeños o muy grandes.

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Balance de Materia para PROCESOS FÍSICOS La figura representa el diagrama de flujo simplificado de la fabricación del azúcar. La caña se alimenta a un molino donde se extrae el jarabe por trituración; El bagazo resultante contiene 80% de pulpa. El jarabe (E) que contiene fragmentos finamente divididos de pulpa se alimenta a una malla que separa toda la pulpa y produce un jarabe transparente (H) que contiene 15% de azucar y 85% de agua. El evaporador produce un jarabe pesado y en el cristalizador se forman 1000 lb/h de cristales de azúcar.

Realizar el balance de materia para todos los equipos en una hora de proceso Base de cálculos: 1 hora de proceso

1. Balance de materia para el sistema global Balance de corrientes: F = D + G + J + L + M F = D + G + J + L + 1000 LB (1) Balance de componentes AZUCAR: 0,16 F = M + XD 0,16 F = 1000 lb + XD (2) AGUA: 0,25 F = YD + 0,05 G + J + L (3)

PULPA: 0,59 F = 0,80 D + 0,95 G (4) Se tienen 4 ecuaciones con 7 incógnitas, por consiguiente no hay solución en el momento. Ahora se realizan balances de materias por equipos:

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2. Balance de materia para el cristalizador: Balance de corrientes: K = M + L K = 1000 lb+ L

Balance de componentes: AZUCAR:

0,40 K = M 0,40 K = 1000 lb K = 2500 lb/h

AGUA 0,60 K = L 0,60 (2500 lb) = L L = 1500 lb/h

3. Balance de materia para el evaporador: Balance de corrientes:

H = K+ J H = 2500 lb+ J (5)

Balance de componentes AZUCAR

0,15 H = 0,40 K 0,15 H = 0,40 (2500 lb)

H = 6667 lb/h 4. Balance de materia para la malla:

Balance de corrientes: E = G+ H E = G+ 6667 lb (6) Balance de componentes: AZUCAR:

0,13 E = 0,15 H 0,13 E = 0,15 (6667 lb) E = 7692 lb/h Reemplazando en (6): G = 1025 lb/h 5. Balance de materia para el molino: Balance de corrientes: F = D+ E

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F = D+ 7692 lb (7) Balance de componentes: AZUCAR: 0,16 F = 0,13 E + XD 0,16 F = 0,13 (7692)lb + XD 0,16 F = 1000 + XD (8) = (2) AGUA: 0,25 F + 0,73 E + YD (9) las fracciones en D son: 1 = 0,8 + (X + Y) X + Y = 0,2 (10) Ahora (10) en (9):

0,25 F = 0,73 (7692 lb) + (0,2 - X) D 0,25 F = 05615 lb + 0,2 D - XD (11)

PULPA: 0,59 F = 0,14 E + 0,80 D 0,59 F = 0,14 (7692 lb) + 0,80 D Resolviendo las ecuaciones: (8), (11) y (12) F = 24.174 lb/h D = 16482 lb/h X= 0,17 Y= 0,03 Compruebe los balances de materia de las ecuaciones: (1), (2), (3) y (4) Balance de Materia para PROCESOS QUÍMICOS En la fermentación anaerobia de granos, la levadura Saccharomyces cererisiae digiere glucosa de origen vegetal para formar los productos etanol y ácido propiónico mediante las reacciones globales:

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 (1) C6H12O6 2C2H3CO2H + 2H2O (2)

En un proceso por lotes un tanque se carga con 4000 Kg de una disolución de glucosa en agua al 12%. Durante la fermentación se produce 120 Kg de CO2 y quedan 80 Kg de glucosa sin reaccionar. ¿Cuáles son los porcentajes en peso del alcohol etílico y ácido propiónico que quedan en el caldo? Suponga que los microorganismos no asimilan nada de glucosa.

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Base de cálculos: 4000 kg de disolución de glucosa en agua.

Balances de materia de componentes: GLUCOSA: Glucosa en A = Glucosa en reacción (1) + Glucosa en reacción (2) + Glucosa en C 0,12 A = C6H12O6 (1) + C6H12O6 (2) + XGC 0,12 (4000 Kg)= C6H12O6 (1) + C6H12O6 (2) + 80 Kg | 1 | DIOXIDO DE CARBONO CO2 CO2 en B = formado en reacción ( 1 ) B = 120 Kg = 2,73 Kg mol Con los balances anteriores completando la estequiometría de la reacción ( 1 ) tanto en unidades molares como de masa:

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2

1,36 2,73 2,73Kg mol

245,5 125,5 120 Kg

Reemplazando en | 1 | 0,12 (4000) Kg = 245,5 + C6H12O6 + 80 Kg C6H12O6 = 154,5 Kg = 0,86 Kg mol Ahora se completa la esteqiometría de la reacción (2) con unidades molares y de masa:

C6H12O6 2C2H3CO2H + 2H2O 0,86 1,72 1,72 Kg mol

154,5 123,6 30,9 Kg

AGUA:

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Agua en A + Agua formada en reacción ( 2 ) = Agua en C 0,88 (4000 Kg) + H2O ( 2 ) = XAC 3550,9 Kg + 30,9 Kg = XAC Con los datos obtenidos de los balances de materia se halla la composición del caldo en C

Componente Kg % masa

C2H5OH 125,5 3,2

C2H3CO2H 123,6 3,2

H2O 3550,9 91,5

C6H12O6 80,0 2,1

Total 3880,0 100,0

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TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

TEMA 3.- EL AGUA COMO MATERIA PRIMA OBJETIVOS DE LOS ESTUDIOS DE CALIDAD DEL AGUA Los objetivos de los estudios de calidad del agua están referidos a los usos previstos. Por lo tanto el concepto de contaminación esta referido, desde un punto de vista práctico, a los usos posteriores del agua. USOS DEL AGUA • Agua destinada a producción de agua potable • Agua destinada al consumo y usos domésticos • Agua destinada a fines industriales • Agua destinada a fines agrícolas ¿COMO SE ESTABLECE LA CALIDAD DEL AGUA?

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POTABILIZACIÓN DEL AGUA El tratamiento del recurso agua se puede dividir en dos categorías, según sea si se trata

de agua dulce que no ha sido utilizada para cubrir las necesidades del hombre, o de agua que éste ha emitido como residuo después de usarla:

*Tratamiento de aguas continentales de origen superficial o subterráneo. *Tratamiento de aguas residuales de origen doméstico o industrial. El agua pura no se encuentra en forma natural porque está normalmente contaminada

por el aire y el suelo. Las impurezas pueden ser orgánicas y/o inorgánicas ya sea disueltas, o en forma de material particulado. Estas impurezas pueden provenir de la degradación biológica de sustancias orgánicas que producen ácidos grasos, carbohidratos, aminoácidos e hidrocarburos; de sustancias inorgánicas como metales tóxicos, material particulado como arcillas y sedimentos y de microorganismos como bacterias, virus y protozoos.

Los contaminantes químicos corrientes son metales pesados como hierro, manganeso, plomo, mercurio, arsénico, cobre, cinc, compuestos nitrogenados tales como amoníaco, nitrito y nitrato, carbonato o bicarbonato de calcio y magnesio, aniones como cloruro, fluoruro, sulfato y silicatos y las mencionadas, sustancias orgánicas. Aparte de estas sustancias, existen otros contaminantes de carácter antropogénico tales como cianuros, fenoles, cromo y detergentes. Los contaminantes biológicos del agua y sus efectos se dan en la siguiente tabla:

Microorganismo Nombre Enfermedad

Bacteria Salmonella tiphi tifus

Bacteria Vibrio cholerae cólera

Bacteria Shigellas disentería

Bacteria Grupo de salmonella gastroenteritis

Virus - hepatitis

Ameba Entamoeba hystolica disentería amébica

Lombriz Taenia saginata triquinosis

El agua para beber debe cumplir con una serie de requisitos de calidad física, química y biológica. Desde el punto de vista físico el agua debe ser traslúcida, con una turbiedad y color mínimo -según normas de las autoridades de Salud-, inodora e insípida. Los requisitos de calidad química implican que el agua potable no debe contener los siguientes elementos o compuestos en concentraciones totales mayores que las indicadas en la tabla a continuación.

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Sustancia Expresado

como Límite máximo

mg/l

Amoníaco N 0,25

Arsénico As 0,05

Cadmio Cd 0,01

Cianuro CN- 0,20

Cloruros CL- 250*

Cobre Cu 1,0*

Compuestos fenólicos Fenol 0,002

Cromo hexavalente Cr 0,05

Detergente SAAM 0,50

Flúor F- 1,5

Hierro Fe 0,3*

Magnesio Mg 125

Manganeso Mn 0,10*

Mercurio Hg 0,001

Nitratos N 10*

Nitritos N 1,0

Plomo Pb 0,05

Residuos sólidos filtrables - 1000*

Selenio Se 0,01

Sulfatos SO42- 250*

Cinc Zn 5,0*

Para asegurar la salud de la población, al agua potable se le exige que no contenga microorganismos patógenos. Como no es práctico examinar todos éstos, se recurre a examinar bacterias del grupo coliforme, indicativa de la contaminación de animales y de la bacteria Escherichia coli, indicativa de contaminación fecal.

Coliformes Cantidad

NMP/100mL

totales <5

fecales <5

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Muchas de estas impurezas, incluyendo los microorganismos patógenos, los ácidos húmicos que son corrientemente responsables del color, los ácidos fúlvicos y los complejos arcilla-metal están en el rango del tamaño coloidal: 1 nm a 10 µm (1 namómetro = 10-9m; 1 micrómetro = 10-6m). Los coloides son partículas de tamaño intermedio entre las moléculas y las partículas suspendidas que tarde o temprano decantan por efecto de la gravedad. Es decir el estado coloidal está entre las soluciones y las suspensiones que terminan precipitando.

Aunque la coloidales son muy pequeñas, son lo suficientemente grandes como para dispersar la luz por lo que estas partículas comunican aspecto turbio u opaco al agua, a menos que estén muy diluidas. La mayoría de los coloides están cargados

negativamente, por lo que en agua son estables debido a la repulsión electrostática entre estas partículas invisibles. Esta repulsión sobrepasa las fuerzas de atracción de van der Waals, por lo que no se aglomeran y por lo tanto no precipitan.

s partículas

El objetivo para obtener un agua limpia y sana, potable, de un agua natural, es remover los sólidos suspendidos, aglomerar y decantar los coloides y desinfectarla de organismos patógenos. El agua natural, cruda o impura, puede provenir de ríos, lagos, embalses o de fuentes subterráneas. El tratamiento de estas aguas suele constar de varias etapas. En el caso de aducción superficial, el tratamiento comprende las etapas de filtración gruesa, sedimentación mediante el proceso físico-químico de coagulación-floculación, filtración por arena y desinfección. Después de la filtración gruesa a través de rejas y mallas donde quedan piedras, ramas y otras impurezas que flotan o se arrastran, el agua se deja reposar en estanques desarenadores en los cuales se asienta la arena fina y otras partículas pequeñas. Luego el agua se hace pasar a otros estanques en los cuales coagulan las partículas muy finas, como las arcillas coloidales, mediante la adición de sulfato de aluminio o cloruro o sulfato férrico, sales que producen la aglomeración de los coloides con formación de agregados coloidales, o flóculos que pueden decantar debido a su mayor tamaño y peso.

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La coagulación implica tres etapas: adición de coagulante, desestabilización de la partícula coloidal y formación de flóculos. La adición de sales coagulantes como las ya dichas sulfato de aluminio, sulfato férrico o cloruro férrico, produce cationes poliméricos tales como [Al13O4(OH)24]7+ y [Fe3(OH)4]5+ cuyas cargas positivas neutralizan las cargas negativas de los coloides, permitiendo que las partículas se unan formando aglomerados pequeños denominados flóculos. La reunión de estos flóculos pequeños en conglomerados mayores (floculación) se realiza con ayuda de polímeros polielectrolíticos, que permiten la decantación a velocidades altas de sedimentación. Debido a que la coagulación y la inmediata etapa de floculación ocurren muy rápidamente, en la práctica poco se distinguen. Las dosis de coagulantes son mayores a 0,03 milimoles/litro como Fe y mayores a 0,05 mmol/L como Al y el pH más cercano al neutro, es el más adecuado. Los polielectrolitos más usuales son las poliacrilamidas con grupos carboxilato.

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Una vez decantados y filtrados los flóculos, a través de arena, el agua se somete a desinfección. El principal desinfectante que se emplea es el cloro. La disolución de este gas en agua a 25°C y 1 atmósfera de presión es aproximadamente 7g/L. Cuando el cloro se disuelve en agua, reacciona con ésta para formar ácido hipocloroso (HOCl):

CI2 + H2O HOCI + H++CI-

A su vez el ácido hipocloroso se disocia parcialmente:

HOCI H++ CIO-

De todas estas especies que se generan por reacción con agua, sólo el ClO- y HOCl son bactericidas, por lo que para cualquier tratamiento de desinfección es preciso operar a un pH que permita la máxima concentración de estas especies. El agua desinfectada se filtra y debe quedar al menos con 0,2 mg/L de cloro residual para prevenirla de contaminación biológica en el camino de la planta al consumidor. El siguiente esquema muestra el tratamiento para la potabilización de aguas crudas.

TRATAMIENTO DE AGUAS INDUSTRIALES El agua es un compuesto muy peculiar y de mucho valor. Comparado con compuestos análogos, tiene un amplio rango de temperatura en el cual se mantiene en estado líquido; tiene puntos de fusión y de ebullición muy altos, tiene calores latentes de fusión y de ebullición muy altos y es un excelente solvente polar. Estas propiedades únicas hacen del agua un material

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esencial en la industria. La mayoría de la demanda es como agua para enfriamiento, con menores cantidades para ser utilizados en el transporte de calor dentro del proceso vía generación de vapor y para usos de procesos. a) TRATAMIENTO DE AGUAS EN CALDERAS El agua como materia prima para la industria puede ser captada directamente de arroyos, rios, lagunas, etc., o desde el subsuelo. Cualquiera sea el origen del agua, esta contiene sustancias en suspensión o en dilución que pueden perjudicar en mayor o menor grado a los equipos y a las sustancias y o contaminar a las sustancias en proceso. Como se ha dicho anteriormente, cada industria deberá determinar los procesos de tratamiento de la materia prima agua según el origen de captación y el uso que se le dará. Como es obvio, no sufrirá el mismo tratamiento un agua que será utilizada en un proceso de refrigeración, o en una caldera o cuando va a formar parte de las materias primas que componen, por ejemplo, un alimento. Objeto del acondicionamiento del agua. Los fines principales perseguidos con el tratamiento del agua de alimentación de calderas son: 1.- Quitar las materias solubles y en suspensión perjudiciales para el destino a emplear. 2.- Eliminación de los gases. Todo esto es necesario, entre otras cosas para: 1.- Evitar la formación de incrustaciones sobre las superficies de calentamiento del agua. 2.- Proteger contra la corrosión los metales de las calderas, recuperadores y tuberías.

Distintos Procedimientos para el Tratamiento del Agua de Calderas

Se debe decir que no existe ningún procedimiento simplista ni producto químico apropiado para el tratamiento de todas las clases de aguas. Cada caso se debe considerar individualmente.

El proceso del tratamiento del agua incluye la separación de los detritos mediante cribas móviles o fijas, filtrado, separación de lodos y limos en depósitos de decantación, calentamiento, vaporización o destilación, desaireación, tratamiento con cal apagada, tratamiento con carbonato sódico, tratamiento con ambos productos, con hidróxidos cálcico y bárico, con fosfato trisódico, coagulantes, zeolitas (descalcificadores) y por osmosis inversa.

PURGADORES Los purgadores van en la parte mas baja de la caldera y algunas veces también en el cuerpo cilíndrico; se utilizan para sacar una cierta cantidad de agua con el fin de extraer de la caldera los lodos, sedimentos y espumas. Las impurezas de las grandes cantidades de agua vaporizada se van precipitando constantemente. En ocasiones se emplea un purgado ( por el

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fondo ) continuo, por medio de un tubo pequeño, para sacar las impurezas a medida que se precipitan. No obstante, cuando se sigue este procedimiento, los purgadores grandes hay que abrirlos de vez en cuando para sacar mas completamente los lodos acumulados. DESAIREADORES Se conocen como desaireadores (desgasificadores) aquellos dispositivos mecánicos empleados para liberar los gases contenidos en el agua de alimentación (aire, oxigeno, anhídrido carbónico y otros gases). Su funcionamiento consiste en dividir el agua de alimentación en finas gotitas, calentándolas a continuación para transformarlas en vapor dentro del desaireador, y separar el aire, anhídrido carbónico y otros gases del vapor a medida que este se va condensando. En los desaireadores el fluido calorífico acostumbra a ser el vapor, a presiones comprendidas entre valores altos hasta otros inferiores a la presión atmosférica. Un calentador de agua de alimentación del tipo abierto o de contacto directo puede desempeñar la función de desaireador con tal que el agua se caliente a una temperatura suficientemente alta para que se desprendan los gases contenidos en ella, los cuales se hacen salir por el purgador del calentador. Los desaireadores mas modernos son calentadores de agua de alimentación del tipo de contacto directo. Estos aparatos pueden construirse para producir agua con contenidos muy bajos de oxigeno y otros gases. La distinción entre un desaireador propiamente tal y un calentador de agua de alimentación del tipo de contacto directo, que actúe de desaireador, esta en el bajo contenido de oxigeno del agua producido por este ultimo. Los equipos desaireadores del agua de alimentación de las centrales térmicas pueden ser del tipo de bandeja (artesa) y del tipo de atomización. Algunas veces se desgasifican aguas muy corrosivas sometiéndolas en frío a presiones absolutas muy bajas. TRATAMIENTO DE OSMOSIS INVERSA. La osmosis es un proceso natural que ocurre en todas las células vivas. Esta permite la vida de todos los seres tanto animales como vegetales, al inducir que el agua fluya por difusión desde zonas donde se encuentra relativamente pura, con baja concentración de sales, a zonas donde se encuentra con alta concentración a través de una membrana semipermeable. El resultado final es la extracción de agua pura del medio ambiente. Una membrana semipermeable es cualquier membrana animal, vegetal o sintética en que el agua puede penetrar y traspasar con mucha facilidad que los otros componentes que se encuentran en solución en ella. La osmosis inversa es un proceso inventado por el hombre que invierte el fenómeno natural de osmosis. El objetivo de la osmosis inversa es obtener agua purificada partiendo de un caudal de agua que está relativamente impura o salada. Esto se logra separar de este caudal de agua contaminada con sales, un caudal menor de agua pura. En este proceso se aplica presión a la

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solución que tiene más alta concentración de sales para forzar un caudal inverso a través de la membrana semipermeable.

• Sistemas de osmosis inversa : El sistema de ósmosis inversa es una excelente elección para el tratamiento de aguas de uso en todo tipo de laboratorios y su alta capacidad de filtración y posibilidad de selección de la membrana de ósmosis lo convierte en un diseño de bajo mantenimiento aplicable en todo tipo de aguas de suministro público e industrial. Consistente en hacer pasar el agua con alto contenido salino a través de una membrana semipermeable, la cual permite únicamente el paso del agua pero no de sales. Dicho sistema funciona únicamente mediante la presión de red no necesitándose energía eléctrica ni consumo de reactivos. Conceptos básicos para la purificación de agua por medio de ósmosis inversa:

La tecnología del proceso de ósmosis inversa es bien conocida por su efectividad para reducir el total de sólidos disueltos y también contaminantes iónicos específicos. En recientes pruebas, la Agencia de Protección Ambiental (EPA/USA) ha demostrado que el proceso es muy efectivo en la reducción de metanos, los productos químicos volátiles (VOC´s) y

los productos químicos sintéticos (SOC´s). Las concentraciones de setos contaminantes se reducen por ósmosis inversa. Estos contaminantes están enlistados como de alto riesgo para la salud y quedan retenidos por la membrana.

contaminantes orgánicos como los trihalo

La figura 2 ilustra un esquema de un sistema de OI. Una bomba de alta presión provee la energía para que el agua pase a través de la membrana y que contiene la mayoría de las sales y otros contaminantes sale del

sistema como "concentrado". Un restrictor de flujo o una válvula de concentrado puesta en la línea hace que la presión fuerce al permeado a través de la membrana. Al porcentaje del agua purificada sobre el total del agua alimentada se le da el nombre de "recuperación" que matemáticamente se representa como sigue: Porcentaje de Recuperación = Permeado x 100

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TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Se ha dicho que las aguas que quedan como residuo de la actividad humana son de origen doméstico y de naturaleza industrial. Sin duda que el mayor volumen de aguas servidas corresponden a aquellas que son propias de la vida del ser humano como la limpieza, preparación de alimentos y necesidades fisiológicas. Se calcula que cada persona consume 200 litros diarios para satisfacer estas necesidades. El empleo del agua potable en los hogares genera agua servida que contiene los residuos propios de la actividad humana. Parte de estos residuos son materia que consume o demanda oxígeno por oxidación de ésta, como la material fecal, restos de alimentos, aceites y grasas; otra parte son detergentes, sales, sedimentos, material orgánico no biodegradable y también microorganismos patógenos. La materia orgánica biodegradable y algunas sales inorgánicas son nutrientes para los microorganismos. Para caracterizar estos residuos, se utiliza una serie de parámetros analíticos que determinan su calidad física, química y biológica. Estos parámetros son la turbidez, los sólidos suspendidos, el total de sólidos disueltos, la acidez y el oxígeno disuelto. La demanda bioquímica de oxígeno que requieren los microorganismos para vivir, junto con la presencia de materia orgánica que les sirve de nutrientes, se emplea como medida de la cantidad de residuos que existen en el agua con carácter de nutrientes. El proceso usual del tratamiento de aguas residuales domésticas puede dividirse en tres etapas: 1ª, tratamiento primario o físico; 2ª, tratamiento secundario o biológico y 3ª, tratamiento terciario que normalmente implica una cloración.

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El tratamiento primario consiste en la remoción de sólidos insolubles como arena y materiales como grasas y espuma. El primer paso de la etapa inicial es la sedimentación y filtración de sólidos a través de rejillas. La sedimentación separa tanto los sólidos decantables como aquellos que flotan. Durante esta decantación primaria existe la tendencia a que las partículas floculables formen agregados, hecho que puede ayudarse con la adición de compuestos químicos. El material que flota consiste en aceites, ceras, ácidos grasos y jabones insolubles que se conoce genéricamente como grasa. El tratamiento secundario se aplica para descomponer por microorganismos y luego flocular la materia orgánica presente, la cual al degradarse flocula. Como este mismo proceso biológico ocurre naturalmente, la aplicación de éste en aguas servidas, ejecutado en forma regulada, previene la contaminación de los cuerpos de agua cuando en ellos se descargan estas aguas. Por lo tanto, el tratamiento biológico emplea, con diversas técnicas, la materia orgánica biodegradable de las aguas residuales domésticas, como nutrientes de una población bacteriana a la cual se le proporciona oxígeno y condiciones controladas para que crezca en un lugar en el cual este crecimiento no tenga influencia en el medio ambiente. El tratamiento biológico es por tanto una oxidación de la materia orgánica biodegradable con participación de bacterias que se ejecuta para acelerar un proceso natural y evitar posteriormente la presencia de contaminantes y la ausencia de oxígeno en los cuerpos de agua.

Materia orgánica + bacterias + O2

Lodo biológico + CO2 + H2O (nuevas bacterias + residuos)

Para que esta transformación biológica sea eficiente, deben establecerse las condiciones adecuadas para el crecimiento bacteriano: temperatura 30-40°C; oxígeno 2 ppm; pH = 6,5-8,0 , salinidad < 3.000 p.p.m. Para evitar la inhibición de este crecimiento es preciso la ausencia de sustancias tóxicas como son los metales pesados Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb y otros, así como cianuros, fenoles y aceites. Los procesos de tratamiento biológico se pueden dividir según el estado en que se encuentren las bacterias responsables de la degradación. La biomasa bacteriana puede estar soportada sobre superficies inertes tales como rocas, escoria, material cerámico o plástico, se habla de lecho fijo, o puede estar suspendida en el agua a tratar. En cada una de estas situaciones la concentración de oxígeno en el agua determina la existencia de bacterias aeróbicas,

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facultativas o anaeróbicas. Los procesos aeróbicos con biomasa suspendida que más se aplican son los de lagunas aireadas y los de lodos activados. Las lagunas aireadas, son embalses de agua servida que ocupan una gran superficie de terreno, por lo que se emplean cuando éste es un bien barato. El agua servida así dispuesta se oxigena mediante aireadores superficiales o difusores sumergidos para generar oxidación bacteriana. Estos dispositivos crean una turbulencia que mantiene la materia en suspensión. El tiempo de residencia normal de este proceso es de 3 a 6 días, tiempo en que las bacterias poseen un crecimiento acelerado, dependiendo de las condiciones climáticas y suponiendo una aireación suficiente. La separación de sólidos de este tratamiento se logra por decantación que demora de 6 a 12 horas. La calidad del efluente de este proceso es inferior al de lodos activados, cuya diferencia fundamental es que en el primero no hay recirculación de lodos. En el proceso de lodos activados, al igual que el de lagunas aireadas, el agua servida aireada se mezcla con bacterias aeróbicas que se han desarrollado con anterioridad. Sin embargo, la mezcla del agua servida, previamente decantada, se agita por medio de bombas para que la materia esté en suspensión y en constante contacto con oxígeno en el interior de piscinas de concreto armado. La materia orgánica degradada del agua servida flocula, por lo que luego se puede decantar. La biomasa sedimentada se devuelve parcialmente al tratamiento biológico, para mantener una población bacteriana adecuada, y el resto se separa como lodo. La siguiente imagen muestra un esquema de un proceso de lodos activados.

