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Aluminio parte 3 - Monografía



 
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D.- Causas de desviaciones.



El cuarto paso del procedimiento HAZOP, es la determinación de las ‘’causas'’ de las desviaciones, como por ejemplo: ¿Qué puede causar que la temperatura del agua sea más alta que el límite de diseño superior?, ¿Qué puede causar una pérdida total de flujo de agua a través del calentador?.
Refiriéndose de nuevo, al calentador de agua, si la temperatura del agua se encuentra excesivamente alta ('’más alta que…'’ y ‘’temperatura'’) puede ser debido a una de las siguientes causas y que a continuación se muestran en la tabla

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Nota 1. Estas causa incluye alguna falla de electricidad, software o hardware del sistema de control de temperatura (incluyendo válvula selenoide), lo anterior puede ser el resultado de que está fluyendo a través de la válvula selenoide al mismo tiempo que cuando la válvula esta cerrada.

Las causas de desviaciones normalmente se pueden clasificar dentro de uno de los siguientes grupos:

Fallas de hardware



Los siguientes son ejemplos de fallas de hardware: fallas de válvulas al abrir y cerrar, fallas de bombas al parar y arrancar, fallas de interruptores eléctricos, etc.


Error humano



El operador no respeta o no considera el sistema de seguridad, se gira una válvula en la dirección equivocada, malas lecturas de un manómetro o impresión fuera del panel de control, mala interpretación de una instrucción oral o escrita.

Fuerzas extremas


Vientos fuertes, inundaciones, relámpagos, terremotos, golpe de algún automóvil o equipo de construcción (una grúa o camión, etc.), pérdida de fuerza eléctrica o aire de instrumentos, etc.

Estado de procesos no anticipados



Un cambio de la composición, acumulaciones como costras internas, formación de hidratos, etc.

En algunos casos, pueden existir varias razones para considerar una ‘’causa'’ sencilla, haciendo referencia al calentador de agua; si hubiese una falla en la válvula selenoide, ésta puede fallar al cerrar debido a una falla mecánica dentro de la válvula, falla eléctrica en la selenoide, material extraño o productos corrosivos que se adhieran a la entrada de la válvula, alguna falla severa del controlador de temperatura, etc. Las consecuencias materiales deben ser las mismas que las causas de los sistemas de control o fallas de válvulas de control; por lo tanto, puede no ser necesario especificar acerca de la causa; esto es particularmente cierto si las consecuencias son de poca trascendencia.

Si se determina que las consecuencias son varias y las probabilidades de ocurrencia de una desviación son demasiado altas, es de gran ayuda, el ser más específicos acerca de las causas potenciales de la desviación; puede ser de ayuda determinar que cambios en diseño, instrumentación u operación pueden ser más efectivos, para reducir la probable ocurrencia de una desviación; si es necesario un análisis fmea; puede ser conducido para cada componente que puede causar la desviación, pero este nivel de detalle es raramente garantizado.

En casos específicos, puede ser instructivo el número de identificación de válvulas, bombas, etc., que pueden ser causa de una desviación; por ejemplo: la bomba ga-4125 tiene un exceso de velocidad, o la válvula de control pv-4107 falla al cerrar, este detalle puede ser de ayuda cuando se examinan las acciones sugeridas.

En algunos casos, la causa de una desviación puede no ser tan obvia al observar la información proporcionada por un dti, por ejemplo: considérese un nodo de estudio localizado en la entrada de gas natural a un intercambiador de calor criogénico. Una combinación de ‘’alto'’ y ‘’concentración (de co2)'’ produce la siguiente desviación, la concentración de co2 se encuentra sobre el límite de diseño superior y la consecuencia ‘’los sólidos de co2 pueden causar taponamiento o restricción de flujo en el intercambiador'’ la acusa y consecuencia de esta desviación no aparecerá en el dti donde se encuentra el intercambiador, por lo cual, será necesario mirar hacia atrás a través del proceso para encontrar una condición fuera de límite en el contactor de amina que puede estar causando la desviación en el contenido de co2, desde luego, si el hazop empieza en la parte frontal del proceso y sigue el flujo normal, esta combinación de causa/desviación/consecuencia debe haber sido descubierta antes de llegar la falla en el dti donde se ubica el intercambiador.

E.- consecuencia de las desviaciones.



El quinto paso es la determinación de las consecuencias de las desviaciones; las consecuencias son resultados, que son esperados si las desviaciones ocurren, algunas consecuencias pueden ser peligrosas (recipientes que explotan) o presentan una dificultad operacional (líquido transportado sobre un recipiente de secado) o puede ser trivial (agua con un contenido de gas debajo del normal) unos ejemplos de las consecuencias se muestran en la tabla.

Las consecuencias no ocurren inmediatamente, como resultado de una desviación; ‘’bajo flujo'’ puede provocar un ‘’nivel bajo de líquido'’ en pocos minutos, mientras ‘’más concentración'’ (de un contaminante corrosivo) puede provocar ‘’incremento de la razón de corrosión'’ después de un largo periodo de tiempo, cada consecuencia puede relacionar todas, algunas o solo una de las causas, lo cual hace innecesario compilar listas separadas de consecuencias para cada causa; la consecuencia ‘’líquido flamable liberado a la atmósfera'’ aplica sólo a la ruptura de un tubo.

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Tabla. Consecuencias creadas por desviaciones.

Las consecuencias de una desviación pueden no ser inmediatamente obvias o pueden parecer triviales si la discusión se limita a un simple dti que contiene los nodos de estudio a analizarse, por ejemplo: considerando un nodo de estudio localizado donde no se producen completamente glicoles, un contactor de glicol usado para remover agua del gas natural, bajo flujo del glicol ('’menos'’ y ‘’flujo'’) dentro del contactor puede causar la salida del gas al tener un contenido de agua que es mayor que el límite superior de diseño, cuando se observa sólo el dti para el contactor de glicol, la consecuencia de esta desviación es sólo ‘’alto contenido de agua en el gas natural dejando deshidratación'’, sin embargo, si la corriente de gas eventualmente fluye a el intercambiador criogénico para licuefacción, la consecuencia puede ser ‘’tapones de hielo o formación de hidratos en cubos de hielo'’, este es un caso de una consecuencia de un nodo que llega a ser la desviación de otro nodo.

Este problema potencial, que es la determinación de las actuales desviaciones puede manejarse de dos maneras: si la discusión está limitada a un simple dti, ciertas desviaciones serán necesarias para identificarse y consideradas en el estudio, esto requiere de un buen control de notas y que estas desviaciones sean reintroducidas por el jefe del grupo a los nodos de estudio apropiados; el otro método es el simple trazo de la desviación a través del proceso hasta que ocurra una consecuencia significativa, o hasta que se demuestre que no ocurrirá ninguna consecuencia.

Una vez que el grupo de estudio esté familiarizado con el proceso entero, el método posterior puede utilizar gran cantidad de tiempo, es posible determinar, y tomar la primera situación cuando la respuesta es fácil de determinar, y tomar la primera sugerencia cuando la respuesta no es tan evidente.

Una de las consecuencias de ‘’alta temperatura'’ en un recipiente puede ser ‘’alta presión'’ en el mismo, otra posible consecuencia es la ruptura del recipiente, sin embargo, esta consecuencia está directamente relacionada a la ‘’alta presión'’ mas que a ‘’alta temperatura'’, en casos específicos, puede ser informativo usar ‘’a parte de y temperatura'’ o ‘’a parte de y presión'’ para indicar la combinación de alta temperatura y alta presión, esto se usa cuando la combinación de ‘’alta presión'’ y ‘’alta temperatura'’ produce algunas consecuencias no generadas por una sola separada.

F.- respuesta anticipada.



El sexto paso es listar las respuestas que se esperan si la desviación ocurre; la respuesta anticipada debe incluir alarmas de proceso, respuestas automáticas de sistemas y operadores responsables. Algunos ejemplos de respuestas anticipadas son: alarmas de alta presión, censor automático de paro de nivel muy alto de una bomba de tal forma que aislé el tanque, válvulas de exceso de flujo que limitan la liberación de fluidos a la atmósfera, válvulas check que prevengan el flujo inverso, análisis diarios de laboratorio que detecten cambios en la composición, alarmas de bajo flujo que alerten al operador y éste pueda tomar las acciones propias para corregir la situación, detectores de fugas de gas combustible que prevengan al personal del área.

