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LIBRO_REDUCCION_DIRECTA

Siderurgia para metalizar y obtener un acero de alto tenor

ΔH(en Cal/mol) = -

ΔH(en Cal/mol) = - 4.114 - 6,53xT (en K) y ΔG(en Cal/mol) = - 9.504 + 4,79xT(en K) En esta reacción, el ΔH siempre será menor que cero en el rango de trabajo para el proceso de reducción directa, o sea la reacción será siempre exotérmica, mientras que, según el ΔG, esta reacción será espontánea para temperaturas menores a 1.984 K (1.711 °C). La figura No 18 muestra la relación para el equilibrio entre las composiciones de los gases versus temperatura, para el sistema Hierro-Monóxido-Oxígeno. En el eje “x” está representada la temperatura en grados centígrados y en el eje “y” las concentraciones de hidrógeno y vapor de agua. En el diagrama se incluye la reacción de Boudouard en el sentido de la producción de CO: C + CO 2 → 2CO A una temperatura 800°C, se requiere una concentración de 65 % de monóxido, correspondiente a una relación CO 2 /CO = 0,54. En la reducción con monóxido se produce deposición de carbono. Fig. No 18. Sistema de Equilibrio Hierro-Monóxido de carbono-Oxígeno REDUCCIÓN CON MEZCLAS DE H 2 /CO (SISTEMA Fe - C- H- O) Como se ha mostrado anteriormente, el hidrógeno y el monóxido de carbono son gases reductores, esto indica que su afinidad por el oxígeno es tan alta que permite extraerlo de los óxidos de hierro para así reducirlo a hierro metálico. Cuando se mezclan ambos gases reductores, se produce un equilibrio con sus especies oxidadas, por lo que el H 2 y CO estarán en equilibrio con sus fases oxidadas H 2 O y CO 2 , tal como lo indican las siguientes reacciones: H 2 +1/2 O 2 H 2 O CO + 1/2O 2 2CO 2 K CO + H 2 O = CO 2 + H 2 40

Esta última reacción se conoce como reacción Shift, y es un equilibrio dinámico donde los gases reductores se encuentran en lados opuestos de la reacción. Para esta reacción el ΔH y el ΔG vienen dados respectivamente por las siguientes expresiones ΔH(en Cal/mol) = - 10.557 + 2,20xT (en K) y ΔG(en Cal/mol) = - 8.758 + 7,90xT(en K) La reacción es exotérmica y es espontánea a temperaturas inferiores a 1.109 K (835 °C), su constante de equilibrio está representada por la siguiente relación: K = 1,45x10 -2 e 4.624/T para T = 0 °C = 273 K valor de K = 3,29x10 5 T = 25 °C = 293 K valor de K= 1,04x10 5 T = 400 °C = 673 K valor de K= 13,98 T = 800 °C = 1.073 K valor de K= 1,08 Como es lógico la constante de equilibrio disminuye con el aumento de la temperatura, a bajas temperaturas disminuye la relación CO/CO 2 , mientras que a altas temperaturas disminuye la relación H 2 /H 2 O. La composición química de los diferentes gases en una planta de reducción directa puede determinarse “en línea” o en los Laboratorios de Control de Calidad, usando equipos de Cromatografía de Gases. Estos equipos determinan la composición del “gas seco”, o sea, sin la presencia de humedad, el gas a determinar pasa por a través de una sustancia desecante que elimina el agua antes ir al material que separa los diferentes gases con base en su tiempo de retención. Si se desea conocer el contenido de vapor de agua en el equilibrio, presente en la muestra, es necesario reportar la temperatura de toma, determinar el valor de la constante de equilibrio (K) para la reacción Shift y realizar los cálculos correspondientes. A continuación, se muestran los cálculos para una muestra de gases producida en un reformador estequiométrico a 800 oC (1.073 K): Composición del gas reformado “seco”: CH 4 = 0,36 % H 2 = 60,67 % CO = 36,72 % CO 2 = 2,25 % H 2 O = 0,00 % B. Masa = 100,00 % Gases reductores = 97.39 % Gases oxidantes = 2,25 % Temperatura = 800 oC = 1.073 K, para la reacción Shift K = 1,08 K = (H 2 )(CO 2 ) = 1,08 despejando la concentración de vapor de agua 41

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