Las ventajas principales de este proceso son el corto tiempo de residencia de la biomasa en las piscinas, que es de unas 6 horas, lo que permite tratar grandes volúmenes en espacios reducidos y la eficiencia en la extracción de las materias suspendidas. Sin embargo, la eficiencia en la eliminación de bacterias patógenas es baja.

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El agua tratada en un proceso de lodos activados o en lagunas aireadas puede servir para regadío si previamente se somete a cloración para desinfectarla. La cloración es parte del tratamiento terciario o avanzado que se emplea para lograr un agua más pura, incluso potable, si se desea. Los objetivos del tratamiento avanzado son eliminar la carga orgánica remanente de un tratamiento secundario, desinfectarla para eliminar microorganismos patógenos, eliminar color y olor indeseables, remover detergentes, fosfatos y nitratos residuales, que ocasionan espuma y eutrofización respectivamente Un problema sanitario importante que se deriva del tratamiento de aguas servidas es el manejo de los lodos provenientes de los tratamientos primario y secundario. Estos lodos son barros semisólidos que contienen de 0,5 a 5% de sólidos, por lo que no tienen valor económico y si perjuicio ambiental. Para convertir su materia orgánica en sólidos estables, reducir la masa y volumen de agua y destruir las bacterias dañinas, el lodo se concentra por sedimentación y coagulación-floculación. Este lodo, así concentrado, se puede tratar con cal como bactericida y exponerlo al sol para evaporar su agua, hacerlo pasar sobre filtros de arena, filtrarlo a vacío o centrifugarlo para eliminar parte importante del agua. Sin embargo, ninguna de estas técnicas es completamente satisfactoria por sus costos y problemas técnicos. El lodo deshidratado puede disponerse en vertederos o incinerarlo si su contenido de materia combustionable es superior a 25%. Uno de los empleos más deseable de estos lodos es usarlo como fertilizante y acondicionador del suelo, aunque su composición limita este empleo. Un resumen de la secuencia completa de tratamientos que pueden aplicarse a aguas residuales domésticas, y también aguas residuales industriales, se representa en este esquema:

Veamos el caso real de una planta de tratamiento de afluentes de una fábrica de encurtidos:

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Descripción del proceso Pozo de recepción El primer elemento de la planta es un pozo de bombeo en el cual se verterán las aguas residuales provenientes de todas las etapas. Este pozo será construido en hormigón armado, con una capacidad de 250 m3 (superior a la cantidad diaria estimada de aguas residuales). Este pozo posee una pared separadora dispuesta en posición horizontal de tal manera que los materiales flotantes (entre ellos las grasas, aceites y sólidos gruesos flotantes) ascienden y permanecen en la capa superficial del agua residual, mientras que la parte líquida se evacue la manera continua desde el fondo del depósito a través de unos tubos deflectores. La limpieza del material flotante acumulado en la parte superior de los riles se efectúa de manera manual. En su interior y a continuación de la referida pared, se encuentran instaladas dos bombas sumergibles para la elevación de las aguas residuales hacia el módulo de homogenización. En el interior del pozo de bombeo, van instaladas dos bombas tipo VORTEX de 1,1 Kw/1,5 cv, con sus correspondientes sondas de nivel, las que trabajan en alternancia desde el cuadro eléctrico. Tamiz Previo a la homogenización se ha colocado un tamiz para separar los sólidos mayores de 0,20 mm. El tamiz elegido es de tipo rotatorio auto-limpiante de importación, con unas aberturas en el material filtrante de 0,2 mm. El chasis del aparato está construido en acero inoxidable mientras que la malla filtrante es intercambiable es de acero inoxidable. Construcción enteramente en acero inoxidable compuesto por: - Cilindro filtrante rotativo de 400 mm de diámetro por 490mm de largo. - Bomba de lavado por aspersión interna. - Cuchilla limpiadora de material especial. - Depósito de recogida del filtrado. - Soportes para anclajes en el pavimento. - Motor reductor con limitador de carga tarable. - Velocidad de giro de 9 r.p.m.

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- Rejilla filtrante realizada en rejilla de elementos trapezoidales interespaciados de 0,20 mm. - La potencia instalada es de 0,25 Kw. - Brida de entrada 150 mm. - Brida de salida 200 mm. Tanque de homogenización y aireación con neutralización de pH. El tanque de homogenización y aireación se ha diseñado para amortiguar por laminación las variaciones del caudal, debido al flujo inconstante de los efluentes de las distintas etapas. Con ello se logra un efluente lo suficientemente uniforme en cuanto a características y caudal a partir de unos residuos discontinuos y variables en calidad y cantidad. Se produce por una parte una igualación de caudales que tiene como efecto secundario una disminución en la concentración de contaminantes al reducirse los picos máximos de concentración de cromo y sulfuro y por las reacciones que se dan durante al periodo de retención. Además de lograr una regulación de los caudales vertidos, el tanque homogenizador actúa como depósito tampón regulador y neutralizador de pH, para lo cual se instalará un equipo de control de pH. El aire necesario para la aireación y oxidación del sulfuro y sulfato la mezcla y homogenización de los efluentes, la aporta un equipo soplante que proporciona un caudal de aire de unos 1000 m3/h, con una presión de trabajo de 0,400 bar y una potencia instalada de 18,5 Kw. El sistema de aireación está compuesto por un sistema de 200 difusores para asumir un caudal de aire de 1.000 m3/h y con un rendimiento de transferencia entre 5,6 y 6,6 % por metro de lámina de agua . El sistema de tuberías de distribución instaladas en el fondo del aparato, esta motado sobre tobos de PVC de Ø 90 mm, éste sistema evita además la sedimentación de los sólidos y previene la emanación de olores. El equipo de control de pH, está compuesto por un microprocesador electrónico, dos bombas dosificadoras con un caudal máximo de 20l/h a una presión de 5 bar, sonda auto-limpiante, para aguas sucias y dos depósitos para el almacenamiento de reactivos (Ácido y sosa) de 500 lts. cada uno. El tanque homogenizador está fabricado en hormigón armado y tiene una capacidad de 500 m3. Filtro biológico anaeróbio El depurador anaerobio forma parte del primer paso (pre-tratamiento anaeróbico) del proceso principal de depuración del agua residual tratada en la planta. Este depósito tiene una capacidad de 120 m3 y está compuesto por un digestor biológico anaerobio + Decantador primario anaerobio + Decantador secundario anaerobio, fabricado en poliéster reforzado con fibra de vidrio, cuyas medidas sonde 3,50 mts de diámetro por 13,20 mts. de largo, relleno con un material de soporte para el desarrollo de la vida microbiana.

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El agua a tratar fluye en sentido ascendente, entrando en contacto con el medio sobre el que se desarrollan y fijan las bacterias anaerobias. Dado que las bacterias están adheridas al medio y no son arrastradas por el afluente. Filtro biológico aerobio El filtro biológico aerobio forma parte del pos tratamiento de los efluentes. Este depósito tiene una capacidad de 6 m3 y está fabricado en poliéster reforzado con fibra de vidrio y relleno de material filtrante (Plástico Sintético), que permite perfectamente el desarrollo de la vida bacteriana. El agua a tratar se reparte sobre la superficie de este material filtrante distribuyéndose lo más finamente posible, y se va depurando a medida que va atravesando el lecho donde se desarrolla una variada fauna de microorganismos en forma de película biológica. El repartido abierto y aleatorio del material filtrante permite el paso libre de corrientes de aire que aportan el oxígeno necesario para la vida de los microorganismos y al mismo tiempo permite una libre evacuación de los sólidos que puede transportar el agua, evitándose así los posibles atascos. El referido filtro se encuentra asistido por un equipo soplante idéntico al empleado en el tanque homogenizador.

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TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES Tema 4.-TECNOLOGÍA DE LOS METALES FERROSOS Producción del hierro y el acero El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las actividades que se desarrollan en el proceso productivo.

El 90% de todos los metales fabricados a escala mundial son de hierro y acero. Los procesos para la obtención de hierro fueron conocidos desde el año 1200 ac. Los principales minerales de los que se extrae el hierro son:

Hematita (mena roja) 70% de hierro

Magnetita (mena negra) 72.4% de hierro

Siderita (mena café pobre)

48.3% de hierro

Limonita (mena café) 60-65% de hierro

La mena café es la mejor para la producción de hierro, existen grandes yacimientos de este mineral en Estados Unidos y en Suecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandes cantidades de pirita, pero no es utilizable por su gran contenido de azufre. Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales:

1. Mineral de hierro 2. Coque 3. Piedra caliza 4. Aire

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Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y preparados antes de que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio. El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden. A la caliza, el coque y el mineral de hierro se los prepara antes de introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales.

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Proceso de Peletización del Mineral de Hierro

Proceso Productivo Siderúrgico

El Proceso Productivo Siderúrgico lo hemos dividido gráficamente en 6 pantallas debido a su extensión.

Proceso Productivo Siderúrgico - Lámina 1 / 6

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Proceso Productivo Siderúrgico - Lámina 2 / 6

Proceso Productivo Siderúrgico - Lámina 3 / 6

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Proceso Productivo Siderúrgico - Lámina 4 / 6

Proceso Productivo Siderúrgico - Lámina 5 / 6

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Proceso Productivo Siderúrgico - Lámina 6 / 6

El alto horno En general los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m. y llegan a tener una altura superior a los 60 m. Están revestidos de refractario de alta calidad. Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h. La caliza, el coque y el mineral de hierro se introducen por la parte superior del horno por medio de vagones que son volteados en una tolva. Para producir 1000 toneladas de arrabio, se necesitan 2000 toneladas de mineral de hierro, 800 toneladas de coque, 500 toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire caliente. Con la inyección de aire caliente a 550°C, se reduce el consumo de coque en un 70%. Los sangrados del horno se hacen cada 5 ó 6 horas, y por cada tonelada de hierro se produce 0,5

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toneladas de escoria.

Alto horno

Reducción directa del mineral de hierro Para la producción del hierro también se puede utilizar el método de reducción directa, el que emplea agentes reactivos reductores como gas natural, coque, aceite combustible, monóxido de carbono, hidrógeno o grafito. El procedimiento consiste en triturar la mena de hierro y pasarla por un reactor con los agentes reductores, con lo que algunos elementos no convenientes para la fusión del hierro son eliminados. El producto del sistema de reducción

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directa es el hierro esponja que consiste en unos pelets de mineral de hierro los que pueden ser utilizados directamente para la producción de hierro con características controladas. Diagrama de producción de hierro esponja

En el método de reducción directa para procesar 1000 toneladas de mineral de hierro, se requieren 491.000 m3 de metano y con ello se obtienen 630 toneladas de hierro esponja. Diferentes procesos de producción de hierro y acero Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al hierro para que se transforme en material útil para diferentes objetos o artefactos, o sea en hierro o acero comercial. A continuación se presentan los principales procesos de fabricación de los hierros y aceros comerciales.

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Proceso de pudelado

El hierro dulce es un metal que contienen menos del 0.01% de carbono y no más de 0.003% de escoria. Para su obtención se requiere del proceso conocido como pudelado, el que consiste en fundir arrabio y chatarra en un horno de reverbero de 230 kg, este horno es calentado con carbón, aceite o gas. Se eleva la temperatura lo suficiente para eliminar por oxidación el carbón, el silicio, y el azufre. Para eliminar todos los elementos diferentes al hierro, el horno de pudelado debe estar recubierto con refractario de la línea básica (ladrillos refractarios con magnesita y aluminio). El material se retira del horno en grandes bolas en estado pastoso y el material producido se utiliza para la fabricación de aleaciones especiales de metales. Existen otros procedimientos modernos como el llamado proceso Aston, en donde en lugar del horno de reverbero se usa un convertidor Bessemer con lo que se obtienen mayor cantidad de material. Horno básico de oxígeno (BOF) Es un horno muy parecido al antiguo Bessemer con la gran diferencia que a este horno en lugar de inyectar aire a presión se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se eleva mucho más la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea básica y a la inyección del oxígeno. La carga del horno está constituida por 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de operación del horno es superior a los 1650°C y es considerado como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este horno fue inventado por Sir Henrry Bessemer a mediados de 1800, sólo que como en esa época la producción del oxígeno era cara se inició con la inyección de aire, con lo que surgió el convertidor Bessemer, el que ya fue descrito. Horno básico de oxígeno

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Horno de hogar abierto Es uno de los hornos más populares en los procesos de producción del acero. Un horno de este tipo puede contener entre 10 y 540 toneladas de metal en su interior. Tiene un fondo poco profundo y la flama da directamente sobre la carga, por lo que es considerado como un horno de reverbero. Su combustible puede ser gas, brea o petróleo, por lo regular estos hornos tienen chimeneas laterales las que además de expulsar los gases sirven para calentar al aire y al combustible, por lo que se consideran como hornos regenerativos. Los recubrimientos de los hornos de hogar abierto por lo regular son de línea básica sin embargo existen también los de línea ácida ((ladrillos con sílice y paredes de arcilla). Las ventajas de una línea básica de refractario, sobre una ácida son que con la primera se pueden controlar o eliminar el fósforo, el azufre, el silicio, el magnesio y el carbono y con la línea ácida sólo se puede controlar al carbono. El costo de la línea básica es mayor que el de la ácida.

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Los hornos de hogar abierto son cargados con arrabio en su totalidad o con la combinación de arrabio y chatarra de acero. El arrabio puede estar fundido o en estado sólido. La primera carga del horno tarda 10 h en ser fundida y estar lista para la colada, pero si se agrega oxígeno se logra tener resultados en menos de 7 h, además de que se ahorra el 25% de combustible. Horno de arco eléctrico Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea básica. Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000 kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza. Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de los hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A. Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una grúa viajera. Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales, etc.

Horno de arco eléctrico

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Horno de refinación Estos hornos pueden ser de varios tipos, en realidad puede ser cualquier horno al que por medio de aire u oxígeno se obtenga hierro con carbón controlado, sin embargo se pueden mencionar dos de los hornos más conocidos para este fin. Horno de inducción Utilizan una corriente inducida que circula por una bovina que rodea a un crisol en el cual se funde la carga. La corriente es de alta frecuencia y la bovina es enfriada por agua, la corriente es de aproximadamente 1000Hz, la cual es suministrada por un sistema de motogenerador. Estos hornos se cargan con piezas sólidas de metal, chatarra de alta calidad o virutas metálicas. El tiempo de fusión toma entre 50 y 90 min, fundiendo cargas de hasta 3.6 toneladas. Los productos son aceros de alta calidad o con aleaciones especiales. Horno de aire o crisol Es el proceso más antiguo que existe en la fundición, también se le conoce como horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de arcilla y grafito, los que son extremadamente frágiles, los crisoles se colocan dentro de un confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón o los productos de la combustión. Los crisoles son muy poco utilizados en la actualidad excepto para la fusión de metales no ferrosos, su capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kg. Hornos de crisol para metales no ferrosos

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Clasificación de los aceros Con el fin de estandarizar la composición de los diferentes tipos de aceros que hay en el mercado la Society of Automotive Engineers (SAE) y el American Iron and Steel Institute (AISI) han establecido métodos para identificar los diferentes tipos de acero que se fabrican. Ambos sistemas son similares para la clasificación. En ambos sistemas se utilizan cuatro o cinco dígitos para designar al tipo de acero. En el sistema AISI también se indica el proceso de producción con una letra antes del número. Primer dígito. Es un número con el que se indica el elemento predominante de aleación. 1= carbón, 2= níquel, 3=níquel-cromo, 4=molibdeno, 5=cromo, 6=cromo-vanadio, 8=triple aleación, 9 silicio-magnesio.

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El segundo dígito. Es un número que indica el porcentaje aproximado en peso del elemento de aleación, señalado en el primer dígito. Por ejemplo un acero 2540, indica que tiene aleación de níquel y que esta es del 5%. Los dígitos 3 y 4. Indican el contenido promedio de carbono en centésimas, así en el ejemplo anterior se tendría que un acero 2540 es un acero con 5% de níquel y .4% de carbón. Cuando en las clasificaciones se tiene una letra al principio esta indica el proceso que se utilizó para elaborar el acero, siendo los prefijo los siguientes: A = Acero básico de hogar abierto B = Acero ácido de Bessemer al carbono C= Acero básico de convertidos de oxígeno D = Acero ácido al carbono de hogar abierto E = Acero de horno eléctrico A10XXX A= Proceso de fabricación 10 = Tipo de acero X = % de la aleación del tipo de acero X X= % de contenido de carbono en centésimas. Lingotes y colada continua Para fabricar los diferentes objetos útiles en la industria metal metálica, es necesario que el hierro se presente en barras, láminas, alambres, placas, tubos o perfiles estructurales, los que se obtienen de los procesos de rolado. El proceso de rolado consiste en pasar a un material por unos rodillos con una forma determinada, para que al aplicar presión el material metálico adquiera la forma que se necesita. El material metálico que se alimenta a los rodillos debe tener una forma determinada, esta forma se obtiene al colar en moldes el metal fundido que será procesado, a estos productos se les llama lingotes o lupias y pueden ser secciones rectangulares, cuadradas o redondas. Los lingotes (cilindros con un extremo menor que el otro) o lupias (lingotes de gran tamaño con secciones rectangulares) pueden tener desde 25 kg hasta varias toneladas, todo dependerá de para qué se van a utilizar y para con qué tipo de rodillos se van a procesar. Colada continua Cuando se requiere un material de sección constante y en grandes cantidades se puede utilizar el método de la colada continua, el cuan consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por le molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material

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con la forma necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena. Por este medio se pueden fabricar perfiles, varillas y barras de diferentes secciones y láminas o placas de varios calibres y longitudes. La colada continua es un proceso muy eficaz y efectivo para la fabricación de varios tipos de materiales de uso comercial. Algunos elementos químicos en la fundición del hierro Existen muchos elementos químicos que dan las características de ingeniería a las aleaciones ferrosas, sin embargo hay algunos que se destacan por sus efectos muy definidos, a continuación se presentan algunos de estos elementos. Carbono. Arriba del 4% baja la calidad del hierro, sin embargo se puede decir que es el elemento que da la dureza al hierro y por medio de sus diferentes formas en las que se presenta, se pueden definir varias propiedades de las aleaciones y su grado de maquinabilidad. Con base a la cantidad de carbono en el hierro las aleaciones se pueden definir o clasificar como se observó en los temas anteriores. Silicio. Este elemento hasta un 3.25% es un ablandador del hierro y es el elemento predominante en la determinación de las cantidades de carbono en las aleaciones de hierro. El silicio arriba de 3.25% actúa como endurecedor. Las fundiciones con bajo contenido de silicio responden mejor a los tratamientos térmicos. Manganeso. Es un elemento que cuando se agrega a la fundición arriba del 0.5% sirve para eliminar al azufre del hierro. Como la mezcla producto del azufre y el manganeso tiene baja densidad flota y se elimina en forma de escoria. También aumenta la fluidez, resistencia y dureza del hierro. Azufre. No sirve de nada en el hierro, debe ser eliminado y controlado. Fósforo. Es un elemento que aumenta la fluidez del metal fundido y reduce la temperatura de

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TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

Tema 5.-TECNOLOGÍA DE LOS METALES NO FERROSOS De todos los metales utilizados para la industria el 20% son no ferrosos, estos en diferentes aleaciones cubren los requerimientos de ingeniería y las propiedades químicas necesarias para fabricar artículos útiles para la industria y la sociedad. Las características fundamentales de la saleaciones no ferrosas son la resistencia a la tensión, corrosión, conductividad eléctrica y maquinabilidad. La selección de una aleación determinada dependerá de los resultados de diferentes pruebas mecánicas, el volumen de producción, el costo de producción y las propiedades estéticas del producto. A continuación se muestran algunas de las propiedades de los metales. En la tabla se aprecian algunas de las principales diferencias entre metales ferrosos y los que no lo son.

Metal Resistencia a

la tensión Temperatura

de fusión mPaDureza

Brinell °C Densidad en

kg/m3

Aluminio 83-310 660 30-100 2,643

Latón 120-180 870 40-80 8,570

Bronce 130-200 1040 70-130 8,314

Cobre 345-689 1080 50-100 8,906

Hierro 276-345 1360 100-145 7,689

Fundición gris

110-207 1370 100-150 7,209

Acero 276-2070 1425 110-500 7,769

Plomo 18-23 325 3.2-4.5 11,309

Magnesio 83-345 650 30-60 1,746

Níquel 414-1103 1450 90-250 8,730

Zinc 48-90 785 80-100 7,144

Estaño 19-25 390 5-12 7,208

Titanio 552-1034 1800 158-266 4,517

La mayoría de los metales no ferrosos son más resistentes a la corrosión o a la humedad, pueden utilizarse en exteriores sin pinturas o recubrimientos. Sin embargo se debe tener

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especial cuidado con el manejo de los metales no ferrosos ya que cada uno responde de manera particular a los efectos de la naturaleza; por ejemplo el magnesio resiste muy bien la atmósfera ordinaria, pero se corroe rápidamente con el agua de mar. Para la producción de los metales no ferrosos se establecen como base los siguientes procesos.

1. Extracción 2. Refinado o concentrado 3. Fusión 4. Afinado

Cada uno de estos procesos se da de diferentes maneras en la producción de los metales no ferrosos, incluso en la producción algunos no se dan todos. Extracción. Los metales no ferrosos provienen de minerales que se pueden encontrar en la superficie de la tierra o bien en yacimientos bajo la superficie. En ambos casos se deben seguir técnicas de explotación es eficientes y rentables. Refinado o concentrado, también conocido como preparación. Los minerales de los que se obtienen los metales no ferrosos nunca se encuentran en estado puro y en cantidades comerciales, por lo que se deben separar y preparar. Entre los procesos de preparación más utilizados está el pulverizar al mineral y luego mezclarlo con agua y un aceite, para que al aplicar una acción violenta se forme espuma en la que los elementos metálicos quedan suspendidos. Posteriormente se retira la espuma y con ella los minerales necesarios para la producción de los metales no ferrosos. Fusión. Los hornos más utilizados para la fusión de los minerales de metales no ferrosos son los altos hornos (de menor tamaño que los de arrabio) y los hornos de reverbero (aquellos en los que la flama ilumina a la carga). Aunque no todos los metales no ferrosos necesitan ser fundidos primero para ser procesados. En los hornos para la producción de los metales no ferrosos siempre existen equipos para el control de las emisiones de polvo. Más que una medida de control de la contaminación ambiental es una necesidad, ya que los polvos son valiosos porque tienen el mineral que se está procesando o porque de esos polvos se pueden obtener otros materiales con un valor representativo o rentable. Afinado. Para lograr las características de calidad y pureza necesarias en los metales no ferrosos se pueden utilizar diferentes procesos como las tinas electrolíticas con las que el mineral adquiere niveles de calidad muy altos. Producción del aluminio

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El mineral del cual se puede obtener aluminio comercial se llama BAUXITA, la cual regularmente puede ser encontrada en minas de depósito abierto, para lograr uniformidad en el material se tritura y con agua a presión se lava para eliminar otros materiales y sustancias orgánicas. Posteriormente el material se refina para obtener a la alúmina, lo que ya es un material comercial de aluminio con el que se pueden obtener lingotes por medio del proceso de fundición.

También existe el proceso de producción de aluminio llamado BAYER, el cual consiste en:

1. La bauxita después de haber sido pulverizada y obtenida de los procesos de espumado se carga a un digestor el que contienen una solución de sosa cáustica bajo presión y a alta temperatura.

2. Producto del digestor se forma aluminato de sodio que es soluble en el licor generado. 3. Los sólidos insolubles como hierro, silicio, titanio y otras impurezas son filtrados y el

licor con la alúmina se bombea a depósitos llamados precipitadores . 4. En los precipitadores se agregan uno cristales finos de hidróxido de aluminio, estos

cristales se hacen circular por entre el licor concentrado para que sirvan de simientes, van creciendo en dimensiones a medida que el hidróxido de aluminio se separa del licor.

5. El hidróxido de aluminio que se adhirió a los cristales se calcina en hornos que operan por arriba de los 900ºC. Esto convierte a la alúmina en un producto de alta calidad para la fusión y obtención de aluminio de buena calidad.