La ‘’respuesta anticipada'’ es muy importante en un estudio hazop porque indica las acciones a tomar en una desviación particular. Debe notarse que la respuesta anticipada puede ser ‘’responsabilidad de si misma'’, es decir automática; o una consecuencia de la desviación, por ejemplo: consideremos ‘’no flujo'’ dentro de un recipiente, el cual causa que el nivel del líquido del mismo disminuya, las respuestas anticipadas deben incluir ‘’indicador de flujo y alarma'’ (una respuesta a la desviación) y’’sistema de nivel de control de líquido que ajuste el nivel del mismo'’ (una respuesta a la consecuencia).

Algunas de las respuestas anticipadas no deben ocurrir al mismo tiempo que la desviación lo hace, por ejemplo: una respuesta anticipada a ‘’alta presión'’ en un recipiente debe ser ‘’la válvula de seguridad abre y reduce la presión'’, esta respuesta sólo ocurrirá si la presión interna alcanza el punto de presión de ajuste para la psv; esta presión puede o no puede alcanzarse, dependiendo de la magnitud de la desviación.

Si la falla de un sistema en particular se lista como una causa de la desviación u operación del sistema no debe incluirse como una respuesta anticipada, por ejemplo: la desviación ‘’alto nivel'’ en un recipiente puede deberse a la falla del sistema de control de nivel; en este caso, ‘’el sistema de control de nivel ajusta el nivel'’ no debe incluirse como una respuesta anticipada (si un sistema falla; causa una desviación), si ‘’alto nivel de líquido'’ en un recipiente es consecuencia de una desviación como ‘’alto nivel de flujo'’, entonces ‘’el sistema de nivel de control intenta una desviación como ‘’alto nivel de flujo'’, entonces ‘’ el sistema de nivel de control intenta un ajuste de nivel'’ debe incluirse como una respuesta anticipada. Aunque este suceso de desajuste de nivel depende del diseño total; por ejemplo:¿puede el sistema de control de nivel remover el líquido del recipiente, si el flujo que entra es superior a la relación de ‘’alto flujo'’?

Un estudio hazop supone que toda la instrumentación de los equipos y sistemas de control operan apropiadamente, y la planta es operada y mantenida de acuerdo a buenas prácticas de ingeniería (sólo si se consideran situaciones de riesgos sencillos); si los sistemas de protección no son inspeccionados y examinados regularmente, o no son reparados adecuadamente (cuando se dañan) o son ignoradas, el análisis hazop es un tiempo desperdiciado.


G.- acciones sugeridas.



El séptimo paso es la determinación de actividades sugeridas para ayudar a prevenir una causa particular o mitigar una consecuencia en especifico, por ejemplo: considérese nuevamente el agua del calentador, instalando un controlador de temperatura redundante y una válvula selenoide, debemos reducir significativamente las causas relacionadas a la falla de una válvula o controlador. La psv sobre la coraza debe ayudar a prevenir algún incidente de peligro resultado de la ‘’alta presión'’, si más protección por sobrepresión se desea, una psv redundante o un tapón fusible que evite una temperatura que se incremente sobre el límite superior de diseño puede adicionarse.

Las acciones sugeridas pueden ser simples o extensivas, dependiendo de la seriedad de las consecuencias y del nivel de seguridad u operabilidad.

En general, las acciones sugeridas se relacionan con cualquiera de las siguientes:


Cambios en el diseño



Ejemplos: adicionar una psv, mover la boquilla de entrada o de salida del recipiente, etc.

Cambios en el equipo



Ejemplos: reemplazar una válvula de mariposa por una válvula de globo o de tipo bola, usar una bomba de desplazamiento positivo en lugar de una bomba centrífuga, etc.

Alterar procedimientos de operación



Ejemplos: cambiar el tiempo en el cual una acción debe tomarse, cambiar el orden de acciones a realizarse, etc.

Mejorar el mantenimiento



Ejemplos: incrementar la frecuencia de monitoreo de corrosión, calibrar pvs’s con mayor frecuencia, etc.

Mejorar capacitación


Ejemplos: enseñar a operadores cómo anticipar problemas, enseñar técnicas de monitoreo de vibración, etc.

Investigación adicional


Ejemplos: detalles adicionales de instrumentación y sistemas de control pueden ser necesarios, las consecuencias pueden no ser tan obvias y requerir de más estudio, etc.

Muchas de las actividades sugeridas pueden requerir de algún tipo de seguimiento, para determinar si la acción es correcta, significativa o necesaria; el seguimiento inicial será asignado por el jefe del grupo a los miembros del mismo o por el departamento que puede tener mayor conocimiento relacionado con la actividad sugerida; esta persona debe realizar una determinación en un periodo de tiempo razonable y encontrar e informar a los miembros del grupo. El grupo entonces decide si las acciones sugeridas serán implantadas o no.

Cuando hay más desviaciones y no se proponen más acciones sugeridas, implica que el grupo de estudio cree que una o más de las siguientes situaciones se realizarán o están establecidas.

- Alarmas existentes, controles, procedimientos, etc. Son suficientes o correctos sin que se genere un problema mayor de operabilidad o riesgo.
- La desviación tiene una muy baja probabilidad de ocurrencia por lo tanto, no ocurrirá durante el tiempo de vida de la planta.
- Las consecuencias no representan un problema mayor de operabilidad y de riesgo.

Lo contrario implica que el grupo hazop cree que ninguna de las situaciones son verdaderas y algún cambio es necesario, se debe notar que para las acciones sugeridas de una desviación, ésta no afecte adversamente alguna otra desviación, por ejemplo: se considera el calentador de agua anteriormente descrito. Instalando un controlador de temperatura redundante y una válvula selenoide sobre la línea de gas disminuye la probabilidad de una temperatura de agua más alta que la deseada, pero incrementa la posibilidad de una temperatura más baja que el límite inferior deseado.


H.- procesos iterativos.



El orden para especificar todas las desviaciones para un nodo determinado, puede tener combinaciones diferentes, palabras guía y parámetros que deben considerarse, esto es generalmente hacer la selección de un parámetro, aplicar la primera palabra guía y determinar las causas y consecuencias de la desviación; lo siguiente, es anotar la palabra guía seleccionada y aplicar el mismo parámetro; entonces se examinan las causas y consecuencias de la segunda desviación; este proceso se repite hasta que el primer parámetro se ha combinado con todas las palabras guía produciendo significados que realmente simulen la desviación deseada.

Lo siguiente, es elegir un nuevo parámetro y entonces aplicar las palabras guía necesarias y examinar las causas y consecuencias, este proceso se repite hasta que todas las desviaciones significativas para el primer nodo de estudio se hayan tomado en cuenta.

Se selecciona un nuevo nodo de estudio y el proceso se repite hasta que todos los nodos se hayan inspeccionado.

Como se observa cuando se realiza un estudio hazop, es necesario repetir operaciones y análisis similares muchas ocasiones, esto requiere que el sistema de estudio sea bien organizado, asegurando que todas las partes del proceso hayan sido revisados, una manera de hacer esto es siguiendo el flujo propuesto en tabla.
Hay que notar que el procedimiento comienza seleccionando los recipientes mayores sobre el dti; después que se examina una tubería que sale o entra al recipiente, lo anterior puede realizarse de dos formas; el diagrama de flujo de la tabla muestra todos los parámetros significativos y palabras guía que pueden aplicarse a una tubería sencilla para su análisis, en algunos casos, puede ser conveniente elegir un parámetro, contemplar todas las palabras guía significativas para cada tubería que se este revisando, y entonces aplicar el siguiente parámetro lógico.
Cualquiera de estos métodos se puede utilizar, el siguiente paso es examinar los sistemas ‘’auxiliares'’, conectados al recipiente, estos sistemas pueden incluir recirculaciones de bombas, rehervidores, intercambiadores de calor, etc. Y nuevamente se aplican varias combinaciones de palabras guía y parámetros, para cada sistema auxiliar.
Cuando todos los sistemas auxiliares sencillos han sido examinados, se selecciona el propio recipiente como un nodo de estudio y se aplican todas las palabras guía y parámetros.
Este procedimiento, por completo se aplica para cada recipiente mayor sobre el dti.
Los mecanismos discutidos anteriormente muestran la organización y destreza necesarios para desarrollar esta metodología, lo cual para una planta muy grande el proceso se torna bastante complejo; por ello las metodologías analizadas anteriormente son fundamentales porque describen e identifican los daños en una planta de proceso, aunque en una forma más general; pero que en concepto manifiestan y desarrollan algunas de las partes de un análisis hazop, por lo cual en un estudio específico pueden ser más rentables y menos costosas.

DIAGRAMA DE FLUJO DE UN ANÁLISIS HAZOP



1.- Seleccionar un DTI
2.- Seleccionar un Recipiente
3.- Explicar la finalidad general del recipiente asociado con la tubería
4.- Seleccionar una línea
6.- Seleccionar un parámetro
7.- Verificar una desviación para aplicar una palabra guía
8.- Examinar las causas posibles de una desviación
9.- Examinar las consecuencias
10.- Detectar los daños
11.- Realizar un control escrito de lo elaborado
12.-Repetir de 7-11 las palabras guía para todas las desviaciones de cada parámetro
13.- Repetir de 6-12 para todos los parámetros
14.-Marcar las líneas sobre el DTI que ha sido completada
15.- Repetir de 4-14 para cada línea mayor
16.-Seleccionar un sistema auxiliar
17.- Explicar la finalidad de los sistemas auxiliares
18.- Repetir de 6-13 para cada sistema auxiliar
19.- Marcar el sistema auxiliar sobre un DTI que ha sido completado
20.- Repetir de 16-19 para cada sistema auxiliar
21.- Explicar la finalidad del recipiente
22.- Repetir de 6-13 para cada recipiente
23.- Marcar el recipiente sobre el DTI que ha sido revisado
24.- Repetir 2-23para cada recipiente sobre el DTI
25.- Marcar el DTI cuando ha sido completado
26.- Repetir 1-25 para todos los DTI’s

EN ESTE CAPITULO SE NOMBRARAN LOS PRINCIPALES PROCESOS DE OBTENCIÓN DEL ALUMINIO, USOS MÁS COMUNES, HISTORIA, PROPIEDADES
SU IMPORTANCIA EN EL MERCADO, ASI COMO INFORMACION EN GENERAL HACERCA DEL ALUMINIO.



INTRODUCCION


En este apartado se introducirá al lector en lo referente a información general acerca del aluminio, historia, aplicaciones, y los principales métodos de obtención del aluminio


HISTORIA


El aluminio, de símbolo Al, es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. Su número atómico es 13 y se encuentra en el grupo 13 de la tabla periódica.



El químico danés hans christian oersted aisló el aluminio por primera vez en 1825, por medio de un proceso químico que utilizaba una amalgama de potasio y cloruro de aluminio. Entre 1827 y 1845, el químico alemán friedrich wöhler mejoró el proceso de oersted utilizando potasio metálico y cloruro de aluminio. Wöhler fue el primero en medir la densidad del aluminio y demostrar su ligereza. En 1854, henri sainte-claire deville obtuvo el metal en francia reduciendo cloruro de aluminio con sodio. Con el apoyo financiero de napoleón iii, deville estableció una planta experimental a gran escala, y en la exposición de parís de 1855 exhibió el aluminio puro.

PROPIEDADES



El aluminio es un metal plateado muy ligero. Su masa atómica es 26,9815; tiene un punto de fusión de 660 ºC, un punto de ebullición de 2467 ºC y una densidad relativa de 2,7. Es un metal muy electropositivo y muy reactivo. En un medio oxidante, en particular en el aire, se cubre de una densa película de óxido que lo protege contra la corrosión. Por esta razón, los materiales hechos de aluminio no se oxidan. El metal reduce muchos compuestos metálicos a sus metales básicos. Por ejemplo, al calentar termita (una mezcla de óxido de hierro y aluminio en polvo), el aluminio extrae rápidamente el oxígeno del óxido; el calor de la reacción es suficiente para fundir el hierro. Este fenómeno se usa en el proceso Goldschmidt o Termita para soldar hierro. El óxido de aluminio es anfótero, es decir, presenta a la vez propiedades ácidas y básicas. El cloruro de aluminio anhidro es importante en la industria petrolífera. También podríamos agregar que, el aluminio. posee una alta conductibilidad eléctrica y térmica.. El aluminio es resistente a la acción de los ácidos nítrico y orgánicos. Para aumentar su resistencia mecánica y sus cualidades de fundición es aleado con otros metales. Entre los compuestos más importantes del aluminio están el óxido, el hidróxido, el sulfato y el sulfato mixto. Entre las aleaciones del aluminio tienen la mayor importancia el duraluminio y los alpaxes. Además del aluminio, forman parte del duraluminio de 3.4 a 4% de Cu, 0.5% de Mg, se admiten no más de 0.8% de Fe y 0.8% de Si El duraluminio se deforma bien y por sus propiedades mecánicas es próximo a algunos surtidos del acero, aunque es 2.7 veces más ligero que este metal (la densidad del duraluminio es de 2.85 g/cm3)
Las propiedades mecánicas de esta aleación se mejoran después de su tratamiento térmico y deformación en estado frío. La resistencia a la rotura se eleva de 147-216 Mpa (15 a 22 Kgf/mm2) a 353-412Mpa (36-42 Kgf/mm2 y la dureza Brinell aumenta de 490-588 Mpa (50-60 Kgf/mm2) a 880-980 Mpa (90-100 Kgf/mm2).Con ello el alargamiento permanente de la aleación casi no varia y queda bastante alto (de 18 a 24%). Los alpaxes son las aleaciones de fundiría del aluminio con silicio. Poseen buenas cualidades de fundería y propiedades mecánicas.

Puesto que el aluminio tiene gran afinidad química con él oxigeno, él se emplea en la metalurgia como oxidante, así como para obtener los metales difícilmente reducibles (calcio, litio, y otros) valiéndose del así llamado procedimiento aluminotérmico Muchas gemas (el rubí y el zafiro, por ejemplo) consisten principalmente en óxido de aluminio cristalino.

ESTADO NATURAL



El aluminio es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre; sólo los no metales oxígeno y silicio son más abundantes. Se encuentra normalmente en forma de silicato de aluminio puro o mezclado con otros metales como sodio, potasio, hierro, calcio y magnesio, pero nunca como metal libre. Los silicatos no son menas útiles, porque es extremamente difícil, y por tanto muy caro, extraer el aluminio de ellas. La bauxita, un óxido de aluminio hidratado impuro, es la fuente comercial de aluminio y de sus compuestos.
En 1886, Charles Martin Hall en Estados Unidos y Paul L. T. Héroult en Francia descubrieron por separado y casi simultáneamente que el óxido de aluminio o alúmina se disuelve en criolita fundida (Na3AlF6), pudiendo ser descompuesta electrolíticamente para obtener el metal fundido en bruto. El proceso Hall-Héroult sigue siendo el método principal para la producción comercial de aluminio, aunque se están estudiando nuevos métodos. La pureza del producto se ha incrementado hasta un 99,5% de aluminio puro en un lingote comercialmente puro; más tarde puede ser refinado hasta un 99,99 por ciento.

APLICACIONES.