6. La alúmina producto de los hornos de calcinado es procesada en tinas electrolíticas llamadas celdas reductoras. Estas tinas funcionan con un baño de ciolita (fluoruro de

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aluminio sódico), el ánodo es un electrodo de carbón y el cátodo es la misma tina. En estas tinas se obtiene el aluminio metálico.

7. El aluminio obtenido de las celdas reductoras es moldeado y procesado en hornos de concentración para la obtención de aluminio de alta calidad.

Para la producción de cada kilogramo de aluminio se requiere 2 kg de alúmina, los que son producto de 4 kg de bauxita y 8 kwh de electricidad. Producción del Magnesio

El magnesio comercial se obtiene del agua de mar y conchas.

1. Las conchas son pasadas por un horno rotatorio a 1320ºC, para producir cal. 2. La cal es mezclada con agua de mar, la que tiene 1300 ppm de magnesio, lo que

genera una reacción que produce hidrato de magnesio, que se deposita en el fondo de un tanque de sedimentación.

3. El hidrato de magnesio se extrae del tanque como una pasta a la que se le agrega ácido clorhídrico, con lo que se logra obtener cloruro de magnesio.

4. La mezcla es filtrada consecutivamente para aumentar su concentración. 5. Se realiza un secado especial hasta que el cloruro de magnesio logra obtener una

concentración superior al 68%. 6. El cloruro de magnesio en forma granular se transfiere a una celda electrolítica en la el

ánodo es de grafito y el cátodo es la propia tina. En la celda se hace circular corriente eléctrica con lo que se logra la descomposición del cloro y el magnesio.

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7. El cloro con agua se convierte en ácido clorhídrico, el cual sirve para convertir al hidrato de magnesio en cloruro de magnesio en el inicio del proceso.

8. El magnesio que flota en la tina electrolítica es recogido y moldeado en lingotes de 8kg, los que posteriormente son fundidos y utilizados para las aleaciones de magnesio.

Producción del cobre

El cobre se obtiene fundamentalmente de un mineral llamado CALCOPIRITA el que contiene grandes cantidades de cobre, azufre y hierro.

1. La calcopirita es mezclada con cal y materiales silicos, los que son pulverizados por medio de molinos de quijadas y transferidos a una tinas estratificadoras.

2. En las tinas estratificadoras el mineral es extraído al flotar con la espuma producto de la agitación. La espuma se forma al mezclar agua con aceite y agitarlos enérgicamente.

3. El mineral extraído se pasa por un horno de tostado para eliminar el azufre. Los polvos de los gases producto del horno de tostado son capturados y procesados para obtener plata, antimonio y sulfuros.

4. Los concentrados del horno de tostado son derretidos en un horno de reverbero, en este horno se elimina el hierro en forma de escoria.

5. El material derretido del horno de reverbero, que se conoce como ganga, es introducido a un horno parecido al convertidos Bessemer, del cual sus gases son utilizados para obtener ácido sulfúrico y el producto de su vaciado es cobre conocido como cobre Blister, el que tiene 98% de pureza y que puede ser refinado todavía más por métodos electrolíticos.

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Producción del plomo: El concentrado de plomo o GALENA contiene 65 a 68 % de plomo.

1. La galena es pasada por un horno de tostado para eliminar en lo posible la gran cantidad de azufre que contiene este material. Los gases del horno son procesados para obtener ácido sulfúrico y el material desulfurizado pasa a un mezclador.

2. El concentrado producto del horno de tostado es mezclado con caliza, arena, escoria y mena de hierro, la que es pasada a un horno de sinterizado.

3. El material aglomerado por el horno de sinterizado se pasa a un alto horno del cual se obtiene cadmio al procesar sus gases y su producto es transferido a un tanque espumador.

4. En el tanque la espuma es recogida y enviada a una marmita a la que se le agrega azufre y con ello se obtiene cobre.

5. El sedimento del tanque espumador pasa a un horno de oxidación, también conocido como horno ablandador. La escoria de este horno contiene antimonio y arsénico. El plomo derretido se pasa a una marmita de vacío.

6. En la marmita de vacío se agrega zinc con el que el oro y la plata se disuelven, las aleaciones de oro y plata en la marmita flotan y se desnatan para ser pasadas a un horno de retorta del cual se recupera el zinc por medio de un condensador y el oro y la plata por medio de un baño electrolítico.

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7. El plomo derretido pasa a la cámara de vacío luego derramado en una marmita a la que se agrega sosa cáustica de la cual se obtiene el plomo de gran calidad.

Algunas aleaciones Una aleación es la combinación química de dos o más elementos en los que al menos uno es un metal. Las aleaciones permiten mejorar las propiedades químicas y mecánicas de los materiales que se combinan. Existen gran variedad de aleaciones debidamente normalizadas, sin embargo unas de las más conocidas y utilizadas son las del cobre. A continuación se presentan algunas de las aleaciones de cobre más conocidas con sus componentes.

Nombre Cu Sn Zn Pb Ni Si Mn Al Fe Uso

Latón rojo 90 10 Trabajos duros

Latón amarillo 70 30 Cartuchos

Latón rojo con plomo 85 5 5 5 Maquinaria

Latón amarillo con plomo

72 1 24 3 Bombas

Bronce con estaño 88 8 4 Cojinetes de embarcaciones

Bronce para campanas 80 20 Campanas

Bronce para cojinetes 83 7 3 7 Cojinetes de máquinas

Bronce con silicio 95 4 1 Maquinaria de fundición

Bronce al manganeso 62 1.5 31 1 4 1.5 1.5 1.5 Alta resistencia

Bronce al aluminio 78 5 3 10 4 Resistencia a la corrosión

Plata níquel 65 4 6 5 20 Lavanderías y lecherías

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TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

TEMA 6.- TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES PLÁSTICOS DEFINICIÓN DE PLÁSTICOS Los materiales plásticos son un conjunto de materiales de origen orgánico. Han sido obtenidos artificialmente a partir de productos del petróleo, carbón, gas natural, materias vegetales (celulosa) o proteínas (caseína de la leche), y en alguna fase de su fabricación han adquirido la suficiente plasticidad para darles forma y obtener productos industriales.

Los plásticos son materiales sintéticos denominados polímeros, formados por moléculas, cuyo principal componente es el carbono.

En la actualidad, la cantidad de plásticos existente es enorme. Cada uno de ellos tiene unas propiedades y aplicaciones específicas. En general puede decir que los plásticos son más ligeros que los metales y es mucho mas fácil darles forma, manteniendo una resistencia a las deformaciones. Por ello, la tendencia actual es la sustitución de los materiales naturales utilizados hasta ahora, tales como madera, metales, etc., por plásticos.

Los tipos de plásticos más empleados en la actualidad, por orden de importancia son; poliestireno, resinas fenólicas, polipropileno y resinas

Entre las ventajas que ofrecen los plásticos, en relación con otros materiales, cabe citar: resistencia a la corrosión y agentes químicos, aislamiento químico y acústico, resistencia a los impactos y, finalmente, una buena presentación estética.

ORIGEN Y EVOLUCIÓN DE LOS PLÁSTICOS

El primer plástico se origina como resultado de un concurso realizado en 1860 en los Estados Unidos, cuando se ofrecieron 10.000 dólares a quien produjera un sustituto del marfil —cuyas reservas se agotaban— para la fabricación de bolas de billar. Ganó el premio John Hyatt, quien inventó un tipo de plástico al que llamó celuloide. El celuloide se fabricaba disolviendo celulosa, un hidrato de carbono obtenido de las plantas, en una solución de alcanfor y etanol. Con él se empezaron a fabricar distintos objetos como mangos de cuchillo, armazones de lentes y película cinematográfica. Sin el celuloide no hubiera podido iniciarse la industria cinematográfica a fines del siglo XIX. El celuloide puede ser ablandado repetidamente y moldeado de nuevo mediante calor, por lo que recibe el calificativo de termoplástico

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En 1907 Leo Baekeland inventó la baquelita, el primer plástico calificado como termofijo o termoestable, plásticos que pueden ser fundidos y moldeados mientras están calientes, pero que no pueden ser ablandados por el calor y moldeados de nuevo una vez que han fraguado. La baquelita es aislante y resistente al agua, a los ácidos y al calor moderado. Debido a estas características se extendió rápidamente a numerosos objetos de uso doméstico y componentes eléctricos de uso general.

Los resultados alcanzados por los primeros plásticos incentivaron a los químicos y a la industria a buscar otras moléculas sencillas que pudieran enlazarse para crear polímeros. En la década del 30, químicos ingleses descubrieron que el gas etileno polimerizaba bajo la acción del calor y la presión, formando un termoplástico al que llamaron polietileno (PE). Hacia los años 50 aparece el polipropileno (PP).

Al reemplazar en el etileno un átomo de hidrógeno por uno de cloruro se produjo el cloruro de polivinilo (PVC), un plástico duro y resistente al fuego, especialmente adecuado para cañerías de todo tipo. Al agregarles diversos aditivos se logra un material más blando, sustitutivo del caucho, comúnmente usado para ropa impermeable, manteles, cortinas y juguetes. Un plástico parecido al PVC es el politetrafluoretileno (PTFE), conocido popularmente como teflón y usado para rodillos y sartenes antiadherentes.

Otro de los plásticos desarrollados en los años 30 en Alemania fue el poliestireno (PS), un material muy transparente comúnmente utilizado para vasos, potes y hueveras. El poliestireno expandido (EPS), una espuma blanca y rígida, es usado básicamente para embalaje y aislante térmico.

También en los años 30 se crea la primera fibra artificial, el nylon. Su descubridor fue el químico Walace Carothers, que trabajaba para la empresa Du Pont. Descubrió que dos sustancias químicas como el hexametilendiamina y ácido adípico podían formar un polímero que bombeado a través de agujeros y estirados podían formar hilos que podían tejerse. Su primer uso fue la fabricación de paracaídas para las fuerzas armadas estadounidenses durante la Segunda Guerra Mundial, extendiéndose rápidamente a la industria textil en la fabricación de medias y otros tejidos combinados con algodón o lana. Al nylon le siguieron otras fibras sintéticas como por ejemplo el orlón y el acrilán.

En la presente década, principalmente en lo que tiene que ver con el envasado en botellas y frascos, se ha desarrollado vertiginosamente el uso del tereftalato de polietileno (PET), material que viene desplazando al vidrio y al PVC en el mercado de envases.

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COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS PLÁSTICOS

En la constitución de los plásticos entran los siguientes elementos: a) Materia básica. Puede ser celulosa, caseína, resina, poliuretano, etc. Cada uno de ellos se obtiene haciendo reaccionar uno o dos elementos determinados, que luego se estudiarán.

b) Cargas. Se añaden a la materia básica con objeto de abaratar el producto obtenido o mejorar sus propiedades físicas, químicas o mecánicas. Para ello se utilizan fibras textiles, papel, sílice, etc. c) Colorantes. Se añaden con objeto de obtener un plástico con el color deseado.

d) Catalizadores. Tienen por finalidad acelerar la reacción química.

FORMACIÓN DE LOS PLÁSTICOS

La característica común de todos los plásticos es la de estar formados por moléculas gigantes o macromoléculas con un peso molecular comprendido entre 10.000 y varios millones. Estas macromoléculas (también llamadas polímeros) se forman por unión de otras moléculas más pequeñas denominadas monómeros. La unión se realiza en secuencia, un monómero después de otro, formando una cadena, en el que cada monómero que se repite forma un eslabón, siendo el número de eslabones o número de unidades monoméricas el grado de polimerización. Los plásticos son productos sintéticos, que se fabrican a partir de otros y son elaborados por el hombre. Los plásticos conocidos en la actualidad se pueden fabricar de dos maneras distintas: a) Policondensación (polimerización por pasos), es una reacción en la que dos moléculas se unen, con eliminación de una molécula de H2O, CH3OH, ClH, ... dando origen a un producto nuevo. Por ejemplo: un diácido reacciona con un dialcohol en presencia de otro ácido como catalizador dando lugar a un poliéster. b) Poliadición (polimerización en cadena). En la reacción que se produce entre dos monómeros con doble o triple enlace se origina un componente nuevo, pero no hay eliminación o separación de otra sustancia.

TIPOS DE PLÁSTICOS

Los plásticos se pueden clasificar atendiendo a dos criterios: a la procedencia de la materia prima y a la posibilidad de que puedan ser reciclados o no.

Atendiendo a la procedencia de la materia prima, se pueden clasificar en plásticos naturales y plásticos sintéticos, Los primeros han tenido, y todavía tienen una gran importancia en el mundo industrial, pero son los sintéticos los que acaparan la mayor parte de las aplicaciones.

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Según sus propiedades se dividen en dos grandes grupos:

a) Termoplásticos. Son aquellos que al ser calentados a determinada temperaturas (entre 50 y 200 ('C) vuelven a un estado de plasticidad que permite ser moldeados. Teóricamente, se puede moldear un número de veces ilimitado. Esto permite recuperar todos los plásticos de desecho (que pertenezcan a este grupo), para ser remodelados y formar nuevos objetos. Los termoplásticos se podrían comparar con la cera, que a temperatura ambiente tiene una forma sólida y en cuanto se calientan se ablandan y se pueden moldear de nuevo.

Generalmente, estos plásticos son flexibles y resistentes a los golpes.

b) Termoestables. Son aquellos que una vez moldeados por el calor, no modificar su forma. Son duros, aunque frágiles. Estos plásticos son comparables a la arcilla, que una vez endurecida, debido al calor, no es posible que vuelva a adquirir una forma maleable.

ANÁLISIS DE CADA UNO DE LOS PLÁSTICOS

Procedentes de materiales naturales: A) Derivados de la celulosa La celulosa es un polisacárido, es el compuesto orgánico más abundante en la naturaleza. Así, la madera seca contiene un 50% de celulosa, y el algodón es prácticamente celulosa pura. Desde el punto de vista estructural, la celulosa es un homopolímero lineal formado por

aproximadamente 3.000 unidades de D-glucosa. Las unidades monoméricas de D-glucosa

puede unirse entre sí de forma diferente, pudiéndose obtener polímeros totalmente diferentes

según sea esta unión, tal y como se señaló en las reacciones de adición. Así, según sea ésta

podemos obtener almidón, glucógeno o celulosa.

A partir de la celulosa, y mediante tratamiento con diferentes ácidos, podemos obtener

diversos materiales, siendo todos ellos plásticos termoplásticos.

Celuloide (CN)

Tal y como se señaló en la introducción, se trata del primer material plástico que se

obtuvo a mediados del S.XIX en un intento de obtener un sustituto para el marfil de las bolas de

billar.

Se obtiene a partir de la mezcla de nitrato de celulosa, o piroxilina, con pigmentos y

agentes de relleno en una disolución de alcanfor, que actúa de plastificante, y alcohol. El

nitrato de celulosa se obtiene tratando fibras de algodón con ácido nítrico en presencia de

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ácido sulfúrico como catalizador, estando dos de cada tres grupos –OH de las unidades de

glucosa nitrados.

Se trata de un material tenaz que resiste bien los choques, los esfuerzos de tracción y el

desgaste (elevada dureza); es transparente e incoloro con un alto brillo, pudiéndose colorear

fácilmente. Se moldea bien bajo la acción del calor y la presión, pudiéndose reducir a láminas

muy finas, por lo que se empleó en la fabricación de películas foto y cinematográficas.

Su principal inconveniente es su alta inflamabilidad, y a pesar de las modificaciones

introducidas en su elaboración para reducir el peligro de incendio, ha sido reemplazado por

otros materiales en numerosas aplicaciones, como es el caso de las cintas cinematográficas. El

celuloide se utiliza para fabricar peines, cepillos, botones, pelotas de ping-pon, papeles

plastificados, etc.

Cellón (CA)

Se trata del acetato de celulosa, que se obtiene tratando fibras de algodón con ácido

acético en presencia de ácido sulfúrico como catalizador.

Se trata de un material similar al celuloide: es transparente, tenaz, resistente y se

moldea fácilmente, aunque es ligeramente más higroscópico, menos flexible e inflamable; se

descompone por exposición prolongada a la luz solar.

Se emplea en aislamiento de cables eléctricos, barnices especiales, como capa

intermedia de vidrios inastillables, monturas de gafas, etc.

Etilcelulosa (EC)

Se obtiene por tratamiento de las fibras de algodón con hidróxido sódico y posterior

reacción con cloruro de etilo. Se trata de un material de color blanco, estable a la luz y al calor,

resistiendo muy bien las bajas temperaturas; es además el más ligero de los plásticos

derivados de la celulosa. Se emplea en la industria aeronáutica, como endurecedor de papel,

en tintas de imprenta, etc.

Celofán

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El celofán fue inventado alrededor de 1910, y en un principio se refería a una marca

comercial, pero en la actualidad es el nombre común de una película flexible y transparente

hecha de celulosa pura regenerada y empleada sobre todo como material de embalaje o

empaquetado.

Para su obtención se disuelve pulpa de madera u otro material de celulosa en un álcali

(por lo general sosa cáustica) junto con disulfuro de carbono, (se obtiene entonces una

sustancia pegajosa denominada viscosa), se neutraliza el disolvente alcalino con un ácido, se

extruye el precipitado para formar una lámina, la cual se impregna con glicerina, y se deja

secar.

B) Derivados de la caseína (CS)

La caseína constituye un grupo de proteínas que se producen por precipitación cuando

la leche se acidifica, constituyendo casi el 80% del total de las proteínas presentes y el 3% de

su peso.

Si se trata la caseína con formol se obtiene la galatita, o cuero artificial. El principal

inconveniente que presenta la galatita es el tiempo de endurecimiento que precisa, el cual

puede ser de semanas, e incluso años. Sin embargo, se sigue empleando debido a su bajo

costo en la fabricación de mangos de cubiertos, botones, sustitutos del cuero, etc.

C) Derivados del caucho Caucho natural

Es un jugo lechoso, denominado látex, exudado por los cortes hechos en la corteza de un árbol tropical, llamado Hevea. la producción anual de un árbol suele variar entre 1 y 3 kg.

El látex se coagula rápidamente, lo que quita a la materia sus propiedades elásticas. Para evitarlo, se le añade ácido fórmico, de manera que se obtiene lo que se denomina caucho crudo, coagulado.

Este caucho crudo tiene el problema de que por debajo de -10°C se vuelve quebradizo y por encima de los 25°C se hace pegajoso; pero este problema se soluciona mediante la vulcanización. El proceso es el siguiente:

-Trituración del caucho crudo,

-Se mezcla con azufre.

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-Se lleva la masa a una temperatura superior a la de fusión del azufre, (unos 142 °C) y se somete toda la masa a una presión de 5 atmósferas sobre el molde en el que se quiere obtener la pieza.

Cuanto más azufre se añade, más aumenta la dureza, la resistencia a la tracción, a los agentes químicos ya la oxidación. De esta manera se puede obtener:

a) Goma blanda

-Se obtiene mezclando del 4 al 20 por 100 de azufre. Cuanto menos azufre tenga, más dilatable y elástica será.

-Debido a un proceso de envejecimiento natural de la goma, al cabo de algún tiempo se vuelve frágil, pierde elasticidad y se hace pegajosa.

-Para que duren más tiempo (y no absorban humedad) se suelen espolvorear con talco.

b) Goma dura (ebonita)

-Se obtiene mezclando del 20 al 50 ~)(}r 100 de azufre.

-Este tipo de goma se puede trabajar por arranque de viruta, pero desgasta las herramientas rápidamente.

-Se emplea para manivelas, volantes de dirección de automóviles, baterías eléctricas, etc.

c) Goma esponjosa

Se obtiene haciendo que el caucho sea agitado con azufre en polvo y otros elementos para conseguir espuma.

-Posteriormente, se vierte la espuma en moldes y se vulcaniza (elevando la temperatura y la presión).

-Se emplea en: colchones, almohadillas, esponjas de baño, etc.

Caucho sintético:

Se obtuvo por primera vez en Alemania, durante la Primera Guerra Mundial. Tiene la ventaja de disponer de unas propiedades parecidas a las del caucho natural (impermeabilidad, plasticidad, etc.) y de poderse fabricar por síntesis a partir de derivados del petróleo.

Los polímeros (que son termoplásticos) más conocidos hasta la fecha son: Los buna: polímeros de butadieno (hidrocarburo) + sodio.

La perbunan: polímero de butadieno + acrinitrilo. Es especialmente resistente al ataque del aceite y la bencina, por lo que resulta muy adecuado para juntas y arandelas.

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Al igual que con el caucho natural, se vulcanizan con azufre. Pueden trabajarse mezclados con caucho natural (para fabricación de neumáticos) o solos. Tienen la ventaja de resistir mejor el calor y el envejecimiento.

Se pueden formar, igualmente, gomas blandas, duras y esponjosas.

El caucho sintético está sustituyendo, en un porcentaje muy alto, al caucho natural, debido a los elevados precios, excesiva demanda y mejores pro piedades.

Se emplea, igual que el caucho natural, para membranas, mangueras de agua, juntas radiales, neumáticos para ruedas de automóviles, etc,

Plásticos sintéticos

Estos plásticos, que proceden de productos manufacturados por el ser humano, han sustituido, en un porcentaje muy alto, a los procedentes de materias naturales. Vamos a hacer un estudio somero de los más importantes.

~ Termoestables

Estos plásticos, una vez que se han endurecido, ya no se reblandecen nueva mente, por mucho que se calienten, a no ser que se les aplique algún tipo de disolvente. Por ello, los desperdicios producidos al trabajarlos carecen de valor ya que no pueden volver a fundirse.

El endurecimiento de estos plásticos también puede obtenerse por reacción química (mediante catalizadores) sin necesidad de calentamiento alguno. Generalmente, arden mal y son difícilmente soldables. Entre los más importantes se encuentran:

a) Resinas fenólicas

Se obtienen como combinación química del fenol (derivado del carbón) y del formaldehído.

El olor del fenol se mantiene en los productos obtenidos, notándose especialmente cuando se calientan, por lo que no es adecuado para la fabricación de recipientes alimentarios.

Casi todas estas resinas fenólicas se suelen utilizar mezcladas con cargas para mejorar sus propiedades. Así se pueden distinguir:

Prensadas -Las cargas de relleno suelen ser polvo mineral, serrín, fibras textiles, recortes de tejidos, etc.

-Las piezas obtenidas son buenos aislantes de la electricidad.

-Las aplicaciones más usuales suelen ser plumas estilográficas, aspiradores ( polvo, interruptores eléctricos, aparatos de teléfono, carcasas de motores, etc. Los nombres comerciales más populares son: Baquelita, Durita, Trolitrán, etc,

Formando capas

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Si sobre la solución de resina fenólica se empapan bandas de tejido, láminas de papel y chapas de madera, y se dejan endurecer, se obtienen placas ( tejido, papel y chapas de madera dura, respectivamente, que tienen la ventaja de no absorber la humedad y de resistir muy bien los golpes o choques. Con ellos se fabrican martillos y mazas que no dañan las piezas que golpean, engranajes silenciosos, casquillos de cojinetes, aislantes, lanzaderas para telares, etc.

b) Resinas úricas

Se obtienen a partir de la urea sintética (procedente del nitrógeno del aire) y del formaldehído.

Este resina es insensible a la luz, por lo que se puede emplear para obtener piezas de colores blancos y claros.

No tiene olor ni sabor alguno, por lo que se puede emplear en recipientes alimentarios.

Se trabaja de la misma forma que las resinas fenólicas para constituir masas prensadas.

Las aplicaciones más normales son aislamientos eléctricos, pantallas, vajillas, material espumoso para aislamientos térmicos y acústicos, etc.

Los nombres comerciales más importantes son Formica, Resopal y Polopas.

c) Resinas melamínicas

Se fabrican con melamina {obtenida del carburo cálcico) y formaldehído.

-Las características y aplicaciones son muy similares a las resinas úricas. Tampoco desprenden olor ni sabor, lo que las hace útiles para productos alimentarios.

Nombres comerciales: Novoplas y Ultrapas.

d) Resinas de poliéster

Se obtienen de derivados del alquitrán de hulla y del estirol. Estas resinas son incoloras y transparentes. Se pueden colorear a voluntad. El endurecimiento se obtiene mediante calor a presión o en frío, sin presión o añadiéndole catalizadores. Pueden resistir temperaturas de entre 100 y 200ºC sin deteriorarse. Se emplean en recubrimientos de fibra de vidrio (para construcción de barcos, aviones, etc.) y placas transparentes para cubiertas.

e) Resinas de epóxido

Tienen como materia básica acetileno y una clase de fenol (bisfenol A). En estado líquido son venenosas y sus vapores irritan la piel, pero una vez endurecidas y en estado sólido son inodoras e insípidas. Resisten muy bien los ácidos y las lejías, así como temperaturas de hasta 120 a 150 °C.

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Son fáciles de trabajar por arranque de viruta.

Tienen unas buenas características mecánicas así como resistencia al desgaste, por ello se emplean en la construcción de herramientas sencillas para el trabajo de chapas.

Son muy buenos aislantes eléctricos.