La combinación de la ligereza con resistencia y alta conductibilidad eléctrica y térmica es la propiedad que convirtió el aluminio y sus aleaciones en materiales de construcción importantísimos para la construcción de aviones, de automóviles, de máquinas de transporte, para la electrotecnia, la fabricación de motores de combustión interna, etc. En la industria química el aluminio y sus aleaciones se utilizan para fabricar tubos, recipientes y aparatosUn volumen dado de aluminio pesa menos que 1/3 del mismo volumen de acero. Los únicos metales más ligeros son el litio, el berilio y el magnesio. Debido a su elevada proporción resistencia-peso es muy útil para construir aviones, vagones ferroviarios y automóviles, y para otras aplicaciones en las que es importante la movilidad y la conservación de energía. Por su elevada conductividad térmica, el aluminio se emplea en utensilios de cocina y en pistones de motores de combustión interna. Solamente presenta un 63% de la conductividad eléctrica del cobre para alambres de un tamaño dado, pero pesa menos de la mitad. Un alambre de aluminio de conductividad comparable a un alambre de cobre es más grueso, pero sigue siendo más ligero que el de cobre. El peso tiene mucha importancia en la transmisión de electricidad de alto voltaje a larga distancia, y actualmente se usan conductores de aluminio para transmitir electricidad a 700.000 voltios o más.
El metal es cada vez más importante en arquitectura, tanto con propósitos estructurales como ornamentales. Las tablas, las contraventanas y las láminas de aluminio constituyen excelentes aislantes. Se utiliza también en reactores nucleares a baja temperatura porque absorbe relativamente pocos neutrones. Con el frío, el aluminio se hace más resistente, por lo que se usa a temperaturas criogénicas. El papel de aluminio de 0,018 cm de espesor, actualmente muy utilizado en usos domésticos, protege los alimentos y otros productos perecederos. Debido a su poco peso, a que se moldea fácilmente y a su compatibilidad con comidas y bebidas, el aluminio se usa mucho en contenedores, envoltorios flexibles, y botellas y latas de fácil apertura. El reciclado de dichos recipientes es una medida de conservación de la energía cada vez más importante. La resistencia a la corrosión al agua del mar del aluminio también lo hace útil para fabricar cascos de barco y otros mecanismos acuáticos.
Se puede preparar una amplia gama de aleaciones recubridoras y aleaciones forjadas que proporcionen al metal más fuerza y resistencia a la corrosión o a las temperaturas elevadas. Algunas de las nuevas aleaciones pueden utilizarse como planchas de blindaje para tanques y otros vehículos militares.

PRODUCCION.



Globalmente la producción mundial de aluminio ha experimentado un rápido crecimiento, aunque se estabilizó a partir de 1980. En 1900 esta producción era de 7.300 toneladas, en 1938 de 598.000 toneladas y en 1994 la producción de aluminio primario fue de unos 19 millones de toneladas. Los principales países productores son Estados Unidos, Rusia, Canadá, China y Australia

PROCESO DE LA ALUMINA



Antes de adentrarnos en los diferentes procesos de obtención del aluminio seria importante mencionar el proceso mediante el cual se obtiene la alúmina, ya que esta será materia prima esencial para la elaboración del aluminio.

La alúmina se obtiene por diversos procedimientos según sean la, composición y propiedades de la materia prima. Estos procedimientos se pueden dividir en químico-térmicos, ácidos y alcalinos.

Pertenecen a los procedimientos químico-térmicos los de obtención de la alúmina con ayuda de la sinterización. Por ejemplo, las bauxitas con elevado contenido de SiO, se sintetizan con sosa y caliza. Se forman el aluminato de sodio Na20 -AI203, y el monosilicato de, calcio (Ca0)2.Si02. Después de triturar el sintetizado, se procede a la lixiviación del aluminato de sodio por el agua caliente. Si se emplean las nefelinas, ellas se someten a la sintonización con la caliza. Las nefelinas se descomponen por la caliza formando los aluminatos de sodio y de potasio y el monosilicato de calcio. El sintetizado, una vez triturado, se lixivia por la solución de sosa de retorno. Las alunitas se someten a la tostación reductora y la lixiviación, ulterior.
A veces las bauxitas o las menas de hierro con alto contenido de Al2O3, se refunden, empleando la fisión reductora, en los altos hornos, hornos eléctricos o cubilotes con el fin de obtener las escorias ricas en alúmina

Valiéndose del procedimiento Bayer, se elaboran generalmente las bauxitas de alta calidad con bajo contenido de silice (de 2 a 3 %).
A continuación se examinan las operaciones principales previstas por este método:

1. Preparación de la bauxita. Una bauxita bruta o calcinada se machaca y luego se desintegra en los molinos. Se suministran a los molinos bauxita, álcali cáustico y solución de retorno. A veces se agrega un poco de cal que ejerce una acción activante sobre la separación de Al203. La pulpa húmeda obtenida se envía para la lixiviación.

2. La lixiviación se lleva a cabo en autoclavos especiales a una temperatura de 105 a 240 C y una presión hasta 3.4 MPa (34 atm) respecto a la normal, según sea la característica de la bauxita. Para el calentamiento se utiliza el vapor de agua que va suministrado, con más frecuencia, directamente a la pulpa.
En el proceso de lixiviación la gibbsita AI(OH)3, la bohemita AIOOH que forman parte de la bauxita y los hidratos de óxido de aluminio, interaccionando con el hidrato sódico forman el aluminato de sodio. Estos procesos se desarrollan por las reacciones siguientes:

2AI(OH)3+2NaOH=Na2O.Al2O3+4H2O

2AIOOH+2NaOH=Na2O.Al2O3+2H20

A12O3. 3H20 +2NaOH = Na2O. A1203 +4H20

Durante la lixiviación se logra hacer que la sílice pase a las colas, ya que se forma el silicato de sodio por la reacción.

SiO2 + 2NaOU = Na2SiO3 + H20.

El cual, interaccionando con el aluminato de sodio, forma el aluminio silicato sódico (Na2O.AI203. -2SiO2.2H20) poco soluble en una solución alcalina de aluminato:

2(Na2O. SiO2) + Na2O. A1203 + 4H2O = Na2O.AI2O3.2SiO2.2H20 + 4NaOH.

Como vemos, este proceso da lugar a las perdidas de Al2, 03 y NAOH, por esta razón no se recomienda transformar por el procedimiento Bayer las bauxitas con elevado contenido de sílice.

LOS ÓXIDOS DE TITANIO Y DE HIERRO PASAN AL RESIDUO INSOLUBLE CONFIRIÉNDOLO EL COLOR DE LADRILLO ROJO Y POR ESO ESTE RESIDUO HA RECIBIDO EL NOMBRE DE FANGO ROJO.

3. La separación de la solución de aluminato y el fango rojo se lleva a cabo de ordinario valiéndose del espesado el lavado con ayuda de unos dispositivos especiales llamados espesadores.

4. La descomposición de la solución de aluminato ocurre espontáneamente con la separación del, hidróxido de aluminio

Na2O.Al2O3+4H2O=AI(OH)3+2NaOH.

Ahora bien, en el proceso de descomposición la alúmina, pasada durante la lixiviación a la solución a partir de la bauxita, se precipita, y el álcali gastado para la, formación del aluminato de sodio se libera.

EL PROCESO SE ACELERA AGREGANDO (PARA CREAR LOS CENTROS DE CRISTALIZACIÓN) EL HIDRÓXIDO CRISTALINO DE ALUMINIO OBTENIDO EN EL CICLO PRECEDENTE.

5- La separación del hidróxido de aluminio y su clasificación se efectúan hidrociclones y 1os filtros de vacío, Con ello el hidróxido de aluminio se divide en clases con la separación de la así llamada parte productiva del precipitado la cual está compuesta en 50-60 %, por partículas mayores que 50 m.
La solución madre se somete a la concentración por evaporación con el fin de excluir del proceso una parte del agua y elevar el contenido de álcali en esta solución. Como resultado de la concentración por evaporación de la solución madre se obtiene la pulpa constituida por la solución de retorno y los cristales de la sosa calcinada Na2CO3. Esta sosa se somete a la caustificación, o sea, a la transformación en NAOH, desarrollándose, por ejemplo, la reacción siguiente:

Na2CO3+Ca(OH)2=2NaOH+CaCO3

6. La deshidratación del hidróxido de aluminio o la así llamada calcinación se lleva a cabo por el calentamiento del hidróxido indicado a una temperatura del orden de 1200 C en los hornos tubulares o bien en las instalaciones de lecho fluidizado.

Al emplear el procedimiento Bayer descrito la extracción de la alúmina constituye cerca de 87 %’ para producir 1 ton de alúmina se gastan de 2.0 a 2.5 ton de bauxita, 70 a 90 kg de NaOH cerca de 120 Kg de cal, 7 a 9 ton de. vapor, 160 a 180 Kg de mazut (convertido en combustible convencional) y cerca de 280 kw/h de energía eléctrica.

DIFERENTES ESQUEMAS MODERNOS DE LA PRODUCCION DEL ALUMINIO.


En este apartado comenzaremos a adentrarnos en los diferentes tipos de procesos para la obtención del aluminio, es importante mencionar que el proceso que adoptaremos nosotros será el de electrólisis (proceso Hall-Héroult) la razón es por que este será más eficiente y por ende el método predominante y casi único a escala comercial.

Para continuar seria importante explicar que es una electrólisis, ya que la acción de una corriente sobre un electrólito puede entenderse con un ejemplo sencillo. Supongamos que tenemos sulfato de cobre y este lo disolvemos en agua, este se disociara en iones cobre positivos así como iones sulfato negativos. Al aplicar una diferencia de potencial a los electrodos, los iones cobre se mueven hacia el electrodo negativo, se descargan, y se depositan en el electrodo como elemento cobre. Los iones sulfato, al descargarse en el electrodo positivo, son inestables y combinan con el agua de la disolución formando ácido sulfúrico y oxígeno. Esta descomposición producida por una corriente eléctrica se llama electrólisis

OBTENCION ELECTROLITICA DEL ALUMINIO.


Básicamente el aluminio se obtiene por la electrólisis de la alúmina disuelta en una criolita fundida. La criolita y la alúmina son solo componentes principales del electrolito. Al electrolito se le agregan MgF2, CaF2 y NaCl que sirven, en lo fundamental para diminuir la temperatura de fusión. La cantidad de estos aditivos contenidos en el electrolito no excede de 8-10 %.

Por criolita se entiende prácticamente no el compuesto químico Na3.AlF6 sino sus aleaciones con AlF3 y NaF. Para caracterizar la composición del electrolito se usa la relación de criolita que no es mas que la relación molar de NaF: AlF3. Para el compuesto químico Na3AlF6(3NaF.AlF3) esta relación es igual a 3. Si el electrolito esta enriquecido en el floruro de sodio, esta relación es mas de 3 y si esta enriquecido en el floruro de aluminio, la relación es menos de 3. Y en el segundo ácido. Esta relación se mantiene generalmente a un nivel de 2.6 a 2.9, empleando para la corrección de la composición el fluoruro de aluminio y el de sodio.

El proceso de electrólisis se efectúa en una cuba electrolitica llamada también baño de aluminio. El esquema de principio del baño de aluminio se muestra en la sig fig hay que distinguir los dispositivos de cátodo y ánodo.

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El dispositivo de cátodo esta dotado de una envoltura (1) revestida interiormente de la capa (2)de material refractario y de carbono. El revestimiento lateral de carbono (4) junto con la solera (3) forma un baño cuya profundidad es de 400 a 600 mm. En el baño se hallan el aluminio fundido (5) y la criolita (6). La corriente eléctrica se suministra por las barras de acero (14) a las barras conductoras (13). El cátodo sirve de superficie del aluminio liquido que se halla en contacto con el electrolito.

El dispositivo de ánodo consta del ánodo de carbón (9) sumergido parcialmente en el electrolito. La corriente se suministra por las barras metálicas (10) a las barras (11).

La alúmina(8) se suministra al baño por arriba. Con ello, debido al enfriamiento por el aire del ambiente aparece la costra del electrolito (7). En la superficie lateral se forma una capa del electrolito solidificado (12). Llamada guarnición, que protege el revestimiento contra la destrucción, protege el baño contra el frío y evita que la corriente se pierda a través del revestimiento de carbón lateral.

El aluminio se acumula en la solera del baño debajo de la capa del electrolito. Se extrae de ordinario dentro de tres o cuatro días con ayuda del caldero de vacío o el sifón, a veces el aluminio se evacua una vez por día.

Ultimamente el proceso de obtención electrolitica del aluminio esta automatizado. La resistencia electrolitica se mantiene constante, los parámetros del proceso se encuentran bajo el control.

La masa fundida de criolita y alúmina puede considerarse como una solución ionica constituida por Al3+, Na+, Ca2+, Mg2+ y otros cationes y por los aniones Al3-6, F-, Cl-, AlO3-3. Bajo la influencia del campo electrolitico aplicado, al cátodo se desplazan los cationes, pero se descarga en este, en primer lugar, los iones de aluminio, puesto que el aluminio es un metal más electropositivo en comparación con el sodio, magnesio, y calcio.

Hacia el ánodo se trasladan todos los aniones, pero se descargan aquí solamente los iones AlO3-2 que son más negativos.

El proceso se puede representar en tal forma:

2AlO3-3-6e Al2O3+1 ½ O2

Él oxigeno desprendido interacciona con el carbono del ánodo, formándose la mezcla de gases CO y CO2 que se van a la atmósfera.

Por consiguiente el proceso de electrólisis se reduce de hecho a las siguientes reacciones sumarias:

Al2O3+3C=2Al+3CO

Al2O3+1 ½ C =2Al+1 ½ CO2

Como resultado se consumen la alúmina y el carbono de los electrodos y se obtienen el aluminio y los óxidos de carbono.

Los gases anodicos succionados del baño contienen el flúor, alquitranes y partículas pulverizadas de AlF3, Al2O3 y criolita. Los gases se someten a la depuración eliminando el polvo con el fin de utilizarlo y no contaminar la atmósfera.

Para fabricar 1 ton de aluminio se necesitan cerca de 2 ton de alúmina 0.7ton de pasta anodica. 0.1 ton de criolita y otros fluoruros y cerca de 18 MWh de energía eléctrica. La energía eléctrica constituye mas de 30% de costo de aluminio y cerca de 50% de costo esta constituido por las materias primas y otros materiales que toman parte en el proceso.

ELIMINACION DE IMPUREZAS DEL ALUMINIO Y SU PURIFICACION MEDIANTE CLORO GASEOSO.



El aluminio que se extrae de los baños electrolizadores se llama aluminio bruto. Contiene impurezas metálicas (Fe, Si, Cu, Zn y otras) y no metálicas (Al2O3, C y otras), así los gases (hidrogeno, oxigeno, nitrógeno, oxido de carbono, dióxido de carbono, gas sulfuros)
Para eliminar las impurezas no metálicas y gaseosas, así como el sodio, magnesio, y calcio, el aluminio fundido se sopla con cloro y se sedimenta en los altos hornos eléctricos o calderos. Al hacer pasar el cloro gaseoso a través del aluminio liquido se forma el cloruro de aluminio:

2 Al+3Cl=2AlCl3

A una temperatura del proceso que es superior a 700 C el cloruro de aluminio se halla en el estado de vapor. Al pasar por el metal derretido el se absorbe en las partículas de alúmina, fluoruros, carburo y carbón. Estas partículas se cubren de una envoltura gaseosa de cloruro de aluminio, suben a la superficie, suben a la superficie en forma de un polvo gris friable y se evacua.

El cloro forma unos compuestos con Na, Ca, y Mg, descomponiendo los compuestos de estos elementos con el aluminio. Los compuestos de estos metales con cloro también suben a la superficie. El paso del cloro contribuye, además, al desprendimiento de los gases disueltos en el aluminio.

Al sedimentarse en el horno, el aluminio fundido se depura dé modo que se eliminen los gases e inclusiones no metálicas; con ello mezclando el aluminio procedente de diversos baños, se puede obtener los lotes de marca deseable. Con ayuda de, los procedimientos corrientes de purificación la pureza del aluminio primario llega a 99.5-99.85%. Para la mayoría de los consumidores el aluminio de tal pureza reúne las cualidades necesarias. Sin embargo en algunas ramas de la técnica moderna, por ejemplo, para fabricar los rectificadores eléctricos y condensadores eléctricos, hojas de alta calidad y aparatos químicos, equipos de radiolocalización e instalaciones de energía atómica se requiere un aluminio de pureza más alta (99.996% de Al y más). El aluminio de tal pureza se obtiene por el afino electrolitico, la fusión por zonas o la destilación a través de subcompuestos. Durante la purificación electrolitica se produce un electrolito fusible con una temperatura próxima a la de la fusión del aluminio y valiéndose de las altas propiedades electropositivas de este metal en comparación con Mg, Ca, y Na, se le deposita en el cátodo. Impurezas más electropositivas que el aluminio (tales como cobre, hierro, silicio) no se disuelven anodicamente y se cumulan en la aleación de ánodo. La purificación electrolitica permite obtener el aluminio con una pureza que llega a 99.996%.