Se adhieren fácilmente a los metales, con lo que constituyen un buen pegamento para estos materiales. Las aplicaciones más usuales son:

I.- Disueltas en acetona, dan origen a barnices y lacas que, aplicadas sobre metales y otros materiales y sometidas a temperaturas del orden de 150 a 200 °C se endurecen. Son los denominados barnices al fuego, muy resistentes a los arañazos.

II. Recubrimiento de conductores eléctricos, como aislantes.

f) Poliuretano Se obtienen por poliadición de un poliéster (denominado desmofén) y un derivado del benzol (el desmodur). ~ Las propiedades del poliuretano obtenido dependen de las proporciones que tengan ambos elementos de la poliadición.

~ Se obtienen tres tipos de productos:

a) Materiales esponjosos y elásticos: esponjas, rellenos de almohadas colchones, goma espuma, etc.

b) Materiales espumosos duros: aislantes para el calor y sonido (inyectables en paredes o rígidos).

c) Materiales macizos con elasticidad: juntas de goma elásticas, correas trapezoidales, ruedas de fricción, etc. d) Pegamentos: constan de dos partes; el pegamento en sí y un catalizador, que mezclados y unidos a las piezas metálicas a pegar proporcionan una unión resistente y duradera. e) Barníces: de gran dureza vítrea.

Termoplásticos

Estos plásticos tienen la ventaja de que se pueden reciclar y, por tanto, no producen desperdicios como consecuencia de los recortes, roturas o desgaste de las piezas con ellos fabricados. Sin embargo, tienen un gran inconveniente, que radica en la poca resistencia mecánica que ofrecen en cuanto aumenta la temperatura, por ello se suelen emplear, preferentemente en aquellas aplicaciones en las que la temperatura existente es la del ambiente.

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a) Polivinilicos Se obtienen por polimerización del acetileno y el ácido clorhídrico. El más importante es el cloruro de polivinilo (PVC), por lo que el estudio de los polivinilos se va a centrar única y exclusivamente en él.

-En su estado original es un material duro, pero mediante adiciones puede ablandar hasta dejarlo plástico como el cuero.

-Resiste muy bien el ataque de lejías, ácidos y gasolina.

Aplicación:

1 .En estado duro

-Tuberías y conducciones de agua residuales.

- Carcasas de bombas, válvulas y llaves de paso.

2. En estado blando

-En tapizados, como cuero artificial.

-Para máquinas, zapatillas, trajes protectores, guantes.

-Abrigos, impermeables, recubrimientos de mercancías.

- Aislamiento de calles. Posee una gran resistencia eléctrica, por lo que puede emplearse placas de circuito impreso, condensadores, etc. Sus usos más comunes se dan en cuerpos de bombas, ventiladores, casas, hélices de barcos, cristales irrompibles de aviones y trenes alta velocidad, bandejas de comida de aviones, etc. b) Poliestireno

Se obtienen del estirol (derivado del petróleo} y del benzol.

Son transparentes, pudiéndose colorear a voluntad.

Se fabrican de dos formas:

1 .Poliestireno duro

Es frágil. Se emplea mucho como films (película delgada y transparente} para embalajes y envoltorios de productos frescos, ya que ofrece una alta permeabilidad al vapor de agua y por tanto, a la entrada de oxígeno. Este film es un poco rígido. Se utiliza, sobre todo, en envoltorios de bandejas para tomates, lechugas, etc.

Con él se fabrican escuadras, reglas, cartabones, bolígrafos, etc,

2. Poliestireno expandído (conocido también como «corcho blanco»)

Es bastante rígido.

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Tiene una buena tenacidad; gran resistencia a los hongos y bacterias, absorbe muy poca agua y no tiene efectos tóxicos.

Por tratarse de un plástico espumado tiene una densidad muy baja.

Su resistencia química es aceptable.

Es muy empleado para el envasado y embalaje de productos delicados y como aislante del calor y del sonido.

c) Polietileno

Se obtiene directamente de! petróleo. Está compuesto de carbono e hidrógeno y al quemarse se combina con el aire formando agua y dióxido de carbono, elementos naturales en el medio ambiente.

A la misma familia pertenecen también los polipropilenos y los polietilenos.

Resisten bien los ácidos, lejías y disolventes usualmente empleados, siendo atacados por las acetonas y éteres.

Son transparentes y ligeros. Son un buen aislante eléctrico.

Existen dos grandes grupos:

1, Polietileno duro (o también llamado de alta densidad}.

Soporta temperaturas entre -200 y + 100°C.

Se emplea en artículos domésticos: canillas, válvulas, bidones, baldes, cantimploras, botellas, jeringas descartables, mascarillas de oxigeno, etc,

2. Polietileno blando (de baja densidad)

Es el que más se consume en los hogares. Se emplea especialmente para fines agrícolas, bolsas, vasos, etc.

d) Policarbonatos

Se obtienen a partir del ácido carbónico. Tienen una gran resistencia a los impactos, lo mismo que al calor (no se deforman hasta los 100°C} y a la abrasión o rozamiento.

Pueden tener un color transparente, translúcido, opaco u otros. Se fabrican nuevos materiales que permiten pasar la luz en más del 90 por 100; sus excelentes propiedades ópticas son comparables con el cristal y !os acrílicos.

Pueden ser mecanizados igual que los metales.

Es ignífugo (se autoapaga).

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Posee una gran resistencia eléctrica, por lo que puede emplearse en placas de circuitos impresos, condensadores, etc. Sus usos mas comunes se dan en cuerpos de bombas, ventiladores, hélices de barcos, cristales irrompibles de aviones y trenes de alta velocidad, bandejas de comida para aviones, etc.

e) Poliamidas

Se fabrican a partir del fenol. La poliamida más conocida es el nylon.

Cuando no se colorean, su aspecto es blanco lechoso. Son muy resistentes al desgaste por fricción. No se deforman hasta 100°C. Igualmente, son muy resistentes a la fatiga, al impacto y la abrasión. También son considerados como buenos aislantes eléctricos Muchos tipos de poliamidas están catalogados como autoextinguibles (calor).

Resisten muy bien el agua caliente y los detergentes.

Los filmes de nylon tienen la propiedad de ser tenaces y ofrecer gran barrera al oxígeno y a los olores y sabores, propiedad muy importante en el envasado de alimentos (carne fresca, productos aromáticos, envasado de café, etc.).

Las aplicaciones más usuales se dan en cuerpos de bombas, correas de transmisión, tejidos, secadores de pelo, cinturones de seguridad; también hay tipos de poliamidas aptos para estar en contacto con los elementos: espátulas, tenedores, etc.

f) Polimetacrilatos

Conocidos también como resinas acrílicas o metacrilatos. Se obtienen a partir del gas natural, aire comprimido y la acetona.

Las maneras comerciales de suministro son en forma de polvo, planchas y paneles redondos, tubos y barras cuadrangulares.

No se decoloran con la luz ni con el paso del tiempo (son cualidades superiores a otros plásticos). Son muy ligeros y resistentes, especialmente a los golpes.

Se les puede dar cualquier color. En el modelo transparente permite el paso de la luz blanca en un 92 %, lo que le asemeja al cristal, siendo asi muy adecuados en la sustitución de éste.

Conservan las propiedades durante años, después de haber estado expuestos a la intemperie, salinidad, atmósferas oxidantes, etc. Resisten bien los agentes químicos.

Aplicaciones. Cristales de ventanas de aviones, cerramientos en el campo de la construcción (centros comerciales, restaurantes, museos,) ya que combinan transparencia, ligereza, resistencia a la rotura, fácil mantenimiento y diseño flexible y fácil, claraboyas, pilotos posterior- anterior de automóviles, lámparas, mobiliario (mesas, estanterías, en lentes para focos en marina, accesorios de baño). El más conocido es el plexiglás.

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g) Fluorocarbonos

Se obtienen a partir del acetileno.

Poseen una gran resistencia al calor y a los agentes químicos.

Tienen unas propiedades mecánicas aceptables, pudiéndose mejorar con cargas inorgánicas o fibras de vidrio. Los dos compuestos más utilizados son:

1. Politetrafluoretileno (más conocido como teflón): -Es el de mayor resistencia química conocido en la actualidad. -Su superficie tiene un carácter deslizante y con muy poca capacidad adhesiva lo que puede hacerlo muy útil para superficies y fachadas antipintadas o que eviten grafitis en trenes y autobuses.

- Se emplea en medicina (prótesis de Uréter, laringe, tráquea, tendones, válvulas coronarias, ligamentos, pieles artificiales y prótesis de cadera así como en sartenes y cazuelas que llevan una capa antiadherente.

-Para obtener los distintos productos se introduce el PTFE en forma de gránulos en moldes y se comprime elevando su temperatura por encima de los 400ºC. Mediante un enfriamiento rápido el producto se hace tenaz y flexible.

2. Policlorotrifoluoretileno:

-Aunque es menos resistente, desde el punto de vista químico, que el anterior, también es menos susceptible de ser atacado por agentes corrosivos y disolventes orgánicos.

-Es más rígido y tenaz que el teflón.

-Se emplea en casquillos sin lubricación, membranas para válvulas y bombas, aislamientos de conductores eléctricos, recubrimiento de objetos metálicos para evitar la oxidación y la corrosión.

MÉTODOS DE OBTENCIÓN DE PRODUCTOS PLASTICOS

La fabricación de productos sintéticos se realiza predominantemente, sin arranque de viruta. Normalmente, se lleva a cabo partiendo de la materia que procede del plástico reciclado o bien elaborado químicamente a través de! proceso correspondiente.

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Posteriormente, se hace pasar por los molinos, que la convierten en gránulos, escamas o

polvo. A continuación se introduce en moldes con la forma de la pieza a obtener. Las piezas salen del molde terminadas, es decir, no precisan ningún proceso posterior, excepto la eliminación de rebabas.

Los principales métodos de obtención son: por prensado, inyección, transferencia, extrusión y soplado. Prensado: Se emplea especialmente para materiales termoplásticos. El material pulverizado en gránulos , al que se le ha añadido la carga, se introduce en la parte inferior del molde; luego se prensa y se le aplica calor hasta que se vuelve plástico y fluye entonces a los espacios huecos del molde que se llenan perfectamente. Unas vez que la pieza se ha endurecido, se saca. Inyección: Se emplea, sobre todo, para los materiales termoplásticos. La materia prima se introduce en un recipiente en el que adquiere gran plasticidad. Un émbolo comprime la masa y la hace pasar al interior del molde a través de varias boquillas. Después de haber endurecido, se abre el molde y se extrae la pieza.

Termoconformado

Es un método que se emplea para materiales termoplásticos. Las piezas se fabrican a partir de películas o planchas rígidas, mediante termoconformado (deformación en caliente); para ello se coloca la película o plancha sobre el molde adecuado, de forma que apoye bien sobre los bordes.

Una vez aplicado el cierre se calienta a la temperatura necesaria, según el tipo de material, y se aplica vacío, presión, o ambas cosas. Una vez frío, se desmolda.

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Extrusión-soplado

Se aplica especialmente en termoplásticos para la fabricación de cuerpos huecos.

El proceso consiste en lo siguiente: 1 .El material termoplástico sale en estado plástico por un conducto (por lo que adquiere una forma tubular a su salida.

2. Inmediatamente el material extruído se recoge entre las mitades de un molde de soplado y se corta por debajo de la boquilla de extrusión.

3. Al cerrar el molde quedan presionadas las partes del tubo sobresalientes por el fondo. Estas rebabas

se cortan y se expulsan automáticamente al abrir el molde.

4. Por la cabeza se empieza a insuflar aire (caliente) a presión, con lo que el material se adapta a las paredes internas del molde, enfriándose al tomar contacto con el metal refrigerado (molde) automáticamente.

Formados al menos por dos tipos de materiales; uno que le confiere resistencia a la tracción (denominado material de refuerzo, de ahí su nombre) y el otro, por algún tipo de plástico, de los estudiados anteriormente, que los une.

Ambos materiales están unidos entre sí formando un todo.

Veamos a continuación los problemas que se plantean a la hora de fabricar un plástico reforzado:

1. Elección adecuada de los materiales que intervienen en el proceso (plástico y refuerzo).

2. Sistema de unión entre ambos.

3. Aplicaciones a las que se destina el producto reforzado.

a) El material de refuerzo suele ser fibra de vidrio, fibras orgánicas (lino, yute, madera, esparto y otros), amianto, fibras de sílice o cuarzo, fibras de carbono, fibras sintéticas, metálicas, etc.

b) Todos los plásticos mencionados (termoplásticos y termoestables) pueden ser utilizados para la obtención de productos reforzados. Cuando se están fabricando, se introducen las fibras (refuerzos) en su interior, mezclándolos.

c} Los productos obtenidos tienen propiedades superiores a los empleados para su fabricación. Así, por ejemplo, si reforzamos con fibra de vidrio, cuya resistencia a la tracción es de 5 a 6 kg/mm2, el producto obtenido llega a alcanzar una resistencia a la tracción de 200 a 300 kg/mm2.

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Científicos e ingenieros están ensayando y descubriendo nuevas aplicaciones, muchas de las cuales ya se están empleando en la fabricación de elementos deportivos, carrocerías de automóviles y barcos, alas y fuselajes de raquetas de tenis, carrocerías de camiones, parachoques de coches, valijas, esquíes, ruedas de bicicleta de tres radios, cañas de pescar, agua y piscinas de poliéster reforzado con fibra de vidrio.

El material más resistente descubierto hasta ahora se denomina Kevlar, resulta muy difícil de mecanizar y cortar. Se emplea sobre todo en la de neumáticos, partes de aviones, satélites de comunicaciones y en la fabricación de chalecos antibalas.

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TEMA 7.- LAS ARCILLAS, INDUSTRIA CERÁMICA Y DEL VIDRIO En la industria cerámica las arcillas se subdividen sencillamente en caolines y arcillas. Los caolines son blancos y de cocción también blanca mientras que las arcillas casi siempre son coloridas pero su cocción no es blanca. Las arcillas se presentan en todos los estratos sedimentarios y son de un grano más fino que el caolín. Debido al proceso de la sedimentación natural , se hallan impurificadas por sustancias orgánicas que tiñen las arcillas. También se hayan impurificadas por pirita (FeS2) o por rutilo (TiO2 ) lo que también puede conferirles coloración. Estas partículas pueden separarse mediante procedimientos como el tamizado. Una vez separados estos minerales de la sustancia arcillosa siempre queda una pequeña porción de óxidos extraños, que ya no pueden eliminarse por procedimientos mecánicos. Se trata del sílice libre de los metales alcalinos Ca y Mg en formas de sales absorbidas y minerales de grano finísimo, así como algunos compuestos de titanio e impurezas de origen orgánico. De acuerdo con las posibilidades del empleo las arcillas pueden clasificarse en 5 grandes grupos :

1. Para la fabricación de porcelana sólo pueden tomarse en cuenta los caolines pues sólo estos proporcionan el deseado color blanco de cocción.

2. Para loza además de caolín se emplean arcillas plásticas de cocción clara. 3. Para productos refractarios sólo se emplean arcillas que funden por encima de los

1580º C y que contienen hasta un 6% de óxidos como K2O, Na2O , MgO, Fe2O3 4. Para productos de gres deben utilizarse arcillas a temperaturas entre 1100 y 1300ºC

formen un producto cocido impermeable. 5. Las arcillas para la fabricación de ladrillos deben presentar una gran proporción de

hierro como fundente.

PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS El término arcilla se usa habitualmente con diferentes significados; desde el punto de vista mineralógico, engloba a un grupo de minerales cuyas propiedades físico-químicas dependen de su estructura y de su tamaño de grano, muy fino (inferior a 2 μm). Desde el punto de vista petrológico la arcilla es una roca sedimentaria con características bien definidas. Para un ceramista una arcilla es un material natural que cuando se mezcla con agua en la cantidad adecuada se convierte en una pasta plástica. Desde el punto de vista económico las arcillas son un grupo de minerales industriales con diferentes características mineralógicas y genéticas y con distintas propiedades tecnológicas y aplicaciones.

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Las importantes aplicaciones industriales de las arcillas radican en sus propiedades fisico-químicas. Dichas propiedades derivan, principalmente, de:

• Su extremadamente pequeño tamaño de partícula (inferior a 2 μm). • Su morfología laminar (filosilicatos) • Las sustituciones isomórficas, que dan lugar a la aparición de carga en las láminas y a

la presencia de cationes débilmente ligados en el espacio interlaminar. Como consecuencia de estos factores presentan un valor elevado del área superficial y, a la vez, la presencia de una gran cantidad de superficie activa, con enlaces no saturados. Por ello pueden interaccionar con muy diversas sustancias, en especial compuestos polares, por lo que tienen comportamiento plástico en mezclas arcilla-agua con elevada proporción sólido/líquido y son capaces en algunos casos de hinchar, con el desarrollo de propiedades reológicas en suspensiones acuosas. Las principales propiedades son:

Superficie específica: La superficie específica o área superficial de una arcilla se define como el área de la superficie externa más el área de la superficie interna (en el caso de que esta exista) de las partículas constituyentes, por unidad de masa, expresada en m2/g. Las arcillas poseen una elevada superficie específica, muy importante para ciertos usos industriales en los que la interacción sólido-fluido depende directamente de esta propiedad. Los valores de superficie específica de diferentes arcillas son:

Caolinita de elevada cristalinidad: hasta 15 m2/g Caolinita de baja cristalinidad: hasta 50 m2/g Halloisita: hasta 60 m2/g Illita: hasta 50 m2/g Montmorillonita: 80 a 300 m2/g Sepiolita: 100 a 240 m2/g Paligorskita: 100 a 200 m2/g

Plasticidad: Las arcillas son eminentemente plásticas. Esta propiedad se debe a que el agua forma una “envoltura” sobre las partículas laminares, produciendo un efecto lubricante que facilita el deslizamiento de unas partículas sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo sobre ellas. La elevada plasticidad de las arcillas es consecuencia de su morfología laminar, tamaño de partícula extremadamente pequeño (elevada área superficial) y alta capacidad de hinchamiento. En general, cuanto más pequeñas son las partículas y más imperfecta su estructura, más plástico es el material. Tixotropía: La tixotropía se define como el fenómeno consistente en la pérdida de resistencia de un coloide, al amasarlo, y su posterior recuperación con el tiempo. Las arcillas tixotrópicas, cuando

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son amasadas, se convierten en un verdadero líquido. Si a continuación se las deja en reposo, recuperan la cohesión y el comportamiento sólido. Para que una arcilla tixotrópica muestre este comportamiento deberá poseer un contenido en agua próximo a su límite líquido. Por el contrario, en torno a su límite plástico no existe posibilidad de comportamiento tixotrópico. Capacidad de intercambio catiónico: Es una propiedad fundamental de las esmectitas. Son capaces de cambiar, fácilmente, los iones fijados en la superficie exterior de sus cristales, en los espacios interlaminares, o en otros espacios interiores de las estructuras, por otros existentes en las soluciones acuosas envolventes. Esto significa que pueden captar ciertos cationes (Na+, K+, NH4+, H+, Ca2+, Mg2+, etc) y aniones (SO42-, Cl-, PO43-, NO3-, etc) y retenerlos en un estado intercambiable, es decir que esos iones pueden intercambiarse por otros cationes o aniones si los minerales de arcillas son tratados con una solución acuosa de dichos iones. La capacidad de intercambio catiónico (CIC) se puede definir como la suma de todos los cationes de cambio que un mineral puede adsorber a un determinado pH. Es equivalente a la medida del total de cargas negativas del mineral. Los valores de capacidad de intercambio catiónico (en meq/100 g) de algunas arcillas son:

Caolinita: 3-5 Halloisita: 10-40 Illita: 10-50 Clorita: 10-50 Vermiculita: 100-200 Montmorillonita: 80-200 Sepiolita-paligorskita: 20-35

Capacidad de absorción: Algunas arcillas encuentran su principal campo de aplicación en el sector de los absorbentes ya que pueden absorber agua u otras moléculas en el espacio interlaminar (esmectitas) o en los canales estructurales (sepiolita y paligorskita). La capacidad de absorción está directamente relacionada con las características texturales (superficie específica y porosidad) y existen dos tipos de procesos que difícilmente se dan de forma aislada: absorción (cuando se trata fundamentalmente de procesos físicos como la retención por capilaridad) y adsorción (cuando existe una interacción de tipo químico entre el adsorbente, en este caso la arcilla, y el líquido o gas adsorbido, denominado adsorbato). La capacidad de adsorción se expresa en porcentaje de absorbato con respecto a la masa y depende, para una misma arcilla, de la sustancia de que se trate. La absorción de agua de arcillas absorbentes es mayor del 100% con respecto al peso. Hidratación e hinchamiento: La hidratación y deshidratación del espacio interlaminar son propiedades características de las esmectitas, y su importancia es crucial en los diferentes usos industriales. Aunque hidratación

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y deshidratación ocurren con independencia del tipo de catión de cambio presente, el grado de hidratación sí está ligado a la naturaleza del catión interlaminar y a la carga de la lámina. La absorción de agua en el espacio interlaminar tiene como consecuencia la separación de las láminas dando lugar al hinchamiento. Este proceso depende del balance entre la atracción electrostática catión-lámina y la energía de hidratación del catión. A medida que se intercalan capas de agua y la separación entre las láminas aumenta, las fuerzas que predominan son de repulsión electrostática entre láminas, lo que contribuye a que el proceso de hinchamiento pueda llegar a disociar completamente unas láminas de otras. Cuando el catión interlaminar es sodio, las esmectitas tienen una gran capacidad de hinchamiento, pudiendo llegar a producirse la completa disociación de cristales individuales de esmectita, teniendo como resultado un alto grado de dispersión y un máximo desarrollo de propiedades coloidales. Si por el contrario, tienen Ca o Mg como cationes de cambio su capacidad de hinchamiento será mucho más reducida.

VARIEDADES, CLASIFICACIÓN Y USOS

Las arcillas encuentran en la industria innumerables usos y desde tiempos remotos se han realizados diversas clasificaciones tecnológicas de las mismas para optimizar su utilización. La clasificación para arcillas industriales adoptada por el U. S. Bureau of Mines es la siguiente: -caolines -arcillas plásticas -arcillas refractarias -bentonitas -fuller’s earth -arcillas comunes CAOLINES: El nombre es una corrección del chino "kao-liang", que significa "cima alta", designación local del área donde se encontró una tierra de porcelana blanca. Son arcillas de calcinación blanca, generalmente de baja plasticidad y alta refractariedad. Menos de la mitad del caolín producido se emplea para cerámica, utilizándose el resto como carga en las industrias del papel, caucho, textiles y otras. Del utilizado en cerámica una parte se destina a alfarería de calcinación blanca y otra a refractarios.

ARCILLAS PLASTICAS

La mayoría de las arcillas son plásticas en algún grado, cuando se las mezcla con agua. En nuestro país las arcillas clasificadas como plásticas se utilizan principalmente en cerámica, revestimientos, azulejos, sanitarios y elementos para electricidad. Desde el punto de vista

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mineralógico su composición es mayoritariamente caolinita con montmorillonita como componente subordinado; suelen acompañar halloysita, illita y pirofilita, además de los minerales no arcillosos como cuarzo, feldespato, micas y vidrio volcánico. Las arcillas plásticas a menudo se clasifican de acuerdo con el tamaño de partícula (porcentaje contenido de partículas inferiores a 0.5 μm). Para uso en cerámica blanca, sea loza o porcelana, las arcillas deben tener muy buena plasticidad, de modo que las pastas elaboradas con ellas sean de fácil moldeo y extrusión. La conformación de la pasta cerámica más conveniente, mediante la mezcla de arcillas y otros minerales, es una práctica de uso propia de cada industria para cada producto. Las especificaciones de la materia prima son establecidas en función de la tecnología empleada y el destino del producto a elaborar. Las pastas cerámicas deben tener características tales que permitan su conformación en crudo, un secado satisfactorio y de buena calidad, adecuada resistencia, temperatura de fusión ajustada, y otras características específicas de acuerdo con el producto final. En la fabricación de lozas, las especificaciones referidas al color son menos exigentes debido a la cobertura con esmalte que se realiza a la pieza. Para la fabricación de sanitarios y revestimientos blancos suele recurrirse a mezclas de arcillas blancas con caolines lavados. Para elementos y piezas eléctricas se requieren propiedades aislantes rigurosas. Se recurre a arcillas plásticas y caolines con bajos tenores de hierro, álcalis, calcio y magnesio. Las arcillas plásticas también se utilizan para la producción de arcilla precalcinada. La utilización de arcillas plásticas llega a nuestros días con un uso masivo en revestimientos, porcelanas, cerámica sanitaria y aisladores eléctricos para el caso de las arcillas plásticas de mejor calidad, y ladrillos huecos, lozas, viguetas y tejas para la construcción en el caso de las arcillas plásticas rojas. En la Argentina, mediante la incorporación de tecnología importada, se producen artículos de altísima calidad como grandes formatos en piezas de porcelanato, con materias primas extraídas de yacimientos explotados en distintas zonas del país, en particular las arcillas de los principales distritos de la Patagonia. Los índices de plasticidad y los límites líquido y plástico se determinan según las Normas IRAM 10501 y 10502. ARCILLAS REFRACTARIAS Son arcillas con elevado punto de fusión, superior a 1.434° C, aunque los límites pirométricos pueden variar según el uso. El punto de fusión es función del contenido de caolinita de la arcilla, constituyente principal de las arcillas refractarias. Los minerales arcillosos que disminuyen el punto de fusión (montmorillonita, illita), y aquellos que contienen alcalis y hierro, deben ser eliminados, lo que suele hacerse mediante una selección de la arcilla durante su explotación y, en casos especiales, mediante lavado.