Otro tipo de purificación es la llamada fusión por zonas esta, se funda en que la solubilidad de las impurezas en un metal sólido, incluyendo el aluminio, es mas baja que en el derretido.

Para una fusión por zonas a partir del aluminio procedente de la purificación electrolitica se obtienen barras de 15 a 20 mm de diámetro y 250 a 300 mm de largo. Una de tales barras se coloca en la cajita hecha de grafito muy puro. La cajita se pone en el tubo de cuarzo en el cual esta creado un vacío con la presión residual cerca de 13 Pa (10-4mmHg). El vacío protege el aluminio contra la oxidación. En torno al tubo de cuarzo se coloca el inductor anular conectado a una fuente de corriente eléctrica de alta frecuencia. Debajo del inductor la barra de aluminio se funde y surge la zona de aluminio liquido de 10 a 15 mm de largo, mientras que la parte restante de la barra queda sólida. El inductor se desplaza a lo largo de la barra con una velocidad determinada, por ejemplo, 1mm/min, y la zona de aluminio liquido también se traslada. Con ello las impurezas se acumulan en la masa fundida y junto con ella va el extremo del lingote. Dentro de 10-15 pasadas el lingote se extrae y su extremo de 80 a 100mm de largo se corta. La parte quedada se compone de un aluminio de alta pureza. Por tal vía se puede obtener el aluminio cuya pureza es de 99.9999%.

La fusión por zonas es un procedimiento caro y de bajo rendimiento. Por eso se emplea solo para depurar pequeñas cantidades de metal necesario para la fabricación de los semiconductores y otros artículos importantes.

Ultimamente se ha ideado y ahora se emplea un procedimiento especial de destilación del aluminio. En este caso la purificación o destilación del aluminio se lleva acabo a través de los subcompuestos haciendo pasar el cloruro o floruro de aluminio, en estado de vapor por encima del aluminio derretido a una temperatura de 1000 C y más.

Se forma un compuesto gaseoso inestable, o sea, el aluminio de valencia inferior:

2Al+AlCl3=3AlCl o bien 2Al + AlF3=3Al

ESTOS SUBCOMPUESTO, UNA VEZ ENFRIADOS HASTA 700-800 C, SE DESCOMPONEN FORMANDO EL ALUMINIO Y EL CLORURO O FLORURO DE ALUMINIO. LAS IMPUREZAS CONTENIDAS EN EL ALUMINIO BRUTO NO SE SOMETEN A LA DESTILACIÓN. POR TAL VÍA SE OBTIENE UN ALUMINIO DE PUREZA MUY ALTA (DE 99.99997 A 99.99999% DE AL).

OTROS TIPOS DE PROCESOS PARA LA ELABOARACION DEL ALUMINIO


La gran cantidad de energía eléctrica que requiere el proceso Hall-Héroult ha llevado a un continuo esfuerzo para reducir esta necesidad de energía tanto para mejorar la eficiencia de la cámara de de reducción como para hallar otros medios de reducción que contaran con las condiciones delineadas. Las mejoras graduales en la eficiencia de las celdas han introducido reducciones de energía de un 20 a un 25%; muchas otras mezclas de sales fundidas se han probado, como el aluminato de sodio. Otro enfoque ha sido electrolizar mezclas de sales de metales alcalinoterreos que proporcionen aleaciones de las cuales sea posible obtener el aluminio.

Una de las otras opciones más interesantes fue el proceso de extracción basado en la formación de subhaluros de aluminio, en particular el cloruro, reduciéndose a continuación para obtener el metal. A pesar de la gran inversión en la investigación y el perfeccionamiento en esta área, el proceso Hall-Héroult es todavía, después de mas de 100 años el método predominante y casi único que se usa a escala comercial.
Aunque así sea se presentaran continuación los diferentes procesos de obtención del aluminio.

El PROCESO GROSS



En 1939, Willmore basó una patente en unas observaciones de que, en presencia de haluros, el aluminio se vaporiza a una temperatura considerablemente mas baja a la que se evapora con normalidad.

Como resultado de los trabajos de Gross en el Fulmer Research institute, quedo establecido que el proceso Willmore comprendía el subhaluro, el monocloruro de aluminio (Acl ). Al aumentar la temperatura de la reacción a más de 900 C y disminuir la presión del AlCl3 a menos de 10mm, era posible aislar al metal y las condiciones teóricas de los niveles de energía del electrón trivalente del átomo de aluminio.

EL PROCESO TOTH



En este proceso no se usaba necesariamente la bauxita, sino menas que contenían arcilla se calcinaban primero y luego se sometían a cloración. El cloruro de aluminio resultante, después de purificado, lo reducía el manganeso y el aluminio se obtenía en forma de polvo. El cloro y el manganeso se recuperaban para reutilizarse y el subproducto principal era arena sílice fina, además de los cloruros de los otros metales.
Este proceso no llegó a ser importante en el comercio.

EL PROCESO DE REDUCCION DEL ALUMINATO.



Bonnier ha descrito la electrólisis del aluminato de sodio y en, particular, los baños de aluminato que contienen calcio, bario o magnesio para obtener aleaciones de diversas composiciones de aluminio - calcio, aluminio - bario y aluminio - magnesio. Los baños podían operarse a temperaturas significativamente mas bajas, llegando algunas hasta 700 - 800 C, aunque este proceso no es muy practico lamentablemente.

CAPITULO IV



En este capítulo se describirá el proceso de obtención del aluminio y el proceso de purificación del mismo, esto después de haber hecho la selección de los mismos en el capítulo anterior.
Los procesos que se seleccionaron fueron los siguientes:

4. Proceso bayer para la producción de alúmina.
5. Obtención electrolítica del aluminio.
6. Purificación del aluminio con cloro gaseoso.

Las ventajas y desventajas de cada uno de ellos se mencionaron en el capítulo anterior después de haber descrito todos los procesos existentes para la obtención y purificación del aluminio.

PROCESO BAYER PARA LA OBTENCIÓN DE ALÚMINA



El proceso Bayer es el más usual para refinar la bauxita, que se digiere con solución caliente de sosa cáustica para que la alúmina quede en solución en forma de aluminato de sodio. Después de separar el líquido del residuo insoluble, se precipita el trihidrato de alúmina, Al(OH)3 y se calcina para producir la alúmina pura que se envía a las plantas de reducción.

La bauxita se machaca y se lava en las minas para quitarle la arcilla y luego se seca para facilitar y economizar el transporte. En las plantas de proceso Bayer se pulveriza muy bien la bauxita, se pone en digestores con lejía que queda de un ciclo anterior y cantidades suficientes de cal y carbonato sódico para obtener la necesaria concentración de hidróxido de sodio. Después de la digestión por tiempo conveniente y con vapor de 3.5 Kg / cm2, se deja sedimentar el líquido y se filtra para separar el residuo insoluble. Éste lleva gran porción de óxido de hierro y recibe el nombre de lodo rojo. La solución de aluminato sódico es conducida a grandes tanques de precipitación, donde se le añade como cebo trihidrato de aluminio procedente de una operación anterior y se deja enfriar lentamente. Poco a poco se va formando el trihidrato por hidrólisis del aluminato sódico en presencia del núcleo cristalino. El trihidrato granular pasa por espesadores y filtros, y luego se calcina para extraerle el agua libre y combinada. Es preciso efectuar la calcinación a temperatura bastante alta ( por lo común a más de 1000 0 C) para obtener la alfa - alúmina no higroscópica. Esta alúmina calcinada es enviada a las plantas de reducción. La figura 1 es un diagrama de la marcha del proceso Bayer.

Es importante la proporción de sílice que contiene la bauxita, pues si contiene sílice reactiva, ésta se combina con la alúmina durante la digestión y queda en el lodo rojo un silicato insoluble de sodio y aluminio. Por cada kilogramo de sílice que haya en la bauxita se pierde, aproximadamente, un kilogramo de alúmina y un kilogramo de carbonato sódico anhidro.


OBTENCIÓN ELECTROLÍTICA DEL ALUMINIO



El aluminio se obtiene por la electrólisis de la alúmina disuelta en una criolita fundida. La criolita y la alúmina son sólo componentes principales del electrólito. Al electrólito se le agregan MgF2, CaF2 y NaCl que sirven, en lo fundamental, para disminuir la temperatura de fusión. La cantidad de estos aditivos contenidos en el electrólito no excede de 8 - 10 %.