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La industria cerámica refractaria utiliza arcillas con alto punto de fusión, con baja contracción al calcinar y alta densidad. Generalmente se utilizan mezclas de arcillas o de arcillas refractarias con otros minerales (en general con altos contenidos de alúmina) para lograr las propiedades requeridas por el producto y el proceso. Los refractarios varían en su composición de acuerdo con el uso que se requiera; en general estas arcillas se requieren para elaborar refractarios del tipo silicoaluminosos y aluminosos. Se utilizan en forma de ladrillo o gránulos en paredes, pisos, bóvedas y partes en general de instalaciones o artefactos sometidos a elevadas temperaturas y ataque químico por parte de los materiales tratados. BENTONITA. Esta arcilla se deriva de cenizas volcánicas. El principal mineral de arcilla de la bentonita es la montmorillonita. Esta hace que la arcilla absorba agua con facilidad y se hinche hasta cuatro veces o cinco veces su volumen en seco. Es extremadamente plástica, tiene un bajo punto de fusión y da un producto coloreado. El empleo principal de la bentonita es como plastificante. ARCILLAS COMUNES Son de utilización intensiva y relativo bajo costo, por lo que se prioriza la ubicación del depósito. Se utilizan directamente a partir de su extracción canteril, sin beneficio ni tratamiento. Las exigencias de calidad son muy variables en función de la industria consumidora. En muchos casos illita es el mineral principal; caolinita siempre está presente, aunque si su proporción es alta se eleva el punto de fusión. La montmorillonita otorga plasticidad pero su exceso genera alta contracción. Si bien el cuarzo y otros minerales detríticos son componentes comunes de estas arcillas, su granulometría es limitada por la característica del proceso industrial que consuma la arcilla. La mayor proporción de estas arcillas se destina a la industria de la cerámica roja, para la producción de ladrillos huecos, tejas, baldosas, revestimientos, etc. La arcilla con este destino debe ser de alto grado de plasticidad, con bajo contenido de agua. En general están compuestas por illita, caolinita y montmorillonita. Los minerales con hierro son necesarios en la mayoría de los usos. Las propiedades específicas a controlar en la materia prima son las propiedades físicas del material crudo y seco, su contracción, secado, temperatura de fusión, color de cocción, entre las principales. Las arcillas con destino a la industria del cemento portland aportan SiO2; Al2O3; elementos alcalinos, alcalinotérreos y hierro. En general se limita el contenido de MgO, que no debe superar el 5 % para este uso. Se prefieren arcillas con relativamente elevados tenores de óxidos de hierro y de alúmina y no demasiado altos de sílice. La presencia de arcillas como attapulgita o cloritas es rechazable.

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En cementos puzolánicos también se utilizan arcillas, aunque el desarrollo de su reactividad se produce cuando son calcinadas entre 650 y 980° C. Las arcillas de este tipo también pueden ser usadas en argamasas reemplazando parte del cemento, para mejorar la plasticidad y trabajabilidad del mortero. En la producción de agregados livianos para hormigón estructural o para unidades de mampostería también se utilizan estas arcillas, que deben ser calentadas hasta altas temperaturas, lo que aumenta su volumen original. Los minerales arcillosos preferidos para este uso son illita, montmorillonita, clorita y attapulgita, con pequeñas cantidades de caolinita; el contenido de hierro, elementos alcalinos y alcalinotérreros debe superar 5 %. En casos muy particulares, donde prima la reducción de costos, estas arcillas pueden utilizarse como transportadores y carga en pesticidas, plásticos y pinturas. Para la elaboración de ladrillos comunes y tejas, así como para la elaboración de cemento portland, suelen utilizarse suelos arcillosos compuestos por illita y caolinita predominantes, con un porcentaje menor de montmorillonita y clorita, a los que se agregan cuarzo y otros minerales detríticos de grano fino. Esta es una característica de los materiales explotados para estos fines en las provincias de Buenos Aires, Córdoba, Tucumán, Salta, Mendoza y San Juan, fundamentalmente. PROCESAMIENTO DE LAS CERÁMICAS. Los materiales cerámicos cristalinos se manufacturan en artículos útiles preparando una forma, o compacto, compuesto por materias primas en forma de polvo fino. Los polvos se aglutinan después mediante diversos mecanismos, que incluyen la reacción química, la vitrificación (fusión), parcial o completa y el sintetizado. Los productos cerámicos más tradicionales y técnicos son manufacturados compactando polvos o partículas en matrices que son posteriormente calentadas a enormes temperaturas para enlazar las partículas entre sí. Las etapas básicas para el procesado de cerámicas por aglomeración de partículas son:

• Preparación del material. • Moldeado o fundido. • Tratamiento térmico. por secado (que normalmente no es requerido). y horneado por

calentamiento de la pieza de cerámica a temperatura suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas.

PREPARACIÓN DE MATERIALES. La mayoría de los productos están fabricados por aglomeración de partículas. Las materias primas para estos productos varían, dependiendo de las propiedades requeridas por la pieza de cerámica terminada. Las partículas y otros constituyentes tales como cimentadores y

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lubricantes pueden ser mezclados en seco o en húmedo. Para productos cerámicos que no necesitan tener propiedades muy criticas tales como los ladrillos comunes, tuberías para alcantarillado y otros productos arcillosos, la mezcla de los ingredientes con agua es una práctica común. Para otros materiales cerámicos, las materias primas son tierras secas con cimentadores y otros aditivos. Algunas veces se combinan ambos procesos, húmedo y seco. TÉCNICA DE CONFORMADO. Para productos cerámicos fabricados por aglomeración de partículas pueden ser conformados mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o líquidas. Los procesos de conformado en frío son predominantes en la industria de la cerámica, pero los procesos de modelado en caliente también se usan con frecuencia. Prensado, moldeo en barbotina y extrusión son métodos de modelado de cerámicas que se utilizan más comúnmente. Prensado: La materia prima puede ser prensada en estado seco, plástico o húmedo, dentro de un troquel para formar productos elaborados. Prensado en seco: Este método se usa frecuentemente para productos refractarios (materiales de alta resistencia térmica) y componentes cerámicos electrónicos. El prensado en seco se puede definir como la compactación uniaxial simultánea y la conformación de los polvos granulados con pequeñas cantidades de agua y/o pegamentos orgánicos en un troquel. El prensado en seco se utiliza mucho porque permite fabricar una gran variedad de piezas rápidamente con una uniformidad y tolerancia pequeñas. Por ejemplo, alúminas, titanatos y ferritas pueden ser prensadas en seco en tamaños que van desde unos pocos milímetros hasta varias pulgadas en dimensiones lineales a una velocidad de 5000 por minuto. Compactación isostática: En este proceso el polvo cerámico se carga en un recipiente flexible (generalmente de caucho) hermético (llamado carucho) que está dentro de una cámara de fluido hidráulico a la que se aplica presión. La fuerza de la presión aplicada compacta el polvo uniformemente en todas las direcciones, tomando el producto de la forma del contenedor flexible. Después de presionar la pieza isostáticamente en frío se ha de pasar por el fuego (sinterización) para obtener las propiedades microestructurales requeridas. Productos cerámicos de este tipo son refractarios, ladrillos, aislantes de bujías, cúpulas, crisoles, herramientas de carbono y cojinetes. Compresión en caliente: En este proceso se consiguen piezas de alta densidad con propiedades mecánicas optimizadas combinando la presión y los tratamientos térmicos. Se utiliza tanto la presión unidireccional como la isostática. Moldeo en barbotina: Las figuras cerámicas se pueden reutilizar usando un proceso único llamado fundición de revestimientos, las etapas fundamentales de este proceso son:

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1. Preparación de un material cerámico en polvo y de un líquido (generalmente arcilla y agua) en una mezcla estable llamada barbotina.

2. Colocación de la barbotina en un molde poroso (yeso) que permita la absorción de la porción líquida de la barbotina por el molde. A medida que se elimina el líquido de la barbotina, se forma una capa de material más o menos duro en la pared del molde.

3. Cuando se ha formado el grosor necesario de pared se interrumpe el proceso y el exceso de barbotina se desaloja de la cavidad. Esto se conoce como escurrido. Alternativamente, la forma de un sólido puede realizarse permitiendo continuar al fundido hasta que la cavidad del molde se rellene por completo. Este tipo de moldeo en barbotina se llama fundición compacta.

4. Tenemos que dejar el material dentro del molde hasta que alcance la resistencia, para su posterior retirada de la cavidad poroso.

5. Finalmente, hay que calentarlo para que se consiga las propiedades y la microestructura característica de estos materiales.

El moldeo por barbotina es útil cuando lo que se requiere son piezas de paredes delgadas, o piezas con paredes de espesor constante. Se trata de un proceso económico para desarrollar piezas y obtener presiones reducidas. Se han introducido variaciones de este método consistentes en someter la barbotina a presión a o vacío. Extrucción: Las secciones transversales sencillas y las formas huecas de los materiales cerámicos se puede producir por extrucción de estos materiales en estado plástico a través de un troquel de embutir. Este método es de aplicación común en la producción de, por ejemplo, ladrillos resistentes, tuberías de alcantarillado, tejas, cerámicas térmicas y aislantes eléctricos. Los recursos de utilización más general son la máquinas de extrucción tipo hélice-vacío que fuerzan al material cerámico plástico a pasar a través de un troque de acero o de otra aleación por una hélice accionada por motor. Las cerámicas especiales de aplicación técnica casi siempre se fabrican utilizando un pistón de extrusión bajo alta presión tal que puedan conseguirse tolerancias precisas. TRATAMIENTO TÉRMICO. El tratamiento térmico es un paso esencial en la fabricación de la mayoría de los productos cerámicos. En esta subdivisión consideramos los siguientes tratamientos térmicos: secado, sinterizado y vitrificación. Secado y eliminación del aglutinante. El propósito de secado de cerámicas es eliminar agua del cuerpo cerámico plástico antes de ser sometidas a altas temperaturas. Generalmente la eliminación de aguas se lleva a cabo a menos de 100oC y puede tardar tanto como 24 horas para un trozo de cerámica grande. La mayoría de los enlaces orgánicos pueden ser eliminados

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de piezas cerámicas por calentamiento en el intervalo de 200 a 300oC, aunque algunos residuos hidrocarbonados pueden requerir un calentamiento a temperaturas más elevadas. APLICACIONES Y PROPIEDADES DE LAS CERÁMICAS. Hay una gran variedad de materiales cerámicos y de aplicaciones para estos materiales. Productos de arcilla. Muchas cerámicas están basadas fundamentalmente en la arcilla, a la cual se añade un material más grueso como el cuarzo, y un material fundente como el feldespato. Los feldespatos son un grupo de minerales que comprende al (K,Na)2O.Al2O3.6SiO2. Estos materiales se mezclan con agua y se forma un producto, el cual es secado y horneado después. Los altos contenidos de arcilla mejoran las características de conformidad, permitiendo la producción de cuerpos cerámicos más complicados. Los altos contenidos de feldespato reducen la temperatura de fundición y en consecuencia la temperatura de horneado. En cierto grado, la sílice es un material de relleno. Los ladrillos y las losetas o mosaicos son comprimidos o extraídos para darles forma; después se secan y hornean para producir una aglutinación de cerámico. Las temperaturas de horneado más altas, o los tamaños originales de las partículas menores, producen una mayor vitrificación, una menor porosidad y una mayor densidad. La más alta densidad mejora las propiedades mecánicas pero reduce las cualidades aislantes del ladrillo o de la loseta. La loza de barro está conformada por cuerpos de arcilla porosa horneada a temperaturas relativamente bajas; tienen poca vitrificación, la porosidad es muy alta e interconectada, y la citada loza es permeable, tales productos deben recubrirse con un vidrio impermeable. A temperaturas elevadas de horneado, se producen materiales que tienen mayor vitrificación y menor porosidad, tales como la loza pétrea. La porcelana requiere de temperaturas de horneado aún mayores para lograr una vitrificación completa, y prácticamente ninguna porosidad. Refractarios. Estos materiales deben soportar elevados esfuerzos a altas temperaturas. La mayoría de los materiales cerámicos puros de alto puntos de fusión se califican como materiales refractarios; sin embargo, los refractarios de óxido puro son caros y difíciles de conformar como productos útiles. En lugar de esto, los refractarios típicos están compuestos de gruesas partículas de óxido unidas por un material refractario más fino. Este material se funde durante el horneado proporcionando la aglutinación. Los ladrillos refractarios típicos contienen aproximadamente de 20-25% de porosidad, mejorando el aislamiento térmico. Los materiales refractarios a base de óxido pueden ser clasificados en tres tipos: ácidos, básicos y neutros. Los refractarios ácidos. Los refractarios de sílice tienen alta refractariedad, alta resistencia mecánica y rigidez a temperaturas cercanas a sus puntos de fusión. Los refractarios comunes incluyen a la arcilla refractaria, a sean los cerámicos de sílice-alúmina. En algunas

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aplicaciones, la sílice puede ser aglutinada con pequeñas cantidades de óxido de boro, el cual se funde y produce el enlace cerámico. Cuando se añade de 3 a 8% de alúmina a la sílice, el material cerámico tiene una temperatura de fusión muy baja y no es útil para aplicaciones como material refractario. Al incrementar el contenido de alúmina, utilizando quizás arcilla de caolinita, se mejora la refractariedad de la arcilla de esta clase. Las arcillas refractarias son típicamente vítreas. Sin embargo, en las de alta alúmina se forman cantidades sustanciales de mulita, permitiendo que los refractarios tengan una combinación de resistencia a la alta temperatura a la vez que alta dureza y elevadas propiedades mecánicas. Los refractarios básicos incluyen la periclasa (MgO puro), la magnesita (rica en MgO), la dolomita (MgO más CaO) y la olivina (Mg2SiO4). Los refractarios básicos son más costosos que los refractarios ácidos. Sin embargo, En la manufactura de los aceros y algunas otras aplicaciones para alta temperatura, los revestimientos de refractarios básicos en hornos para altas temperaturas deben usarse para proporcionar compatibilidad con el metal. Los refractarios neutros incluyen la cromita y la cromita-magnesita. Estos materiales pueden ser usados para separar refractarios ácidos y básicos, puesto que estos últimos se atacan entre sí. Otros materiales refractarios son zirconia (ZrO2), el zircón (ZrO2 . SiO2) y una diversidad de nitruros, carburos, boruros y grafito. La mayoría de los carburos, como el TiC y el ZrC, se oxidan y sus aplicaciones a elevadas temperaturas son más indicadas en condiciones reductoras. Sin embargo, el carburo de silicio es una excepción -cuando se oxida el SiC a altas temperaturas, se forma una fina capa de impermeable de SiO2 en la superficie, protegiendo al SiC de mayor oxidación a unos 1500 oC. Los nitruros y los boruros tienen también altas temperaturas de fusión y son menos susceptibles a la oxidación. Algunos óxidos y nitruros son materiales utilizados en la construcción de motores a reacción El grafito es único en cuanto a que su resistencia aumenta cuando la temperatura se eleva. APLICACIONES DE ALGUNOS REFRACTARIOS. Ladrillo refractario para altas temperaturas: revestimientos para hornos de fundición de aluminio, altos hornos, hornos rotativos y cucharones de transferencia de metal caliente. Ladrillo refractario de alta resistencia: Revestimientos para hornos de cal. y de cemento, altos hornos e incineradores. Ladrillos de alta alúmina: Hornos de ebullición, regeneración de hornos dañados por ácidos, hornos de fosfatos, hornos refinadores de tanque de vidrio, hornos de carbón negro, revestimientos de reactores de gasificación de carbón y hornos de coque de petróleo. Ladrillo de sílice: Revestimiento de reactores químicos, partes de tanque de vidrio, hornos cerámicos y hornos de coque.

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Ladrillo de magnesita: Revestimientos de hornos de procesos de oxígeno-básico, para aceros. Ladrillo de circón: Pavimentos para suelos de tanques de vidrio y toberas de vertido continuo. Hornos para cochura de piezas cerámicas La cochura de los materiales debe hacerse siempre en estructuras cerradas con aplicación de calor, habiéndose construido hornos de algún tipo desde comienzos de la alfarería, los cuales se reconocen en excavaciones de lugares prehistóricos. El método más sencillo de cochura es el horno de hormiguero, el cual, a pesar de ser tan antiguo, se emplea todavía en ocasiones para la fabricación de los ladrillos hechos a mano. Se apilan alternados con el combustible, formando un montón, o con frecuencia aprovechando un talud y se cubren después con tierra, etc. A continuación se enciende por el fondo y se deja que el fuego avance a través del hormiguero, aspirando tras sí el aire encargado del enfriamiento. Una vez frío, se derriba el conjunto. El horno intermitente con estructura permanente, posee un revestimiento interior de un refractario adecuado y otro exterior de ladrillo de construcción protector. Los hornos periódicos pueden hacerse trabajar según los principios de tiro ascendente, tiro horizontal o tiro descendente, siendo mucho más satisfactorios los últimos. Se colocan las piezas en el horno y a continuación se calienta este gradualmente, se mantiene a la temperatura máxima durante un cierto periodo y se deja enfriar. Seguidamente puede extraerse la carga e introducirse una carga nueva. Aparte de su ineficiencia por pérdidas de calor a través de las paredes y hacia la chimenea, etc., un horno periódico debe consumir una gran cantidad de combustible para calentar la estructura con cada carga de material, cantidad de calor que se pierde totalmente durante el enfriamiento. El calentamiento y enfriamiento continuado de la estructura la debilita mucho más rápidamente que lo haría una temperatura elevada constante. Los hornos continuos aprovechan el calor residual desprendido durante el enfriamiento. Consiste en esencia en una serie de hornos intermitentes conectados en circuito. Se regula la circulación de aire de forma que pase primero a través de las piezas que se han cocido ya y se están enfriando, y a continuación, una vez caliente, pasa al horno que se encuentra en fase de cochura. Los gases residuales calientes pasan sobre las piezas que se encuentran próximas a la cochura, recalentándolas, de tal forma que éstas precisan una menor cantidad de combustible en la cochura propiamente dicha. El principio fundamental es que el fuego se mantiene siempre encendido y en movimiento alrededor del circuito de hornos. Se aprovecha el calor residual, pero todavía ha de calentarse la estructura del horno y dejarse enfriar para cada carga. En el horno de túnel ocurre el proceso inverso. Una estructura en el túnel tiene zonas a temperaturas constantes diferentes que se corresponden con un programa de cochura, y las

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piezas avanzan a su través obre carretillas o planchas refractarias. En teoría este es el método ideal de cochuras, con el que puede conseguirse la máxima eficiencia en combustible. El horno de túnel está siendo reconocido como el método óptimo de cochura para la producción en serie. La colocación o disposición de las piezas en los hornos está también sujeta a cierto número de consideraciones y varía considerablemente. Los factores que deben tenerse en consideración son, en primer lugar, si las piezas pueden, o no, someterse al contacto directo con las llamas y los gases de combustión producidos al quemarse el combustible. El segundo factor de importancia consiste en si las piezas pueden o no apilarse unas sobre otras hasta alcanzar la altura total del horno. Los ladrillos, etc., pueden por lo general apilarse de dicho modo. Muchas otras piezas pueden apilarse solo en pequeña altura, por lo que requieren ciertos soportes intermedios. Las piezas vidriadas que están recibiendo la cochura de vidriado no pueden tocarse en absoluto, o de lo contrario se pegarían unas con otras. La colocación de las piezas en los hornos El método de la colocación de las piezas en el horno depende de cierto número de factores relacionados tanto con las propias piezas como con el horno en sí. Piezas: a) Bizcocho o vidriado; b) Resistentes a la carga en caliente o más o menos propensas a la deformación y, c) Indiferentes a las llamas y la atmósfera del horno que requieren más o menos protección contra las mismas. Horno:

a) De llama directa o de mufla o eléctrico; b) Combustibles relativamente sucios o limpios y, c) Tipos intermitentes, continuos o de túnel.

En general los materiales sin vidriar pueden apilarse en contacto, mientras que cada pieza de material vidriado debe separarse cuidadosamente de todas las demás o de lo contrario se pegarán unas a otras. Las calidades inferiores de materiales, ladrillos, tejas, etc., pueden cocerse en contacto directo con los gases del horno, en tanto que los materiales de calidad, en particular si su color ha de ser blanco, deben protegerse contra el contacto directo de las llamas, humo, cenizas, etc., colocándolos en cajas o utilizando hornos de mufla. La colocación de las piezas individuales o las cajas en los hornos ha de hacerse de tal forma que permita la circulación óptima de los gases del horno para lograr una máxima regularidad de la temperatura y del intercambio de calor. Una colocación demasiado separada permite que los gases pasen a su través con facilidad y antieconómicamente. Por el contrario, un método de colocación demasiado compacto impide que los gases alcancen uniformemente a la totalidad de las piezas. Los espacios libres entre grandes piezas de forma irregular (como material

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sanitario) deberán rellenase con piezas de menor tamaño para impedir que las piezas mayores sufran una cochura excesiva. Hornos intermitentes modernos La tendencia principal en los hornos intermitentes modernos está orientada hacia la construcción de hornos pequeños para materiales cerámicos finos. Por lo general estos se calientan eléctricamente o por gas. Se ha demostrado que su costo de operación es ligeramente inferior a los hornos de botella debido a:

a) Eliminación de cajas; b) Ahorro de la mano de obra empleada en la manipulación de las mismas; c) Una cochura más uniforme, con mayor proporción de piezas de primera calidad

en la producción; d) Cochura automática programada; e) La ausencia frecuentemente de necesidad de trabajos a turnos; f) Condiciones de trabajo más agradables en general.

Los hornos de mayor tamaño, en especial los calentados a gas, son de estructura de mampostería, es decir, fijos. Tales hornos no solo se utilizan en la industria, sino también en laboratorios, talleres de arte, universidades y escuelas. Algunas de las economías de calor y tiempo propias del horno de túnel se consiguen en dos nuevos tipos de hornos intermitentes, el horno de vagoneta y el horno de campana. En estos, la base de la carga es independiente de la temperatura de las paredes del horno. Hornos de túnel En el estudio de los hornos periódicos se llegó a la conclusión de que para la producción en gran escala resultaría más económico un sistema más continuo de cochura que reutilizase el calor desprendido por los materiales por su enfriamiento. En el horno de túnel se aplica el método opuesto de la cochura continua, es decir, se desplazan los materiales a lo largo de un túnel calentado. La temperatura encontrada por los materiales conforme avanzan a lo largo del túnel aumenta al principio y disminuye después gradualmente como en un horno intermitente, pero la estructura del horno en un punto dado se mantiene siempre a la misma temperatura. Así se consigue la mayor aproximación al método de cochura ideal en el cual la energía calorífica se consume solamente en las transformaciones químicas irreversibles. El calor invertido exclusivamente en modificar la temperatura de los materiales se recupera lo más completamente posible durante el enfriamiento. Consiste esencialmente en un largo túnel recto o circular, de superficie interior relativamente pequeña. A lo largo de este túnel se desplaza un sistema de transporte de los materiales, usualmente de raíles, con vagonetas o carros. La parte superior de la vagoneta se protege del

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calor mediante una loza refractaria, y un muro de arena a cada lado impide que el calor llegue a las ruedas y raíles. Los materiales avanzan contra una corriente de aire que roba calor de los que se encuentran en un periodo de enfriamiento y lo transmite a aquellos que se hallan en periodo de calentamiento. En el centro del horno se aplica calefacción directa. Los materiales se colocan en vagonetas fuera del horno formando una estructura que se corresponda con la sección transversal del inferior de este. El programa de cochura real puede aproximarse más al ideal que en cualquier otro horno de fabricación. Dicho programa puede ajustarse y controlarse muy exactamente, por lo que en un horno de túnel se construye ex profeso para un ritmo de producción y un programa de cochura dados. Reduce la dificultosa y frecuentemente ardua tarea de cargar y descargar los materiales de los hornos de mayor longitud, y en las factorías dispuestas alrededor del horno se reducen al mínimo el movimiento y la manipulación de los materiales. La principal limitación de su empleo radica en que una vez que se ha puesto en servicio y ajustado solo podrá cocer piezas de la misma pasta y de dimensiones similares. Puede proyectarse un horno de túnel para satisfacer las siguientes necesidades de la industria cerámica:

1. Puede construirse para cocer todo tipo de materiales y para cualquier proceso en particular, por ejemplo, cochura de bizcocho, ídem de vidriado, cochura total en un solo paso, vidriado, decoración y esmaltado. Los resultados serán tan buenos o mejores que los alcanzados en hornos periódicos, con un mayor porcentaje de piezas uniformes de primera calidad.