Por criolita se entiende prácticamente no el compuesto químico Na3.AlF6 sino sus aleaciones con AlF3 y NaF. Para caracterizar la composición del electrólito se usa la relación de criolita que no es más que la relación molar de NaF: AlF3, para el compuesto químico Na3AlF6 (3NaF.AlF3) esta relación es igual a 3. Si el electrólito está enriquecido en el fluoruro de sodio, esta relación es más de 3 y si está enriquecido en el fluoruro de aluminio, la relación es menos de 3. En el primer caso el electrólito se llama alcalino y en el segundo, ácido. Esta relación se mantiene generalmente a un nivel de 2,6 a 2,9, empleando para la corrección de la composición el fluoruro de aluminio y el sodio.

El proceso de electrólisis se efectúa en una cuba electrolítica llamada también baño de aluminio. El tamaño de la celda depende en gran manera de la corriente de electrólisis que se haya de emplear. La celda electrolítica es una caja de acero revestida interiormente de carbono. El revestimiento de carbono, que se forma con una mezcla de coque, brea y alquitrán, se apisona en la caja de acero y luego se cuece a alta temperatura. La tensión que manejan las celdas es de 5V de los cuales 1.7 son útiles y el resto se consume por resistencia. Las celdas se colocan en serie, para que constituyan conjuntos de 200, 500 y hasta 1000 V. La caída de voltaje a través de una celda es de 5 a 6 V. Actualmente la intensidad llega a alcanzar valores del orden de 100 a 125,000 A.

El dispositivo de cátodo está dotado de una envoltura revestida interiormente de la capa de material refractario y de carbono. El cátodo sirve de superficie del aluminio líquido que se halla en contacto con el electrolito.

El revestimiento lateral de carbono junto con la solera forman un baño cuya profundidad es de 400 a 600 mm. En el baño se hallan el aluminio fundido y la criolita. La corriente eléctrica se suministra por las barras de acero a las barras conductoras dispuestas en un lado y cerca del nivel de la celda.

El dispositivo de ánodo consta del ánodo de carbón sumergido parcialmente en el electrólito. Los ánodos de carbono se hacen con una mezcla similar a la de la celda electrolítica y se cuecen para darles densidad, dureza y solidez. Por lo común, son de sección cuadrada o rectangular y de 30 a 50 cm de largo. Estos ánodos se suspenden de una barra colectora que se puede alzar o bajar según sea necesario. También se puede variar la altura de un solo ánodo. El carbono del ánodo se oxida en el curso de la electrólisis y se convierte en dióxido de carbono.

La alúmina se suministra al baño por arriba. Con ello, debido al enfriamiento por el aire del ambiente aparece la costra del electrólito. En la superficie lateral se forma una capa del electrólito solidificado, llamada guarnición, que protege el revestimiento contra la destrucción, protege el baño contra el frío y evita que la corriente se pierda a través del revestimiento de carbón lateral. El electrolito puede ser criolita, pero se acostumbra agregarle algo de fluoruro de calcio para reducir el punto de fusión y aumentar la fluidez del baño. Actualmente se emplean de ordinario los baños de aluminio monoanódicos con un ánodo de autococción y el suministro de corriente por la parte superior de éste.

El aluminio fundido es más pesado que el electrolito de criolita y se acumula en la solera del baño debajo de la capa del electrolito, donde sirve de cátodo. El aluminio se extrae de ordinario dentro de tres o cuatro días con ayuda del caldero de vacío o el sifón. A veces el aluminio se evacua una vez por día.

A causa de la oxidación electrolítica de los ánodos se consumen aproximadamente 2/3 de kilogramo de carbono por cada kilogramo de aluminio metálico que se produce. Las impurezas de los ánodos ( hierro o silicio) se disuelven en el baño, se reducen a la vez que la alúmina y contaminan el aluminio metálico; por tanto, es indispensable que sean muy puros los materiales con que se hacen los electrodos de carbono.

Es algo limitada la solubilidad de la alúmina en el electrolito. El baño tiene normalmente 5% de alúmina en solución, y cuando se reduce bastante esta proporción, por ejemplo, a 3%, se produce el llamado efecto de ánodo, que se manifiesta en aumento súbito de la caída de voltaje a través de la celda, acrecentamiento del calor generado en la celda y formación de arco entre los ánodos de carbono y el electrolito. Añadiendo más alúmina al electrólito y agitándolo se suprime rápidamente dicho efecto del ánodo. Entonces el electrolito moja los ánodos como en la operación normal, y continúa rápidamente la electrólisis hasta que se vuelve a reducir considerablemente el contenido de alúmina y se produce otro efecto de ánodo.

CINÉTICA DE LA REACCIÓN


La masa fundida de criolita y alúmina puede considerarse como una solución iónica constituida por Al3+, Na+, Ca2+, Mg2+ y otros cationes y por los aniones AlF6-, F-, Cl-, AlO33-. Bajo la influencia del campo electrolítico aplicado, al cátodo se desplazan los cationes, pero se descargan en éste, en primer lugar, los iones de aluminio, puesto que el aluminio es un metal más electropositivo en comparación con el sodio, magnesio y calcio.

Hacia el ánodo se trasladan todos los aniones, pero se descargan aquí solamente los iones AlO33- que son más negativos.

El proceso se puede representar en tal forma:

101862.gif

El oxígeno desprendido interacciona con el carbono del ánodo, formándose la mezcla de gases CO y CO2 que se van a la atmósfera.

Por consiguiente, el proceso de electrólisis se reduce de hecho a las siguientes reacciones sumarias:
101863.gif

Como resultado se consumen la alúmina y el carbono de los electrodos y se obtienen el aluminio y los óxidos de carbono.

Los gases anódicos succionados del baño contienen el flúor, alquitranes y partículas pulverizadas de AlF3, Al2O3 y criolita. Los gases se someten a la depuración eliminando el polvo con el fin de utilizarlo y no contaminar la atmósfera.

Para fabricar 1 T de aluminio se necesitan cerca de 2 T de alúmina, 0.7 T de pasta anódica, 0.1 T de criolita y otros fluoruros y cerca de 18 MWh de energía eléctrica. La energía eléctrica constituye más de 30 % de costo de aluminio y cerca de 50 % de costo está constituido por las materias primas y otros materiales que toman parte en el proceso.

CAPITULO V


En este capitulo se aplicarán las metodologías de identificación; jerarquización de riesgos potenciales .
Tambien se establecerá en base al punto anterior, los sistemas de control adecuados para reducir la posibilidad de accidentes en el proceso y determinaremos la magnitud ocasionada por algun evento (o contingencia)

CAPITULO VI


PROGRAMA PARA DETERMINAR LA NUBE TOXICA



En este capitulo se proporcionara el listado del programa en Fortran así como el archivo ejecutable en diskette.

LISTADO DEL PROGRAMA



PRINT *,’********************************************************’
PRINT *,’*PROGRAMA PARA PROVEER DE UNA ESTIMACION DEL AREA DE *’
PRINT *,’*RIESGO O DE EXCLUSION GENERADA POR UNA FUGA DE UN GAS *’
PRINT *,’*”CLORO”, QUE EN ESTE CASO TIENE UNA ATMOSFERA TIPO “F”*’
PRINT *,’*Y UNA VELOCIDAD DEL VIENTO DE 1.5m/s. *’
PRINT *,’********************************************************’

PRINT *,’INTRODUCIR GASTO DE EMISION DE VAPOR DEL GAS (Q[=]g/s)=’
READ *,Q
QE=Q*1E+6
PRINT *,’INRODUCIR LA ALTURA EMISION (HE[=]m)=’
READ *,HE
U=1.5
PI=3.1416
PRINT *,’INRODUCIR LA DISTANCIA VIENTO ABAJO DE LA FUGA (X[=]Km)=’
10 READ *,XM
X=XM*1000
IF (X.LE.1000) THEN
SY=34*XM**0.894
SZ=14.35*XM**0.740-0.35
ELSE
SY=34*XM**0.894
SZ=62.6*XM**0.180-48.6
ENDIF
C=(QE/(PI*SY*SZ*U))*EXP((-0.5)*(HE/SZ)**2)
PRINT *,’——————————————————–’
PRINT *,’ X(km) SY(m) SZ(m) C(microg/m^3)’
PRINT *,’——————————————————–’ ‘
PRINT 30,XM, SY, SZ, C
PRINT *,’ ‘
PRINT *,’ ‘