2. El programa de la cochura puede ajustarse finamente adaptándolo a cualquier peculiaridad de los materiales, sin dejar por ello de ser lo más rápido posible. Se logra una mayor aproximación al programa ideal de cochura que en cualquier otro horno industrial.

3. Puede construirse un horno adecuado para cualquier capacidad de producción, con tal que esta sea aproximadamente regular.

4. El consumo de combustible es menor que en otros hornos y la cochura requiere de mayor especialización, pudiendo ser de hecho completamente automática.

5. Generalmente se utilizan combustibles limpios, lo cual puede eliminar la necesidad de emplear cajas.

6. El calor perdido puede aprovecharse en los secaderos, etc. 7. La mano de obra necesaria para la manipulación de los materiales y el mantenimiento

del horno a punto es más reducida que en cualquier otro tipo de horno. 8. La necesidad de reparación es menos frecuente. Solo una pequeña parte del horno se

encuentra a temperaturas elevadas y puede por tanto, construirse a base de los

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refractarios más adecuados, y puesto que cada parte se encuentra a temperatura constante no se producen las expansiones y contracciones repetidas encontradas en otros hornos.

La principal desventaja del horno de túnel es el considerable desembolso de capital, no pudiendo hacerse por partes, al contrario que en varios tipos de hornos intermitentes.

INDUSTRIA DEL VIDRIO

Fabricación de vidrio

El vidrio se fabrica a partir de una mezcla compleja de compuestos vitrificantes, como sílice, fundentes, como los álcalis, y estabilizantes, como la cal. Estas materias primas se cargan en el horno de cubeta (de producción continua) por medio de una tolva. El horno se calienta con quemadores de gas o petróleo. La llama debe alcanzar una temperatura suficiente, y para ello el aire de combustión se calienta en unos recuperadores construidos con ladrillos refractarios antes de que llegue a los quemadores. El horno tiene dos recuperadores cuyas funciones cambian cada veinte minutos: uno se calienta por contacto con los gases ardientes mientras el otro proporciona el calor acumulado al aire de combustión. La mezcla se funde (zona de fusión) a unos 1.500 °C y avanza hacia la zona de enfriamiento, donde tiene lugar el recocido. En el otro extremo del horno se alcanza una temperatura de 1.200 a 800 °C. Al vidrio así obtenido se le da forma por laminación (como en el esquema superior) o por otro método.

Vidrio: sustancia amorfa fabricada sobre todo a partir de sílice (SiO2) fundida a altas temperaturas con boratos o fosfatos. El vidrio es una sustancia amorfa porque no es ni un sólido ni un líquido, sino que se halla en un estado vítreo en el que las unidades moleculares, aunque están dispuestas de forma desordenada, tienen suficiente cohesión para presentar rigidez mecánica. El vidrio se enfría hasta solidificarse sin que se produzca cristalización; el calentamiento puede devolverle su forma líquida. Suele ser transparente, pero también puede ser traslúcido u opaco. Su color varía según los ingredientes empleados en su fabricación. El vidrio fundido es maleable y se le puede dar forma mediante diversas técnicas. En frío, puede ser tallado. A bajas temperaturas es quebradizo. Se fabricó por primera vez antes del 2000 a.C., y desde entonces se ha empleado para fabricar recipientes de uso doméstico así como objetos decorativos y ornamentales, entre ellos joyas. Materiales y técnicas El ingrediente principal del vidrio es la sílice, obtenida a partir de arena, pedernal o cuarzo. Composición y propiedades

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La sílice se funde a temperaturas muy elevadas para formar vidrio. Como éste tiene un elevado punto de fusión y sufre poca contracción y dilatación con los cambios de temperatura, es adecuado para aparatos de laboratorio y objetos sometidos a choques térmicos (deformaciones debidas a cambios bruscos de temperatura), como los espejos de los telescopios. El vidrio es un mal conductor del calor y la electricidad, por lo que resulta práctico para el aislamiento térmico y eléctrico. En la mayoría de los vidrios, la sílice se combina con otras materias primas en distintas proporciones. Los fundentes alcalinos, por lo general carbonato de sodio o potasio, disminuyen el punto de fusión y la viscosidad de la sílice. La piedra caliza o la dolomita (carbonato de calcio y magnesio) actúa como estabilizante. Otros ingredientes, como el plomo o el bórax, proporcionan al vidrio determinadas propiedades físicas. Vidrio soluble y vidrio sodo-cálcico El vidrio de elevado contenido en sodio que puede disolverse en agua para formar un líquido viscoso se denomina vidrio soluble y se emplea como barniz ignífugo en ciertos objetos y como sellador. La mayor parte del vidrio producido presenta una elevada concentración de sodio y calcio en su composición; se conoce como vidrio sodo-cálcico y se utiliza para fabricar botellas, cristalerías de mesa, focos, vidrios de ventana y vidrios laminados. Vidrio al plomo El vidrio fino empleado para cristalerías de mesa y conocido como cristal es el resultado de fórmulas que combinan silicato de potasio con óxido de plomo. El vidrio al plomo es pesado y refracta más la luz, por lo que resulta apropiado para lentes o prismas y para bisutería. Como el plomo absorbe la radiación de alta energía, el vidrio al plomo se utiliza en pantallas para proteger al personal de las instalaciones nucleares. Vidrio de borosilicato Este vidrio contiene bórax entre sus ingredientes fundamentales, junto con sílice y álcali. Destaca por su durabilidad y resistencia a los ataques químicos y las altas temperaturas, por lo que se utiliza mucho en utensilios de cocina, aparatos de laboratorio y equipos para procesos químicos. Color Las impurezas en las materias primas afectan al color del vidrio. Para obtener una sustancia clara e incolora, los fabricantes añaden manganeso con el fin de eliminar los efectos de pequeñas cantidades de hierro que producen tonos verdes y pardos. El cristal puede colorearse disolviendo en él óxidos metálicos, sulfuros o seleniuros. Otros colorantes se dispersan en forma de partículas microscópicas. Ingredientes diversos Entre los componentes típicos del vidrio están los residuos de vidrio de composición similar, que potencian su fusión y homogeneización. A menudo se añaden elementos de afino, como arsénico o antimonio, para desprender pequeñas burbujas durante la fusión.

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Propiedades físicas Según su composición, algunos vidrios pueden fundir a temperaturas de sólo 500 °C; en cambio, otros necesitan 1.650 ºC. La resistencia a la tracción, que suele estar entre los 3.000 y 5.500 N/cm2, puede llegar a los 70.000 N/cm2 si el vidrio recibe un tratamiento especial. La densidad relativa (densidad con respecto al agua) va de 2 a 8, es decir, el vidrio puede ser más ligero que el aluminio o más pesado que el acero. Las propiedades ópticas y eléctricas también pueden variar mucho. Vidrio soplado Fabricación artesanal de recipientes de vidrio soplado. A la izquierda se aprecia una silla con un soporte para la caña de soplar. Conseguida la forma en bruto, se pellizca el material con unas pinzas para dar la forma final al vidrio fundido. Mezcla y fusión Después de una cuidadosa medida y preparación, las materias primas se mezclan y se someten a una fusión inicial antes de aplicarles todo el calor necesario para la vitrificación. En el pasado, la fusión se efectuaba en recipientes de arcilla (barro) que se calentaban en hornos alimentados con madera o carbón. Todavía hoy se utilizan recipientes de arcilla refractaria, que contienen entre 0,5 y 1,5 toneladas de vidrio, cuando se necesitan cantidades relativamente pequeñas de vidrio para trabajarlo a mano. En las industrias modernas, la mayor parte del vidrio se funde en grandes calderos, introducidos por primera vez en 1872. Estos calderos pueden contener más de 1.000 toneladas de vidrio y se calientan con gas, fuel-oil o electricidad. Las materias primas se introducen de forma continua por una abertura situada en un extremo del caldero y el vidrio fundido, afinado y templado, sale por el otro extremo. En unos grandes crisoles o cámaras de retención, el vidrio fundido se lleva a la temperatura a la que puede ser trabajado y, a continuación, la masa vítrea se transfiere a las máquinas de moldeo. Moldeado Los principales métodos empleados para moldear el vidrio son el colado, el soplado, el prensado, el estirado y el laminado. Todos estos procesos son antiguos pero han sufrido modificaciones para poder producir vidrio con fines industriales. Por ejemplo, se han desarrollado procesos de colado por centrifugado en los que el vidrio se fuerza contra las paredes de un molde que gira rápidamente, lo que permite obtener formas precisas de poco peso, como tubos de televisión. También se han desarrollado máquinas automáticas para soplar el vidrio. Vidrio tensionado Es posible añadir tensiones de modo artificial para dar resistencia a un artículo de vidrio. Como el vidrio se rompe como resultado de esfuerzos de tracción que se originan con un mínimo arañazo de la superficie, la compresión de ésta aumenta el esfuerzo de tracción que puede

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soportar el vidrio antes de que se produzca la ruptura. Un método llamado temple térmico comprime la superficie calentando el vidrio casi hasta el punto de reblandecimiento y enfriándolo rápidamente con un chorro de aire o por inmersión en un líquido. La superficie se endurece de inmediato, y la posterior contracción del interior del vidrio, que se enfría con más lentitud, tira de ella y la comprime. Con este método pueden obtenerse compresiones de superficie de hasta 24.000 N/cm2 en piezas gruesas de vidrio. También se han desarrollado métodos químicos de reforzamiento en los que se altera la composición o la estructura de la superficie del vidrio mediante intercambio iónico. Este método permite alcanzar una resistencia superior a los 70.000 N/cm2. Tipos de vidrio comercial La amplia gama de aplicaciones del vidrio ha hecho que se desarrollen numerosos tipos distintos. Vidrio de ventana El vidrio de ventana, que ya se empleaba en el siglo I d.C., se fabricaba utilizando moldes o soplando cilindros huecos que se cortaban y aplastaban para formar láminas. En el proceso de corona, técnica posterior, se soplaba un trozo de vidrio dándole forma de globo aplastado o corona. La varilla se fijaba al lado plano y se retiraba el tubo de soplado. La corona volvía a calentarse y se hacía girar con la varilla; el agujero dejado por el tubo se hacía más grande y el disco acababa formando una gran lámina circular. La varilla se partía, lo que dejaba una marca. En la actualidad, casi todo el vidrio de ventana se fabrica de forma mecánica estirándolo desde una piscina de vidrio fundido. En el proceso de Foucault, la lámina de vidrio se estira a través de un bloque refractario ranurado sumergido en la superficie de la piscina de este material y se lleva a un horno vertical de recocido, de donde sale para ser cortado en hojas. Vidrio de placa El vidrio de ventana normal producido por estiramiento no tiene un espesor uniforme, debido a la naturaleza del proceso de fabricación. Las variaciones de espesor distorsionan la imagen de los objetos vistos a través de una hoja de ese vidrio. El método tradicional de eliminar esos defectos ha sido emplear vidrio laminado bruñido y pulimentado, conocido como vidrio de placa. Éste se produjo por primera vez en Saint Gobain (Francia) en 1668, vertiendo vidrio en una mesa de hierro y aplanándolo con un rodillo. Después del recocido, la lámina se bruñía y pulimentaba por ambos lados. Hoy, el vidrio de placa se fabrica pasando el material vítreo de forma continua entre dobles rodillos situados en el extremo de un crisol que contiene el material fundido. Después de recocer la lámina en bruto, ambas caras son acabadas de forma continua y simultánea. En la actualidad, el bruñido y el pulimentado están siendo sustituidos por el proceso de vidrio flotante, más barato. En este proceso se forman superficies planas en ambas caras haciendo flotar una capa continua de vidrio sobre un baño de estaño fundido. La temperatura es tan alta

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que las imperfecciones superficiales se eliminan por el flujo del vidrio. La temperatura se hace descender poco a poco a medida que el material avanza por el baño de estaño y, al llegar al extremo, el vidrio pasa por un largo horno de recocido. En arquitectura se emplea vidrio laminado sin pulir, a menudo con superficies figurativas producidas por dibujos grabados en los rodillos. El vidrio de rejilla, que se fabrica introduciendo tela metálica en el vidrio fundido antes de pasar por los rodillos, no se astilla al recibir un golpe. El vidrio de seguridad, como el utilizado en los parabrisas de los automóviles o en los anteojos de seguridad, se obtiene tras la colocación de una lámina de plástico transparente (polivinilbutiral) entre dos láminas finas de vidrio de placa. El plástico se adhiere al vidrio y mantiene fijas las esquirlas incluso después de un fuerte impacto. Botellas y recipientes Las botellas, frascos y otros recipientes de vidrio se fabrican mediante un proceso automático que combina el prensado (para formar el extremo abierto) y el soplado (para formar el cuerpo hueco del recipiente). En una máquina típica para soplar botellas, se deja caer vidrio fundido en un molde estrecho invertido y se presiona con un chorro de aire hacia el extremo inferior del molde, que corresponde al cuello de la botella terminada. Después, un desviador desciende sobre la parte superior del molde, y un chorro de aire que viene desde abajo y pasa por el cuello da la primera forma a la botella. Esta botella a medio formar se sujeta por el cuello, se invierte y se pasa a un segundo molde de acabado, en la que otro chorro de aire le da sus dimensiones finales. En otro tipo de máquina que se utiliza para recipientes de boca ancha, se prensa el vidrio en un molde con un pistón antes de soplarlo en un molde de acabado. Los frascos de poco fondo, como los empleados para cosméticos, son prensados sin más. Vidrio óptico La mayoría de las lentes que se utilizan en gafas (anteojos), microscopios, telescopios, cámaras y otros instrumentos ópticos se fabrican con vidrio óptico. Éste se diferencia de los demás vidrios por su forma de desviar (refractar) la luz. La fabricación de vidrio óptico es un proceso delicado y exigente. Las materias primas deben tener una gran pureza, y hay que tener mucho cuidado para que no se introduzcan imperfecciones en el proceso de fabricación. Pequeñas burbujas de aire o inclusiones de materia no vitrificada pueden provocar distorsiones en la superficie de la lente. Las llamadas cuerdas, estrías causadas por la falta de homogeneidad química del vidrio, también pueden causar distorsiones importantes, y las tensiones en el vidrio debidas a un recocido imperfecto afectan también a las cualidades ópticas. En la antigüedad, el vidrio óptico se fundía en crisoles durante periodos prolongados, removiéndolo constantemente con una varilla refractaria. Después de un largo recocido, se partía en varios fragmentos; los mejores volvían a ser triturados, recalentados y prensados con la forma deseada. En los últimos años se ha adoptado un método para la fabricación continua

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de vidrio en tanques revestidos de platino, con agitadores en las cámaras cilíndricas de los extremos (llamadas homogeneizadores). Este proceso produce cantidades mayores de vidrio óptico, con menor costo y mayor calidad que el método anterior. Para las lentes sencillas se usa cada vez más el plástico en lugar del vidrio. Aunque no es tan duradero ni resistente al rayado como el vidrio, es fuerte y ligero y puede absorber tintes. Vidrio fotosensible En el vidrio fotosensible, los iones de oro o plata del material responden a la acción de la luz, de forma similar a lo que ocurre en una película fotográfica. Este vidrio se utiliza en procesos de impresión y reproducción, y su tratamiento térmico tras la exposición a la luz produce cambios permanentes. El vidrio fotocromático se oscurece al ser expuesto a la luz tras lo cual recupera su claridad original. Este comportamiento se debe a la acción de la luz sobre cristales diminutos de cloruro de plata o bromuro de plata distribuidos por todo el vidrio. Es muy utilizado en lentes o anteojos y en electrónica. Vitrocerámica En los vidrios que contienen determinados metales se produce una cristalización localizada al ser expuestos a radiación ultravioleta. Si se calientan a temperaturas elevadas, estos vidrios se convierten en vitrocerámica, que tiene una resistencia mecánica y unas propiedades de aislamiento eléctrico superiores a las del vidrio ordinario. Este tipo de cerámica se utiliza en la actualidad en utensilios de cocina, conos frontales de cohetes o ladrillos termo resistentes para recubrir naves espaciales. Otros vidrios que contienen metales o aleaciones pueden magnetizarse, son resistentes y flexibles y resultan muy útiles para transformadores eléctricos de alta eficiencia. Fibra de vidrio Es posible producir fibras de vidrio —que pueden tejerse como las fibras textiles— estirando vidrio fundido hasta diámetros inferiores a una centésima de milímetro. Se pueden producir tanto hilos multifilamento largos y continuos como fibras cortas de 25 ó 30 centímetros de largo. Una vez tejida para formar telas, la fibra de vidrio resulta ser un excelente material para cortinas y tapicería debido a su estabilidad química, solidez y resistencia al fuego y al agua. Los tejidos de fibra de vidrio, sola o en combinación con resinas, constituyen un aislamiento eléctrico excelente. Impregnando fibras de vidrio con plásticos se forma un tipo compuesto que combina la solidez y estabilidad química del vidrio con la resistencia al impacto del plástico. Otras fibras de vidrio muy útiles son las empleadas para transmitir señales ópticas en comunicaciones informáticas y telefónicas mediante la nueva tecnología de la fibra óptica, en rápido crecimiento.

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TEMA 8.-LA ENERGÍA EN LA INDUSTRIA QUÍMICA INTRODUCCIÓN

La idea de progreso va unida a la habilidad humana para concentrar y consumir energía. El hombre primitivo consumía 2400 kcal/ día, principalmente como alimentos, mientras que actualmente en zonas industrializadas el consumo es 100 veces mayor y gran parte de esta energía se obtiene y aplica en forma muy concentrada.

Cualquier transformación, sea biológica, física, química o nuclear, implica absorción o desprendimiento de energía. Estas transformaciones abarcan desde las forma más elementales de vida hasta las que tienen lugar a escala cósmica. La industria química consume grandes cantidades de energía, tanto eléctrica como térmica. La energía eléctrica generalmente se recibe de las compañías productoras de electricidad. La energía térmica se produce en las propias industrias. Por lo dicho, y por el persistente crecimiento demográfico, se comprende que la necesidades de energía en la Tierra aumentan sin cesar. El país que más consume energía es Estados Unidos -8 tep/año per cápita (1)-. RECURSOS ENERGÉTICOS TERRESTRES El Sol es la fuente de energía más importante del planeta y su relación con los recursos energéticos terrestres se indica en la figura 1.

Irradiación solar

El Sol es una estrella de mediana magnitud que se formó hace aproximadamente 5 .109 años por condensación de una bolsa de gas estelar y acción de la gravedad. La contracción aumentó su energía cinética y temperatura. El espectro energético que recibimos del Sol se corresponde con el de radiaciones electromagnéticas de cuerpo cuasi-negro a la temperatura de la superficie emisora, 6000 K, es decir, con radiaciones de longitud de onda comprendidas prácticamente entre 220-3200 nm.

Radiación

Las radiaciones pueden ser absorbidas, reflejadas, transmitidas y emitidas a la temperatura del cuerpo emisor.

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La potencia, constante solar, que llega al límite de la atmósfera terrestre es de 1,94 cal/ cm2 min ó 1,351 kW / m2.

La energía solar que llega a la zona exterior de la atmósfera es de 5,45 x 106 EJ/año, (1 EJ =1018 J), y se distribuye de la forma siguiente: -Olas y vientos: 0,18% de la energía inicial -Evaporación, agua y hielo: 22,8% -Fotosíntesis: 0,02% -Reflejada al espacio: 0,77% (47% en la zona del infrarrojo, 30% en la zona de onda corta)

La potencia recibida en la superficie de la Tierra o, mejor definida, el flujo energético, varía según las distintas zonas: Desierto Sahara, 260 W / m2; Polo, 34 W / m2. El valor medio en la Tierra es de 122 W / m2, del cual, aproximadamente el 50% corresponde al espectro visible. Energía térmica solar

Corresponde aproximadamente al 77 % (4,17.106 EJ / año) de la energía recibida del Sol. A efectos comparativos la energía primaria que se consumirá en la Tierra en el año 2000 será del orden de 4 .102 EJ / año. La energía térmica solar presenta las ventajas de no ser contaminante, y no ser limitada; y las desventajas de ser diluida, estacional, sin tecnologías en grandes instalaciones productoras y estar distribuida irregularmente en la superficie de la Tierra. El aprovechamiento del gran potencial energético de la energía solar que se pierde al espacio está orientado hoy en día en las líneas siguientes:

-Producción de energía térmica para acondicionamiento de locales y situaciones análogas. -Concentración de la energía radiante en forma de energía térmica a temperaturas de 300 a

400 °C. -Producción de energía eléctrica por efecto fotovoltaico.

La generación de calor a baja temperatura, para acondicionamiento de edificios, aire y agua es un problema de superficie y disposición de materiales adecuados. El fundamento es la absorción de la mayor parte del espectro solar en materiales con baja emisión en el infrarrojo y evitar las pérdidas de calor al exterior. El elemento principal es un colector enfriado por agua u otros refrigerantes que transporta el calor al foco frío. La eficacia del colector es elevada a estas temperaturas, la emisión en el infrarrojo es baja y los problemas de su aprovechamiento se trasladan a las necesidades y disposición de las superficies.

La generación de calor a temperaturas superiores, 300-400 °C, se realiza concentrando la energía solar por medio de heliostatos dirigidos a un colector común que se refrigera por metales líquidos, sales fundidas, o líquidos orgánicos tipo Dowtherm. Los problemas del colector aumentan, porque a las temperaturas de la superficie del colector, la emisión en el infrarrojo es mayor, y por otra parte, las superficies no deben degradarse y tienen que soportar

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las tensiones térmicas debidas a los cambios de temperatura en el colector por efectos de nubosidades pasajeras. El almacenamiento o uso de la energía solar plantea problemas de optimación y comparación con otros recursos energéticos. Con todo, el futuro es prometedor en aplicaciones y zonas específicas donde los precios de la energía son competitivos. El efecto fotovoltaico es la generación de una fuerza electromotriz por la absorción de energía radiante. Este efecto se produce en gases, líquidos y sólidos. En la práctica si el intervalo de temperatura se limita a 100-500 K y con semiconductores, pueden obtenerse voltajes de 1 a 3 V. El efecto fotovoltaico tiene dos etapas; en la primera, el fotón genera cargas positivas y negativas, y en la segunda, las cargas son separadas por el campo eléctrico que se forma en la interfase de cristales no homogéneos, células de silicio, cobre-cadmio-azufre, galio, arsénico y selenio. La absorción de fotones está controlada por las propiedades ópticas de los materiales y el rendimiento depende de varios factores: forma geométrica, conductividad, velocidad de recombinación y difusión de las cargas. El rendimiento máximo es del 20% y con materiales comerciales se alcanzan valores del 10%, que es posible aumentar elevando la calidad de los cristales. Además de cristales de uniones homogéneas, existen uniones metal- semiconductor, uniones heterogéneas de cristales y heterouniones policristalinas.

Energía de la fotosíntesis Los seres humanos consumen para su alimentación alrededor de 2400 kcal/día; 600 procedentes del reino animal y 1800 del reino vegetal. Un animal necesita del orden de 7 kcal de productos vegetales/kcal de producto animal. Sobre la base de 6 .109 habitantes el consumo de energía contenida en los alimentos es de 5,25. 1015 kcal/ año, lo cual, supone un 5% de la energía primaria consumida en el Planeta. Las plantas absorben energía del espectro de radiaciones solares que llega a la superficie terrestre por procesos fisicoquímicos en los que intervienen células con cloroplastos. La reacción global es de la forma:

CO2 + 4 H2O + 114 Kcal HCOH + 3 H2O + O2

Las 114 Kcal. son suministradas por cuantos de luz. Si ésta es roja, cada mol de fotones, 6,02 .1023, para la longitud de onda correspondiente producen 43,4 kcal, y el rendimiento, considerando 8 cuantos, vale 114/43,4.8 = 0,328.

Las plantas fotosintéticas tienen rendimientos del orden de un 1 a un 2% a causa del consumo de energía para la redistribución de materia y para los procesos de transpiración y respiración

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en la planta. Por otra parte, la reacción anterior indica la producción de O2 y la fijación de carbono. El O2 producido mantiene la concentración de este elemento en la atmósfera. La cantidad total de carbono fijado anualmente en la Tierra por fotosíntesis es del orden de 2 x 1011 toneladas; el 90% procede del CO2 próximo a la superficie de los mares, y el 10% próximo a tierra firme. El carbono total fijado es equivalente a 1,2 x 1018 kcal y si se tiene en cuenta que el consumo anual de energía primaria en la Tierra será de aproximadamente 1017 kcal, resulta que la energía aportada por la fotosíntesis es 12 veces superior.

CO2 + 4 H2O + 114 kcal HCOH + 3 H2O + O2

Energías hidráulica, eólica y de las mareas

Las energías de este grupo corresponden a los efectos de la energía solar en cambios de estado del agua, su acumulación en zonas de altura y océanos, movimiento del aire por efectos climáticos y rotación de la Tierra, así como los producidos por la presencia de la Luna, las mareas.

La energía hidráulica se relaciona con la producción de energía regulada por saltos de agua, sin olvidar los transportes por vía fluvial. Su potencial se evalúa por la cantidad de agua que se embalsa y por la diferencia de altura. La energía eólica procedente de la energía solar es de 104 EJ/año, de los cuales solamente una pequeña cantidad se considera como recurso energético probable. La distribución aleatoria de la velocidad del viento hace que solamente aquellas regiones en las cuales la velocidad del viento sea elevada, mayor de 4 m/s, sean consideradas como potenciales de energía. La densidad del aire disminuye con la altura y por encima de 2000 m existen problemas de heladas que dificultan el funcionamiento de las máquinas que se utilizan. La potencia que puede extraerse es función de la velocidad elevada al cubo y con la tecnología actual puede llegarse hasta 11 m/s. Las potencias máximas son de 4 MW /unidad.

La energía de las olas de zonas en mar abierto plantea dificultades por existir condiciones de trabajo duras a la par que el transporte de la energía se tiene que hacer a grandes distancias. Las mareas son consecuencia de la energía gravitatoria del sistema Tierra-SoI-Luna. Las condiciones necesarias de amplitud de las mareas y topografía de las costas limitan su potencial total a 0,06 TW.

Energías oceánicas, gradientes oceánicos

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Comprenden las relacionadas con los gradientes térmicos entre la superficie y las zonas de interior de los océanos y la extracción de combustibles para los futuros reactores nucleares de fusión. La energía de gradientes térmicos oceánicos se fundamenta en la diferencia de temperaturas entre la superficie, en zonas calientes -hasta 28 °C-, y la profundidad de los océanos, a 1000 m y 4 °C. Su aprovechamiento térmico exige ciclos termodinámicos abiertos o cerrados, de bajo rendimiento, 2-3%. Los caudales de agua son elevados, 5 m3/s. Los intercambiadores de calor constituyen el 50% del costo de inversión. La potencia máxima recuperable se estima en 150 MW. Las corrientes marinas han sido también motivo de estudio, pero los problemas ambientales dificultan su aprovechamiento. En los océanos existen materiales que de distintas maneras inciden en el campo de la energía: algas, sales, y entre ellos: uranio, agua pesada y litio son importantes como combustibles nucleares.

Combustibles nucleares de los océanos

El agua pesada y el litio están relacionados con los futuros reactores de fusión termonuclear controlados, y el uranio será tratado con los combustibles en el interior de la Tierra. El agua de los océanos, 2 .1018 toneladas, contiene 0,015% de agua pesada. Los recursos de litio son 2,5 .1014 Kg., de los cuales 1011 Kg. se hallan en los océanos.

Reacciones termonucleares de fusión controladas

Los núcleos de los elementos más ligeros del sistema periódico a temperaturas de 107 K pueden fusionarse dando elementos más pesados con gran desprendimiento de energía. Las reacciones de fusión conocidas son muchas, pero las posibilidades de temperaturas lo más bajas posible y cinéticas elevadas centran la atención en dos tipos: deuterio-deuterio (D-D) y deuterio-tritio (D- T) cuyas reacciones son:

1) D + D T (1 MeV) + p (3 MeV)1

2) D + D He3 (0,8 MeV) + n01 (14,1 MeV)

y para la reacción D-T

1) D + T α(3,5MeV) + n01 (14,1 MeV)

con las reacciones de reproducción de T

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a) Li6 + n01 α(4,8 MeV) + T b) Li7 + n01 α + T - n01 (2,5 MeV)

Recordemos que 1 eV = 10-19 J

La reacción D - T es la más favorable, su cinética es 400 veces superior y su temperatura inferior a la reacción D - D. Los combustibles o reactantes de la reacción D- T, son el deuterio y el tritio, y este último se obtiene por su reproducción a través del litio, que es el combustible controlante por ser menos abundante en la Tierra que el deuterio. El tritio es radiactivo, emisor beta, periodo de desintegración de 12,3 años y vida biológica de 12 días. Las cantidades de este isótopo en nuestro Planeta son del orden de centenas de kilogramos.

En estado de plasma termonuclear las velocidades de los núcleos son del orden de 1000 km/s y es necesario confinarlo, bien por la acción de potentes campos magnéticos sobre las cargas del plasma o por compresión elevada de un sólido y posterior calentamiento con láseres de gran potencia. Las reacciones de fusión termonuclear controlada se encuentran en fase de investigación. Los recursos energéticos de agua pesada se estiman en 5 .1030 J, lo cual equivale a energía prácticamente inagotable y precios del combustible muy bajos. Análogamente para el caso del litio, los recursos de este combustible se estiman en 6. 1028 J.

La Energía acumulada en el interior de la Tierra podemos resumirlas en dos grandes grupos:

a) Energía geotérmica. Almacenada en las rocas por procesos gravitatorios, fisicoquírnicos y nucleares. En forma de calor en sólidos o en agua caliente. b) Materias combustibles procedentes de la fotosíntesis, conocidos como combustibles clásicos, carbón, petróleo y gas natural. Materiales combustibles nucleares, almacenados en la Tierra desde la formación del Planeta: uranio, torio y litio.

b) Materias combustibles provenientes de la fotosíntesis, conocidos como combustibles clásicos, carbón, petróleo y gas natural. Materiales combustibles nucleares, almacenados en la Tierra desde la formación del Planeta: uranio, torio y litio.

Energía geotérmica

Los recursos geotérmicos son del orden de 4 .1022 J y se localizan en cinturones que cubren el 10% de la superficie terrestre. Se distinguen por su temperatura, tipos de rocas, y por la existencia de agua, líquida o vapor.

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Los rendimientos de los posibles ciclos termodinámicos son función de las temperaturas del agua. Se hallan instalados en el mundo, 4500 MWe en plantas de 3 a 12 MWe. La variación de características y zonas conducen al estudio de plantas normalizadas con posible eliminación de gases, CO2, S02, NH3, CH4 y caudales del orden de 10 a 150 kg/s. Los problemas se relacionan con el conocimiento de las zonas, crear mucha área si son rocas, salinidad del agua, materiales de la planta, destinos y uso de la energía obtenida.

Energía de fisiones nucleares Los combustibles nucleares comprenden principalmente uranio, torio y litio, que se encuentran también en el agua. Los dos primeros son radiactivos. En la naturaleza existen 63 isótopos radiactivos correspondientes a 29 elementos, de los cuales, 46 pertenecen a 12 elementos comprendidos entre talio y uranio y los 17 restantes entre potasio y platino. Los recursos razonablemente asegurados de uranio son del orden de 2 .106 toneladas y la misma cantidad de recursos estimados. Los recursos de torio son 0,6 .106 toneladas. El equivalente energético de estos materiales es función de su grado de aprovechamiento en los reactores nucleares de fisión. Hoy en día existen comercialmente los llamados reactores térmicos, y un reproductor rápido en Francia. Los reactores de torio no son comerciales. Si los recursos energéticos se evalúan por el contenido de U235 (0,72% en el uranio natural) y con una energía de 200 MeVl fisión, resultan 1,24. 1022 J, mientras que si se utiliza todo el uranio resultan 1,7. 1024 J. La realidad actual es que se aprovecha mejor el uranio-235 contenido en el uranio natural por la producción de plutonio en los reactores nucleares térmicos y no se quema todo el uranio-238 en los reactores reproductores rápidos.

La fisión nuclear fue descubierta en 1938 por el químico Otto Hanh, por análisis minucioso de los productos desprendidos al bombardear uranio con neutrones moderados y que anteriormente se habían estudiado sin resultados coherentes. Los isótopos radiactivos dan otros isótopos y partículas elementales, alfa, beta, neutrones y también radiaciones. Recíprocamente un isótopo, por concurso de partículas o radiaciones puede dar otro isótopo. En estas transformaciones se produce una energía muy superior a la de reacciones químicas más exotérmicas, y así como en las reacciones químicas existen otras reacciones en paralelo, también en los procesos nucleares pueden producirse distintas reacciones simultáneas. La cinética de las reacciones nucleares está determinada por las llamadas secciones eficaces, que se expresan en barnios (1 barnio =10-24 cm2) y son función de la energía adscrita a partículas o radiaciones. Así, con uranio natural y neutrones lentos o térmicos, 0,025 eV, sólo se fisiona el uranio 235, sección eficaz de 600 barnios. Si los neutrones son de 0,1 MeV, se produce fisión del uranio-235, sección eficaz de 3 barnios, y captura de neutrones por el uranio-238 que da uranio-239, el cual por transformaciones nucleares naturales acaba en plutonio-

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239. Análogamente, si los neutrones tienen energías de 1 MeV, se producen fisiones en el uranio-235 y el uranio-238 en la proporción de sus secciones eficaces. En un reactor nuclear, y en otras situaciones también, las partículas alfa, beta, neutrones y radiaciones, no son en general monoenergéticas, sino un espectro, y por lo tanto los productos que se forman dependen de la parte del espectro que interviene en la reacción.

Desde 1956, los reactores nucleares de fisión comerciales han evolucionado en tamaño y en el número de cada tipo de reactores. El aumento de tamaño, y por lo tanto de potencia, ha sido consecuencia de la mayor demanda de energía y disminución de coste por el cambio de escala. Los tipos de reactores comerciales se han mantenido desde el principio, pues sus conceptos básicos estaban respaldados por una fuerte experimentación, sólo posible en países muy desarrollados. Los reactores de uranio natural moderados y refrigerados por CO2 se desarrollaron en Francia e Inglaterra, y los de uranio natural moderados y refrigerados por D20 en Canadá. Ambos tipos de reactores presentan la ventaja de no necesitar uranio enriquecido, a la par que son buenos productores de plutonio. Estados Unidos disponía de plantas de separación de los isótopos de uranio y desarrolló los reactores de agua ligera en dos versiones: agua líquida a presión de 140 atm (PWR) y agua hirviente a 70 atm en ambos tipos con uranio enriquecido en 235U al 2-3%. La comercialización del uranio enriquecido abrió una batalla comercial que se decantó hacia los reactores de agua ligera. Las promesas de los reactores rápidos, que producen más combustible del que consumen, se retrasan. Los peligros de manejo del plutonio para otros fines, la actitud social hacia la energía nuclear y la necesidad de aumentar los sistemas de seguridad de los reactores, han retrasado los reactores rápidos comerciales, y sólo Francia en colaboración con otros países tiene en funcionamiento un reactor de este tipo de 1200 MWe.

Hoy en día existen proyectos de reactores avanzados, de menor potencia 600 MWe, con objeto de disminuir los tiempos de construcción, añadir sistemas de seguridad pasiva y modificaciones de los sistemas de control, y posiblemente suministrar agua o vapor a menores temperaturas. Estos tipos de reactores son también de agua ligera. Actualmente en el mundo hay 424 reactores nucleares que producen 3,2.105 MWe y otros 83 en construcción con una proporción muy elevada del tipo agua ligera.

Consumo de energía en la industria química

La energía se compra y vende, bien como energía eléctrica, bien como combustibles energéticos, y los países planifican distintas estrategias para asegurar la producción que exige la demanda de energía. Las grandes producciones de energía con centrales del orden de 1000

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MWe, exigen grandes inversiones y los tiempos de construcción son largos: 3 a 4 años para centrales de gas o fuel óil, 4 a 5 años para centrales carbón, y 8 a 10 años para las centrales nucleares.

En las centrales térmicas de combustibles clásicos el rendimiento es del orden 40%; en las centrales nucleares de agua ligera es del 32%, y en las nucleares refrigeradas por sodio del 45%. Cuando la energía térmica se utiliza directamente como tal, los rendimientos pueden ser elevados (80%).

Usos de la energía eléctrica en la industria química

Ventajas: Elevado rendimiento. Limpia Poco espacio Obtención de altas temperaturas Conversión a energía térmica a grandes presiones o vacíos Fácil de controlar Regímenes transitorios cortos Productos con pocas impurezas Balance de Energía

La energía es la capacidad que hay en un sistema para realizar transformaciones biofisicoquímicas en un proceso. En los procesos alimentarios la energía moviliza materiales y equipos con herramientas para obtener el producto final.

El Balance de energía se calcula por medio de la siguiente ecuación:

MATERIALES QUE ENTRAN A UN PROCESO=MATERIALES QUE SALEN DEL PROCESO Es decir:

CALOR ABSORVIDO O CEDIDO = CAMBIOS ENERGIA MECANICA + CAMBIOS DE ENTALPIA + ENERGIA PERDIDA

Otros conceptos que influyen en los cálculos: Calor específico: cantidad de calor que requiere una unidad de masa de una sustancia para aumentar la temperatura en un grado. Su valor está tabulado o se calcula empíricamente.

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Ecuaciones empíricas: son relaciones matemáticas obtenidas experimentalmente en función de la temperatura. Calor latente: cantidad de calor que requiere la unidad de masa de una sustancia para cambiar de una fase a otra. Su valor se encuentra tabulado en función de presión y de temperatura constante. Calor sensible: calor que se transfiere a una sustancia o mezcla de sustancias para producir un cambio de temperatura. Se calcula a través de cambios de energía interna o cambios de entalpia. Balance de Energía para Proceso Físico Se alimentan 1000 lb/h de vapor a 500° F y 250 psia a una pequeña turbina que se utiliza para generar electricidad. El vapor se descarga de la turbina con una calidad del 85% y presión de 14,7 psia. En estas condiciones la turbina desarrolla una potencia de 86,5 HP. Calcule las pérdidas de calor desde el sistema.

Tomar como Base de cálculo: 1 hora de trabajo de la turbina. Balance de Energía en la turbina:

Q + mH1 = W + mH2 ( 1 ) Para conocer las entalpías H1 y H2, se consultan en tablas las propiedades termodinámicas del vapor: H1 = 1264,7 BTU / lb a 500°F y 250 psia. (Vapor sobrecalentado)

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H2 = HX = HF + XFG a 14,7 psia (Agua saturada) H2 = 180,07 BTU / lb + 0,85 ( 970,3 ) BTU / lb H2 = 1004,8 BTU / lb Reemplazando en ( 1 ) Q = m (H2 - H1) + W Q = 1000 lb ( 1004,8 - 1264,7 ) BTU / lb + 220.099,25 BTU Q = - 39775,75 BTU / h Balance de Energía para Proceso Químico En una caldera de una planta de alimentos que produce vapor, se emplea metano (CH4) como combustible. En un experimento para comprobar la eficiencia de la combustión de la caldera, se quema CH4 con la cantidad teórica del aire para completar el proceso de combustión. Debido a fallas del experimento, la reacción no se completa pero el carbono del CH4 que se quema forma CO2. El metano se introduce a 25°C y el aire a 100°C. Los gases salen a 400°C. Entonces, ¿en qué porcentaje el metano logra reaccionar por cada gmol de CH4 utilizado en el experimento?

Base de cálculos: 1 gmol de CH4 Balances de materia: CH4 en A = 1 gmol

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CH4 que reacciona = X O2 requerido teóricamente según la estequiometría:

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

Oxígeno = x 1 gmol CH4= 2 gmol O2

O2 que entra = O2 teórico = 2 gmol

N2 que entra = 2 gmol O2 x = 7,52 gmol

O2 que reacciona = . X gmol CH4 = 2X gmol

CO2 formado = . X gmol CH4 = X gmol

H2O formada = . X gmol CH4 = 2X gmol

Balances de Energía:

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Reemplazando en la ecuación | 1 |

- 5.108,7 cal - 212.797,8 X cal + ( 22.444 X + 28.623,2 ) cal = 0 23.515,04 cal = 190.353,8 X cal X = 0,1235 ó 12,35%l

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TEMA 9.- EL PETRÓLEO y EL GAS NATURAL, MATERIAS PRIMAS PARA LA INDUSTRIA QUÍMICA

INTRODUCCIÓN La palabra petróleo significa " Aceite de piedra" o “Aceite de roca" y por tal nombre se entiende la mezcla de hidrocarburos saturados en estado sólido, líquido o gaseoso que se encuentran en yacimientos naturales. El petróleo ha sido la principal fuente de energía en este siglo. Hasta el año 1960, más del 55% de la demanda mundial de energía era cubierta por el petróleo. Hoy, a pesar de los grandes esfuerzos realizados para utilizar otras fuentes alternativas de energía, todavía el petróleo cubre casi el 40% de la demanda mundial de energía primaria. Sin embargo, la importancia del petróleo no reside solamente en sus aplicaciones energéticas, sino también en su utilización como materia prima para la síntesis de la mayoría de los productos químicos orgánicos y muchos inorgánicos. EVOLUCION DEL CONSUMO Y RESERVAS PETROLIFERAS La figura 1 muestra el perfil creciente del consumo de petróleo en nuestro siglo. Es evidente el vertiginoso aumento que se produjo desde 1900 hasta 1970 y la desaceleración que se produce a partir de 1973 debido a las alzas continuadas en los precios del crudo impuestas por la OPEP.

A efectos comerciales, se ha fijado la densidad media del petróleo bruto en 0,9 ti m3, y como el barril petrolero mide 158,9 litros, resulta que 1 tonelada de petróleo equivale a 7 barriles.

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Reservas de petróleo En los años 60 llegó a temerse que el petróleo se acabaría con el siglo XX. Sin embargo, en los últimos cuatro años se han descubierto nuevos yacimientos, y también las reservas de algunos en explotación se han revelado mucho mayores que lo que se estimó en un principio. El total de la reservas de petróleo según el Gil and gas journal se estimaron al 1 de enero de 1993 en 1002 billones de barriles (143 gigatoneladas). Tres cuartas partes de este total se encuentran en países miembros de la OPEP y más de la mitad se sitúan en sólo cuatro de los países del Oriente Medio -Arabia Saudí, Irak, Kuwait e Irán. Los cuatro están entre los varios países de la OPEP que han anunciado aumentos de las reservas en los últimos años. Las reservas de la antigua Unión Soviética y de la Europa Oriental se calculan en 59 mil millones de barriles, o sea un 6% del total mundial. Los países de la OCDE poseen sólo el 5% de las reservas probadas de la Tierra. De éstas, se encuentran en Estados Unidos (4,3 millones de t), Noruega (1,5 millones de t), Canadá (1 millón de t) y Reino Unido (0,5 millones de t). Como resultado del mayor conocimiento de los recursos de petróleo del globo, de los adelantos técnicos y del mayor esfuerzo en la conservación de energía durante los dos últimos decenios, las reservas probadas corresponden ahora a unos 43 años de abastecimiento a los niveles actuales de producción y consumo.

La Argentina extrae anualmente alrededor de 26 millones de m3 de petróleo. No es una gran producción puesto que no llega al 1% del total mundial pero ha bastado para el autoabastecimiento. Desde 1984 no se importa crudo, excepto en 1987. El factor decisivo ha sido la suplantación de combustibles líquidos por el gas natural. También contribuyó la disminución del consumo per cápita de naftas, cuyo precio se incrementó notablemente en 1988, debido a la aplicación de gravámenes.

Desde fines del siglo pasado se tenía conocimiento de la existencia de petróleo en el subsuelo argentino. Incipientes trabajos en Mendoza y Salta fracasaron. En 1907, mientras se buscaba agua potable para Comodoro Rivadavia (Chubut), surgió accidentalmente petróleo. Subsiguientemente se descubrieron otras cuencas obligando a la creación de una repartición estatal: Yacimientos Petrolíferos Fiscales (Y.P.F.) que hoy está casi totalmente en manos privadas.

Las cuencas petrolíferas actuales son cinco: • Cuenca patagónica:

Se extiende alrededor de Comodoro Rivadavia (Chubut) y comprende Pico Truncado y Cañadón Seco, en el norte de Santa Cruz. Produce el 45% del total.

• Cuenca mendocina:

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Principalmente en Barrancas y La Ventana pues el distrito inicial: Tupungato, está casi agotado. Aporta el 25% del total pero con los yacimientos de Malargue superará dicho porcentaje. Como provincia, Mendoza es la primera productora del país.

• Cuenca neuquina: El 20% se reparte entre Plaza Huincul (Neuquén) y otra zona más al norte, que llega a

Catriel (Río Negro) y Medanito (La Pampa). • Cuenca salteña:

Promisorios hace treinta años, Tartagal, Madrejones y Campo Durán se han estancado y Caimancito (Jujuy) está en vías de extinción.

• Cuenca austral: Situada a ambas márgenes del estrecho de Magallanes: El Cóndor y Cerro Redondo, en Santa Cruz, y la bahía de San Sebastián, en Tierra del Fuego y probablemente en las inmediaciones de las Islas Malvinas. ORIGEN DEL PETRÓLEO De entre todas las hipótesis que han tratado de explicar el origen del petróleo la mejor confirmada es la que le atribuye un origen orgánico. Desde hace millones de años la flora marina (fitoplancton) convierte el di óxido de carbono en materia vegetal de la que se alimentan innumerables microanimales marinos (zooplancton), en un proceso similar al que ocurre hoy en día. Al morir, los restos de las sucesivas generaciones de este plancton se depositaron en el fondo de los mares y se mezclaron con sedimentos arenosos. Esta materia orgánica inició, bajo presión y por la acción de bacterias anaerobias, un lento proceso de descomposición que dio origen al petróleo. Movimientos geológicos posteriores permitieron escapar del lecho originario al petróleo formado y emigrar a lo largo de capas permeables, encajadas entre otras impermeables; finalmente el petróleo quedó retenido en fallas, anticlinales u otros accidentes de la roca porosa (Fig. 2). Se explica así que el petróleo se halle generalmente acompañado de agua salada y que tenga poder rotatorio y pequeñas cantidades de azufre y nitrógeno (de las proteínas). Una descomposición análoga, con menos presión y con bacterias diferentes, es la que ha dado lugar a la formación del carbón, a partir de la materia orgánica vegetal. CONSTITUCIÓN y CARACTERIZACIÓN DEL ACEITE PETROLÍFERO El aceite petrolífero está constituido por hidrocarburos, desde el metano –C1 según la forma de expresión petrolera- hasta especies complejas, tipo C40 y aún más altas, que no pueden destilarse sin descomposición. Una composición media elemental puede ser: 85% C, 12% H, 3% (S + O + N) y varios elementos metálicos.

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Fig. 2. Situación de los yacimientos de petróleo

veces el yacimiento sólo contiene gas (gas natural), es decir, hidrocarburos gaseosos (C1 -

pañan, en ocasiones, cantidades importantes de otros gases

ndos, sólo contienen hidrocarburos de gran

s están representadas funcionalmente las siguientes

ifícil clasificar

ad y enorme número de especies presentes en el petróleo obliga a considerarlo e

AC4) con pequeñas cantidades de otros líquidos (C5 –C6) vaporizados, como por ejemplo los de Groeningen y Delf, en Holanda. A la parte hidrocarburada la acom(18% SH2, en Lacq, Francia; 90% CO2, en California, Méjico; 80% N, en Kansas, Estados Unidos; 7% HC, en Colorado, Estados Unidos). Otros yacimientos, generalmente menos profunúmero de átomos de carbono, ya que al aflorar el crudo de forma natural a la superficie se evaporan sus fracciones más ligeras. Es el caso del famoso lago asfáltico en la Isla Trinidad, en las Antillas. Lo más corriente es que los depósitos sean mezclas de líquidos, sólidos y gases. La identificación de especies es posible en las fracciones más ligeras. A partir del término 8-10ya es más difícil por la presencia de muchos isómeros y estructuras complejas. Puede decirse que se han utilizado todas las técnicas físicas y químicas conocidas para identificar y separar las especies contenidas en el petróleo. Entre los componentes hidrocarburadoseries: parafínica lineal (parafinas), ramificada (isoparafinas), ciclada (naftenos), aromática (benceno, naftaleno, etc.) y mixta, en la que se incluyen las especies complejas. Salvo los primeros términos (metano a hexano, ciclohexano, benceno) es dquímicamente una fracción petrolífera, pues su composición responde principalmente a especies mixtas. Por ejemplo, el etiltetrahidronaftaleno tiene un 50% de carbonos aromáticos, un 33,3% de nafténicos y un 16,7% de parafínicos. Por tanto no hay por qué incluirlo en una u otra serie. La complejidcomo un conjunto de fracciones, más que de especies, entendiendo por tales las partes en quprácticamente puede dividirse el petróleo en razón de la distinta volatilidad de los diferentes hidrocarburos que lo componen.