30 FORMAT (2X,F10.2,3X,F10.2,3X,F10.2,6X,F10.2,2X)
IF (C.GE.5E+8) THEN
PRINT *,’INTRODUCIR OTRA DISTANCIA VIENTO ABAJO DE LA FUGA (X)’
PRINT *,’HASTA ENCONTRAR LA DISTANCIA QUE NOS ARROJE LA ‘
PRINT *,’CONCENTRACION MAXIMA PERMITIDA (TLV=0.5ppm)’
GOTO 10
ELSE
PRINT *,’ESTAS SON LAS DISTANCIAS MINIMAS DE EVACUACION Y LA’
PRINT *,’CONCENTRACION EN CASO DE QUE EXISTIERA UNA FUGA’
PRINT *,’——————————————————–’
PRINT *,’ X(km) SY(m) SZ(m) C(microg/m^3)’
PRINT *,’——————————————————–’ ‘
PRINT 30,XM, SY, SZ, C
ENDIF
END

ANEXO I



Aquí se mencionara el proceso mediante la cual se podra hacer el reciclado del aluminio.

Mini - planta para el reciclaje de aluminio
Todo el aluminio metálico que se necesita para el consumo ya ha sido extraído y producido. Lo que es ecológicamente aconsejable es reciclarlo . En la mayoría de los casos el reciclaje es efectuado mediante la fusión de la chatarra de aluminio ; pero este proceso consume energía y si bien es simple es relativamente caro .
Lo que sugerimos en esta página es el reciclado hidrometalúrgico de las chatarras de aluminio.
Una “mini-planta”, una planta muy pequeña y contínua mediante la aplicación del “proceso Bayer”, proceso que es utilizado corrientemente para la extracción del aluminio de la Bauxita mineral. Todos Uds.conocen que el aluminio es anfótero, esto quiere decir que es soluble en una base fuerte ,tal como el hidróxido de sodio o el hidróxido de potasio.

Ahora, digamos que Ud. se consigue:

3.81 tm de chatarra de aluminio
Ud. la disolverá en hidróxido de sodio, como sigue:
3.81 tm / 30 días= 127 kg/día
Siguiendo la ecuación:
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101865.gif

La reacción es exotérmica y la máxima temperatura que se alcanza es de 98 grados centígrados. Si ud.tiene 90 minutos de reacción y los flujos por minuto indicados más arriba , ud.tendrá el volúmen requerido por el reactor de disolución. ( realmente ud.requerirá uno del doble del tamaño y con rompedores de burbujas )

Ahora se aplica la reacción siguiente:

101866.gif
Esta reacción requiere la presencia de hidróxido de aluminio previamente formado (”semilla”. El tiempo de formación del hidróxido es de 72 horas con agitación lenta y a temperatura ambiente.
Luego de este paso el producto es separado de su licor madre ( hidróxido de sodio con una pequeña proporción de aluminio disuelto ) a ser reciclada al primer paso.
Luego, el hidróxido de aluminio es lavado, secado y empacado apropiadamente.
Nota.-El hidróxido obtenido es el hidróxido de aluminio cristales, del tipo “gel” hablaremos en otra página.

En el manual de Temple C.Patton’s hallamos lo siguiente:



“Casi todo el aluminio comercial es producido a partir de la bauxita. Este material ha sido extensamente en la producción de productos químicos de aluminio y catalizadores. Entre estos se hallan el Sulfato de Aluminio el cual es producido en mayor cantidad que cualquier otro compuesto de aluminio. Compuestos químicos de alta pureza producidos a partir del alúmina hidratada han sido usados en: compuestos farmacéuticos (NT.-gel-), tintes para textiles, grasas lubricantes, fabricación de pigmentos, en el procesado de la lana, tratamiento de agua, vidrio, esmaltes de vidrio, y esmaltes cerámicos.
¨Un grado especial de alúmina hidratada, que tenía un tamaño de partícula de 1 micrón fué producida en los años 30. Debido a su tamaño de partícula, este material más fino halló mayores usos que los compuestos de alúmina hidratada anteriores. Algunas de sus aplicaciones han sido para: blanquear papel, en el pulimento dental, en la prevención de la formación de arcos eléctricos en los aislantes eléctricos hechos de plástico , para producir superfícies de pintado superiores, para reemplazar al dióxido de titanio en pinturas y tintas, para mejorar la adhesividad de los compuestos catalizadores, y para impartir suavidad y textura a ciertos cosméticos…¨
¨La alúmina hidratada se aplica como extendedor y pigmento de relleno en adhesivos, caucho, tintas, pinturas, plásticos, cosméticos and dentífricos…La alúmina hidratada es utilizada como pigmento extendedor en las pinturas a base de látex y en el papel en donde la capacidad cubriente, el brillo y la luminnosidad son importantes.La ventaja mayor de las alúminas hidratadas en estas aplicaciones es que ellas pueden substituir hasta en el 25% al dióxido de titanio hallado normalmente en tales aplicaciones, incrementando el brillo y disminuyendo costos sin sacrificar la opacidad.¨

ANEXO II


En este anexo se hara mencion del ciclo de reciclaje de el desecho catódico carbonoso (dcc) consistente este de la porción carbonosa del revestimiento del casco de las celdas.


Reciclaje de desechos catódicos carbonosos en la industria del aluminio


La producción electrolítica de aluminio como todo proceso industrial genera desechos industriales, uno de ellos, el desecho catódico carbonoso (DCC) consiste en la porción carbonosa del revestimiento del casco de las celdas después de la desincorporación de estas, dicho desperdicio no es actualmente usado en ninguna ,aplicación ya que posee altos contenidos de sales, producto de sus condiciones de trabajo en las celdas de reducción(1,2,3,4,5). Debido a esto, los desechos catódicos son enviados a patios de almacenamiento donde conforman depósitos que atentan contra el medio ambiente, como se ilustra en la Figura 1. CVG Venalum, consciente de la necesidad de minimizar el impacto de sus procesos sobre el medio ambiente, ha planteado varias alternativas de manejo de sus DCCs. En este orden de ideas, el presente trabajo presenta los resultados obtenidos del estudio de uso de los DCCs en la fabricación de ánodos precocidos (6,7) (electrodos usados para introducir la corriente eléctrica a las celdas). El objetivo del trabajo es observar la variación que pueda causar el DCC en las propiedades de los ánodos, al emplearse como un componente del ánodo precocido, además de buscar condiciones industriales aceptables en las que pueda ser empleado el DCC.

101867.gif
El diseño experimental de la investigación (8,9,10), parte desde la obtención de la fracción carbonosa de los desechos, para su posterior trituración, limpieza y clasificación de acuerdo a las especificaciones de la fabricación de ánodos. Para fabricar los ánodos con DCC se empleó un equipo a escala banco diseñado para fabricar probetas anódicas y caracterizar todas las propiedades normalmente controladas industrialmente de acuerdo a las normas ASTM, ISO y DIN. El efecto del DCC sobre el comportamiento de las propiedades anódicas fue estudiado para tres proporciones de DCC, i.e., 0%, 10% y 20% de DCC presente en la composición química de las probetas anódicas. Los resultados del estudio señalan mejoras en algunas propiedades (Figura 2), como es el caso de la densidad, conductividad térmica, módulo de Young’s, no así para la reactividad de las probetas anódicas al CO2 y aire las cuales para los porcentajes de DCC estudiados en este trabajo fueron mayores a los limites aceptables. No obstante, analizando la tendencia de los resultados se observa que es factible técnicamente emplear los DCC como materia prima en la fabricación de ánodos, usándose éstos en porcentajes menores al 2%. Alternativamente debido a la mejora de las propiedades eléctricas de los ánodos al incorporar DCC, se pueden fabricar ánodos con cantidades de DCC inferiores al 10 % para su uso en la cocción eléctrica de las celdas.

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BIBLIOGRAFIA



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Metalurgia General V.G Voskobóinikov, VA. Kudrin, AM. Yákusheb
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Autor:

Jose Luis Franco Zamudio

 







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