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Los compuestos oxigenados del petróleo están representados principalmente por fenoles y ácidos alifáticos y, en particular, por funciones ácidas como los ácidos nafténicos (ácidos de alcohilcicloparafinas). No se dan en proporciones superiores al 0,06% del petróleo bruto. Los compuestos nitrogenados existen como máximo en proporción de un 0,5%. Se trata de bases orgánicas, como la piridina y sus análogos y derivados. Los compuestos de azufre son de gran significación, no sólo por su cantidad (de 0,5 a 5%) sino por la corrosividad, olor y otras propiedades indeseables que comunican a las fracciones petrolíferas, que obligan a una depuración -refino--. EXPLOTACIÓN DEL PETRÓLEO El petróleo, tal como se encuentra en las profundidades de la Tierra, no tiene prácticamente ninguna utilidad. El inestimable valor que posee lo va adquiriendo a través de las fases de su explotación industrial, que se enumeran a continuación:

1. Prospección o estudio geológico del terreno y del subsuelo 2. Sondeo o perforación de la tierra para encontrarlo 3. Extracción una vez localizado el yacimiento

4. Transporte por vía marítima (petroleros) o por vía terrestre (oleoducto) a miles de kilómetros de distancia

5. Refino en instalaciones de complejidad creciente para obtener los productos de consumo 6. Petroleoquímica. Transformación química en miles de productos derivados, como plásticos, abonos, caucho, fibras, detergentes, etc. En la jerga petrolera la expresión upstream comprende todas las operaciones previas al momento en que el crudo se entrega a las refinerías (1-4). Todo lo demás, es decir, refinación (5), procesos petroquímicos (6), y comercialización constituyen la fase denominada downstream.

Prospección En una prospección se combinan dos tipos de estudios: Geológicos y geofísicos. Los estudios geológicos comienzan con la observación del terreno, que puede revelar mucho de la geología del subsuelo. Por ejemplo, a los exploradores siempre les interesa hallar fallas o anticlinales, accidentes geológicos que a menudo crean trampas estructurales en la roca almacén. El alcance de la prospección visual puede aumentar enormemente con la fotografía aérea, que permite que un observador explore varios kilómetros cuadrados de una sola mirada. Un avance mayor ha sido el desarrollo de las imágenes por satélite. Los estudios geofísicos pueden ser de tipo gravimétrico, magnético o sísmico. Con la ayuda del gravímetro, instrumento cuyo funcionamiento se basa en el principio de la plomada, los geofísicos miden variaciones mínimas de la gravedad en la zona que se estudia. El gravímetro, que mide en miligales (un miligal es la millonésima parte de la fuerza de la gravedad al nivel del

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mar), detecta la presencia de rocas duras o blandas más o menos cerca de la superficie del suelo. Reuniendo luego estos datos, los geofísicos determinan la presencia de rocas porosas poco densas que podrían albergar petróleo. Quizás el sistema geofísico más usado actualmente para el estudio del subsuelo es el método sísmico, basado en el registro del eco del sonido: Una onda sísmica, creada artificialmente mediante una explosión por un geótono, se propaga por el subsuelo y al ir atravesando los diversos terrenos sufre una serie de refracciones que serán parcialmente reflejadas por ciertos estratos de rocas. Las ondas emitidas se recogen en sismógrafos muy sensibles situados en la superficie. La velocidad de propagación de las ondas depende de la estructura del terreno, de la existencia de capas duras y de su profundidad.

Sondeo y extracción Cuando los estudios geológicos y geofísicos han acusado una localización positiva de petróleo, se procede a perforar pozos de evaluación para determinar la extensión del yacimiento, posición de las capas de agua salada y gas y el espesor, porosidad y permeabilidad de la roca madre. Son muchas las perforaciones preliminares pero sólo 1 de cada 50 suele resultar satisfactoria. Las bolsas de petróleo no son lagos subterráneos de petróleo, sino estratos de rocas porosas impregnadas de petróleo, gas yagua salada, análogamente a como un líquido se empapa en una esponja. Antes de comenzar la perforación se instala la torre o Derrik, andamiaje de acero donde se sujeta la perforadora, en cuya cabeza está la barrena o trépano de perforación, que consta de tres conos móviles con dientes de acero reforzado, fijados a menudo con carburo de wolframio. Para rocas muy duras se utilizan puntas de diamante. La perforadora no ataca la roca "en seco". A medida que la barrena perfora, poderosas bombas inyectan un flujo continuo de barro (Iodos de perforación) formados por una mezcla de arcillas, taninos, bartina y féculas. El papel de los Iodos no es solamente humidificar la roca sino también enfriar la barrena y arrastrar cuando la corriente de lodo retorna hacia arriba, los fragmentos de roca cortados por la barrena. Cuando se decide poner en producción un pozo, se retira la torre y se instala un conjunto de tubos y válvulas, comúnmente llamado árbol de Navidad (árbol de conexiones), que cierra la cabeza del pozo. Este árbol controla el paso del petróleo desde el pozo, a través de una tubería, a una estación colectora a la cual llega el petróleo de varios pozos. El petróleo crudo se separa del agua y de los sólidos interpuestos canalizando la corriente por un recipiente de tipo ciclónico, por ejemplo. A veces es necesario también eliminar los gases disueltos a saturación que contiene, pues hacen peligroso y difícil el transporte y ocasionan pérdidas. Esta operación se llama estabilización.

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La figura 3 es un esquema del proceso de estabilización que utiliza dos columnas a distintas sobrepresiones. La parte volátil separada por la primera columna se recomprime (de 3 a 15 atm), antes de pasarla a la segunda, para aumentar el rendimiento en producto líquido. Los yacimientos de petróleo no se encuentran sólo en tierra firme, también hay petróleo bajo el mar. La plataforma continental, esa zona de pendiente suave que normalmente va de cero a doscientos metros de profundidad, es a menudo rica en estructuras petrolíferas. La perforación marina presenta problemas adicionales, ya que los equipos de perforación han de mantenerse firmes aún con fuerte viento y grandes olas.

Transporte Para transportar el petróleo se utilizan dos medios de transporte: gigantescos barcos petroleros y oleoductos de caudal continuo. El movimiento del petróleo y sus productos es la mayor operación de transporte que se haya realizado jamás. En cualquier momento, más de la mitad de la carga que cruza los océanos es de petróleo. Con cinco millones de toneladas de petróleo transportándose diariamente a través de los mares, el riesgo de contaminación marina es muy grave y llega a límites alarmantes. Por eso en 1954 se creó la Convención Internacional para la Prevención de la Contaminación del Mar por el petróleo. Con las medidas adoptadas por éste y otros organismos similares se ha conseguido disminuir los vertidos de petróleo al mar, al menos en un 50%.

Fig. 3. Estabilización del petróleo

Los vertidos al mar pueden deberse a accidentes de petroleros, pero una gran parte se debe a las operaciones de limpieza y deslastre de los tanques. Cuando el petróleo se descarga, un 1%

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de la carga total queda adherido a las paredes de los tanques; así, en un petrolero de 500000 t esta cantidad puede pasar de 1000 t. Hoy en día, la limpieza de tanques se hace por el sistema de " carga encima " que consiste en no bombear el agua de los lavados directamente al mar, sino a un tanque de residuos donde se deja reposar para separar el petróleo que sebrenada, bombeándose de vuelta al mar sólo la fracción acuosa, y dejando en el tanque el petróleo sobrenadante, encima del cual irá la nueva carga. La legislación internacional prohíbe hacer todas las operaciones de lavado a menos de 50 millas de la costa.

El refino

Las operaciones downstream comienzan con el refino, término éste que, por extensión, se aplica a todos los procesos que se llevan a cabo en las refinerías. El bruto estabilizado se elabora en la refinería de acuerdo con el destino que se fije para los productos, destino que depende también de la constitución molecular, o sea, de lo que se llama base del crudo. El trabajo de la refinería tiene cuatro objetivos básicos: a) Separar el crudo en las distintas fracciones de acuerdo con las necesidades del mercado (gasolinas, gas óleo, etc.) mediante la destilación fraccionada o fraccionamiento del crudo. b) Convertir las fracciones de menor demanda en el mercado en otras de mayor demanda, fundamentalmente gasolinas, mediante la ruptura térmica o catalítica, craqueo. c) Modificar las estructuras de las cadenas carbonadas de las gasolinas para elevar su calidad carburante mediante el reformado. d) Depurar los productos obtenidos eliminando los compuestos indeseables (tiocompuestos, etc.) mediante una operación que constituye el refino final.

Fraccionamiento del crudo

En su forma más general, el fraccionamiento se practica en instalaciones como la de la figura 4 en las que se obtienen las fracciones que se indican en la tabla 2. En estas instalaciones el crudo se calienta en una retorta tubular y se alimenta así la columna primera, cuya fracción de cabeza da el gas y la gasolina. En sendas corrientes laterales extraídas de la columna, se rectifican las fracciones de queroseno y gas óleo, quedando como residuo o cola un producto que a su vez se fracciona seguidamente en un sistema análogo, pero que trabaja a vacío o por arrastre con vapor de agua para evitar la descomposición térmica de especies que hierven a más de 320 °C; con ello se obtienen nuevas cantidades de gasóleo, unas fracciones centrales (de las que suelen extraerse productos lubricantes) y un residuo que se emplea como combustible (mazut) o para revestir las carreteras (asfalto) cuando no puede aprovecharse también para lubricantes. Las fracciones usuales que se separan del crudo se reseñan en la tabla 2 por orden de volatilidad decreciente. Este esquema general puede alterarse según las necesidades del mercado y de acuerdo con la naturaleza del crudo.

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Procesos de conversión. Craqueo

Normalmente, la proporción de gasolina que puede sacarse de un crudo no es tan elevada como fuera de desear, pues el principal cliente de la refinería es el motor de gasolina. Por otra parte, las proporciones de productos pesados son mayores de lo que normalmente pide el mercado ya que el gas natural, la energía nuclear y el carbón han ido sustituyendo por motivos económicos al fuel-oil para uso doméstico e industrial y para la generación de electricidad.

Por ende, las refinerías han ido adaptándose para producir cada vez mayor porcentaje de fracciones ligeras, que son los productos más valiosos del barril de crudo. De la refinería que hada simplemente el fraccionamiento del crudo por destilación atmosférica o al vado se ha pasado primero a la refinería más compleja que convierte por vía craqueo térmico, catalítico o hidrocraqueo las fracciones pesadas de la destilación al vado en fracciones ligeras, y por último a las refinerías que utilizan procesos de conversión más profundos, consiguiendo así un barril más "blanco" .

El craqueo térmico Consiste en la ruptura de las cadenas carbonadas por la acción del calor (400-650 °C). Las cadenas se rompen, deshidrogenan o polimerizan produciendo parafinas más cortas, olefinas, naftenos o aromáticos, según los casos.

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La ruptura de la cadena se produce por la escisión homolítica de un enlace de un par de electrones. Los radicales libres formados son muy reactivos y pueden evolucionar de

diferentes maneras. En principio, la ruptura de un hidrocarburo da lugar a una nueva parafina más corta y a una olefina.

C12H26 C6H14 + C6H12 + Qcal parafina olefina

Si la temperatura es suficientemente alta, al craqueo de la molécula original le sigue el de los productos, hasta que en definitiva se obtendría carbono e hidrógeno, que son los productos finales del craqueo a fondo. Cabe considerar dos aspectos de interés para prever el resultado del craqueo: -Conocimiento de la dependencia entre la energía libre de formación de un HC -identificado por su número de átomos de carbono- y la temperatura -Sensibilidad de las distintas uniones atómicas que forman los HC, juzgadas a través de las energías necesarias para la rotura de cada una de ellas. La energía libre de formación, en la serie parafínica lineal, viene dada por:

ΔF = 18 700 -500n -26,9T -1,0nT en la que n = número de átomos de carbono y T = temperatura absoluta. Tanto más negativo será ΔF cuanto mayor sea n, para cada temperatura. El análisis de esta fórmula indica también que para un n determinado hay una T mínima que deberá alcanzarse para que el craqueo sea termodinámicamente posible. El craqueo térmico en la práctica

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De acuerdo con lo dicho, la realización del craqueo obligará a calentar la fracción tratada a una temperatura determinada y de la forma más homogénea posible, y luego separar las fracciones originadas de acuerdo con su volatilidad. Estas operaciones habrán de ser continuas, dada la alta escala en que han de efectuarse. En la figura 7 se representa, muy simplificada, una instalación de craqueo muy clásica

Figura 7 Craqueo térmico. (Las cifras representan cantidades en peso). El aceite a craquear -una fracción pesada, por supuesto- se alimenta a través de la columna de separación para ayudar a ésta en su efecto extractivo. Impulsado por una bomba de circulación y compresión, pasa a la retorta tubular calentada por combustión de los aceites residuales. El producto craqueado en la retorta pasa a una cámara de reacción para lograr el tiempo de residencia adecuado y por último los productos finales sufren expansión (flash) en la que se

separa la parte residual más pesada destinada a combustible y las fracciones más volátiles se rectifican en una columna de platos, a cuyo fondo va el aceite parcialmente craqueado que se recircula a la retorta junto con la alimentación, y sus produc os de cabeza (gases y gasolina) se separan posteriormente, por condensación.

t

Pieza esencial del proceso es la retorta tubular .Está formada por una sección de tubería de acero refractario, que se calienta exteriormente, por convección y radiación, mediante la llama y gases de la combustión

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del combustible. A pesar de la elevada turbulencia con que fluye el aceite por su interior, es inevitable un cierto gradiente de temperatura al que se debe en buena parte la heterogenenidad de los productos del craqueo. Con el tiempo, las paredes tubulares interiores se recubren de coque, que se elimina por combustión -gasificación con aire-- vapor de agua. Esto obliga a interrumpir el trabajo y para evitar estas paradas se ideó el método Thermofor que utiliza un sólido cerámico, en bolas, como vehículo de transmisión de calor (Fig. 8). Fig. 8.Craqueo con transmisión indirecta de calor. Sistema Thermofor

Fig. 9. Transformación de la materia prima en función de la intensidad de craqueo. El craqueo se practica en fase líquida o en fase vapor. Ello depende de la volatilidad del aceite tratado y de la presión y temperatura de trabajo. Las condiciones más corrientes de fase líquida (preferentemente para tratar aceites pesados) es de unos 450 °C y 10-80 atm. En fase vapor (así se tratan gas óleo ligeros y querosenos) las temperaturas son algo más altas, 500 °C o más y la presión nunca llega a las 4-5 atm. La proporción de la carga que se transforma en gasolina varía con la temperatura y el tiempo. Dentro de ciertos límites, el producto de ambos factores define la intensidad del tratamiento. En la figura 9 se recoge un ejemplo de composición de los productos en función de dicha intensidad. En la figura 9 el máximo rendimiento en gasolinas se produce hacia la intensidad A. La composición del producto craqueado es 16% aceite a medio craquear, 45% gasolina, 20% gases, 11% alquitrán (residuo), 8% coque; son las relaciones de las ordenadas de cada campo respecto a la total.

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El rendimiento en gasolina llega a veces al 75-80%. En los productos, gases incluso, abundan los compuestos olefínicos, como era de suponer . Cuando se trabaja a elevada presión disminuye la proporción de gases, por estar favorecida la polimerización de las olefinas gaseosas, muy reactivas, y las gasolinas obtenidas tienen mayor proporción de productos ramificados formados por alcohilación a expensas de las olefinas gaseosas y cicloparafinas originadas por isomerización. En condiciones extremas puede haber ciclación y posterior deshidrogenación, formándose productos aromáticos. En las refinerías modernas el craqueo térmico ha quedado desplazado por el craqueo catalítico. Sigue utilizándose fundamentalmente para tres objetivos: .Visbreaking o reducción de la viscosidad de los residuos pesados de la destilación atmosférica o al vacío. .Producción térmica de gas óleo. .Coquización, para aprovechar al máximo las partes volátiles. Para obtener el máximo rendimiento en gas óleo, después de efectuar el "visbreaking" se someten los destilados a un doble fraccionamiento y las fracciones pesadas a un craqueo térmico a mayor temperatura y presión (500 ºC, 20-25 bares). La coquización es un craqueo térmico más profundo que los dos anteriores. El objeto de esta operación es que el residuo quede tan pobre en hidrógeno que se forme coque, pero el coque no se produce en el horno, si no en grandes cámaras de coquización a la salida de aquél; estas cámaras tienen una capacidad de 500 a 1500 m3 con objeto de retener la producción de coque de un día. La temperatura en las cámaras de coquización es de 400-500 ºC y la presión de 2-3 bares. Las cámaras trabajan alternativamente de forma que mientras una se llena otra se vacía. El craqueo catalítico Las operaciones de craqueo térmico se han perfeccionado con el empleo de catalizadores que han permitido disminuir las temperaturas y las presiones y mejorar el rendimiento en gasolina, aumentando asimismo su calidad carburante al producir una mayor ramificación en las cadenas. La diferencia fundamental entre las reacciones de craqueo térmico y catalítico es que las primeras se producen a través de un mecanismo de radicales libres y las segundas mediante la producción de carbocationes producidos por la adición de catalizador. (Un carbocatión es un ion que contiene un átomo de carbono con un sexteto de electrones en lugar del octeto habitual y, por lo tanto, carga positiva.) Los catalizadores empleados pueden ser dadores de H+ -tipo Acidos de Bronsted- o transportadores de electrones -tipo Acidos de Lewis (AICI3)-. En ambos casos el catalizador inducirá la polarización de los electrones π del doble enlace de un alqueno, comenzando así la reacción. Por tanto para este tipo de reacciones será imprescindible la presencia de cadenas insaturadas. Las fracciones de destilación directa no suelen contener olefinas, los dobles

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enlaces necesarios para esta reacción se crean por reacciones laterales de craqueo térmico que se producen debido a la temperatura a que se lleva a cabo la reacción catalítica. a) Separar las fracciones de parafina cérea contenida en las fracciones pesadas de los crudos paraflnicos, para evitar que la presencia de estos compuestos tan fácilmente congelables perjudique la fluidez del lubricante. La operación se llama desparafinado. b) Separar las materias asfálticas contenidas en los aceites pesados de los crudos asfálticos, para evitar la aparición de residuos sólidos -asfaltos- en los aceites lubricantes de este origen. La operación se llama desasfaltado. c) Fraccionar los aceites lubricantes eliminando de ellos -aparte la parafina cérea y los asfaltos, si es el caso, aquellos hidrocarburos, como los muy aromáticos, que no son aptos para la lubricación. La operación se llama refino por extracción con disolventes. El desparafinado se realiza por enfriamiento directo de la fracción y filtración o centrifugación de la parafina cristalizada. La viscosidad de estas fracciones aconseja por lo general incorporar un disolvente volátil -propano, metiletilcetona- que aporte fluidez y con ello facilidad para que cristalice bien la parafina y sea fácilmente filtrable. Después se recupera el disolvente por destilación. El desasfaltado se realiza también por adición de un disolvente de la fracción hidrocarbonada, pero que no disuelve a los asfaltos. El más utilizado es el propano líquido. Los asfaltos están dispersos coloidalmente en la fracción, protegidos por las resinas; el propano disuelve a éstas, lo que hace que las materias asfálticas precipiten. Una vez separadas, se recupera el disolvente. La extracción con disolventes (sistema líquido-líquido) se aplica a las fracciones pesadas mixtas. El disolvente, inmiscible en el mayor grado posible, disuelve preferentemente las especies de carácter muy aromático y nafténico, y menos a las de mayor carácter parafínico que son las preferidas para la lubricación. Separadas las capas, se recupera por destilación el disolvente contenido en la capa de "extracto" -y en la de "refinado"-. El extracto, por su naturaleza, se presta a obtener gasolinas aromáticas, por craqueo, o se destina a aceite combustible (fuelóleo). Como disolventes se emplean el 502 licuado, el furfural, el fenol, la mezcla fenol-propano (Duosol), etcétera. El orden en que se practican las tres operaciones comentadas suele ser: desasfaltado, extracción por disolventes y desparafinado. No siempre se necesita el triple tratamiento. La decoloración por adsorción con tierras activadas y subsiguiente filtración o centrifugación se emplea mucho para preparar lubricantes y también para eliminar de las gasolinas componentes muy reactivos, como olefinas y compuestos de azufre presentes en pequeña proporción.

LOS PRODUCTOS DE LA REFINERÍA

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Los gases Como se habrá podido apreciar, hay dos tipos de gases: los directos, que proceden de la estabilización y del fraccionamiento, y los de craqueo. La diferencia esencial entre unos y otros es que los primeros son saturados y no tienen H2 libre, y los segundos son ricos en olefinas e hidrógeno.

Figura 12 Polimerización catalítica de gases a gasolinas

Los directos se emplean: -Por su poder calorífico elevado, para producir vapor y / o energía eléctrica. -Para el consumo doméstico en forma líquida, en botellas a presión (butano). -Para obtener H2 o H2 + CO (gas de síntesis) por craqueo al vapor. -Para ser craqueados y transformados en olefinas e, incluso, en acetileno, como se verá al estudiar la Petroleoquímica (importante rama de la Industria química que utiliza como materias primas los derivados inmediatos del petróleo). Las olefinas o gases de craqueo se emplean, a su vez: -Para convertirlas en gasolinas, por reversión. La figura 12 es un esquema del tratamiento de polimerización catalítica en el que la catálisis se efectúa en el interior de varios tubos en paralelo-serie, refrigerados por agua; el vapor formado sirve para precalentar la alimentación. -Para alquilar parafinas y obtener alquilatos para adicionar a las gasolinas. -Para síntesis químicas variadísimas, previa separación de las especies que interesen (etileno, propileno, butileno, isopreno, etc.), como se verá en Petroleoquímica. Las gasolinas

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Se recordará que en la refinería se manejan varios tipos de gasolina: la ligera, producida en la estabilización; la directa, que se obtiene en el fraccionamiento; la de craqueo y reformado y las de reversión gaseosa. Tres condiciones principales deben reunir toda gasolina para su buen rendimiento en el motor de explosión: a) Volatilidad adecuada para asegurar buena carburación, es decir, una buena mezcla con el aire y, con ello, el buen arranque, la buena distribución en los cilindros, la ausencia de dilución en el aceite del cárter de los restos no quemados y la apropiada presión de vapor para evitar la formación de tapones de vapor. . b) Constitución química adecuada para evitar la detonación del vapor de gasolina en el cilindro. c) Ausencia de compuestos corrosivos (S en diversas formas) y otros, como las poliolefinas, que con el tiempo o el uso se resinifican y producen polímeros gomosos. La volatilidad

Figura 13 Curva de destilación de una gasolina La condición a) se consigue mediante un corte adecuado en el fraccionamiento del petróleo, e incluso mezclando gasolinas de distinta volatilidad. Para determinar la volatilidad y con ella el posible comportamiento de la gasolina al respecto, se determina en el laboratorio su curva de destilación (Fig. 13) que se traza representando las temperaturas leídas en el termómetro del aparato destilador en función de los volúmenes de destilado recogidos. Se parte de 100 cm3. El ensayo está normalizado. Trazada la curva, por interpolación se leen las temperaturas a las que ha destilado el 20%, el 70% y el 90%. El primer dato indica la facilidad de arranque, tanto mayor cuanto menor sea la temperatura; la segunda -punto de rocío- tiene análoga interpretación en lo que se refiere a la buena distribución de la gasolina en los cilindros del motor; la tercera representa la mayor o menor proporción de componentes menos volátiles, que por no arder completamente -porque

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no se vaporizan- quedan mojando las paredes del cilindro y acaban por pasar al aceite lubricante, diluyéndolo y perjudicándolo al hacerlo más inflamable y menos viscoso. Parece, pues, que interesaría la máxima volatilidad, sin salir del estado líquido. Pero no es así, pues si la presión de vapor pasa de cierto límite la gasolina se vaporiza en los conductos de alimentación formando "tapones" de vapor que dificultan el flujo, al tiempo que la marcha del motor se desequilibra porque la mezcla combustible- aire resulta pobre al entrar gas en vez de líquido en el carburador . La estructura química La condición b) ha supuesto una brillante contribución de la Química al progreso de los motores de combustión interna. Desde el análisis realizado por TIZARD y PYE, los constructores de motores disponen de la siguiente expresión del rendimiento del motor: R = 1- (l/r)c-l donde r es relación de compresión (cociente entre el volumen total del cilindro y el volumen no utilizado, no barrido por el émbolo) y c el cociente entre los calores específicos a a presión y volumen constantes. Es evidente que disponiendo la estructura mecánica de forma que r sea máximo se obtendrían los mejores rendimientos. Pero al intentar elevar la relación de compresión se observó una pérdida de rendimiento a partir de cierto valor de r, distinto según el origen de la gasolina y su volatilidad. La causa de la dificultad es la aparición de la detonación; el motor "pica", pierde rendimiento y acaba por desajustarse si el régimen de detonación se mantiene. La esencia de la detonación no está bien aclarada. Parece tratarse de una reacción que sustituye a la explosión normal, que se transmite en cadena y con velocidades explosivas, mucho mayores que las propias del proceso de combustión gradual esperado en el cilindro del motor. El émbolo resulta accionado entonces a impulso de un golpe seco en vez del empuje suave y progresivo propio de la combustión bien regulada. Ensayadas al respecto las especies puras que componen la gasolina, se comprobó que los HC lineales se comportan muy mal; sólo pueden trabajar a valores de r muy bajos. En cambio, los isoparafínicos y los aromáticos se comportan muy bien; admiten compresiones muy altas. Se adoptó el heptano-normal como número cero de una escala arbitraria, y el isooctano (2,2,4-trimetilpentano) como número ciento. Así, toda gasolina puede definirse por su índice de octano (10), número que indica la proporción porcentual de isooctano, en mezcla con heptano-normal, que soportaría una relación de compresión igual a la de la gasolina considerada.