DISEO DEL HORNO VERTICAL1. CONSIDERACIONES DE DISEO El desarrollo de los clculos est basado primeramente desde el punto de vista energtico ya que la necesidad primordial es un bajo consumo energtico lo que contribuye a la disminucin del cost de produccin de forma directa. Como segundo aspecto de anlisis se toma en cuenta la parte estructural y los sistemas auxiliares del horno.

2. DESARROLLO DE LA CAPACIDAD DEL PROCESO Debido a que la produccin del horno es de 126 toneladas de CO2 por da es necesario realizar un balance entre la carga de caliza y la cantidad de produccin requerida, tomando en cuenta la siguiente reaccin qumica del carbonato de calcio para producir el CO2.CaCO3 + calor CaO + CO2 [1] Para este anlisis se parte del clculo de los pesos moleculares tanto de los reactantes como de los productos de la ecuacin [1]Los pesos moleculares de los reactantes y de los productos se presentan a continuacin:

Del clculo anterior se concluye que por cada 100 kg de CaCO3 se producen 56 kg de CaO y 44 kg de CO2.

La capacidad del proceso en el horno est dada por la siguiente ecuacin: [2]Donde: CP: Capacidad del proceso.Cprod : Capacidad de produccin. f : Factor de carga de materia.El factor de carga de material viene dado por la siguiente expresin:

Mediante la ecuacin [2] se calcula la cantidad de caliza que es necesaria cargar en el horno para obtener 126 Toneladas de CO2.

Se concluye que para obtener una produccin de 126 Toneladas de CO2 es necesario suministrar en el horno una carga de 286.398 Toneladas de caliza.El aspecto ms relevante es el tiempo de residencia largo en el horno secador, el cual est ligado de forma directa al tamao de la partcula de la caliza, es recomendable que dicho valor est en un rango de 20 a 30 horas, por tal motivo se considera que la caliza permanece dentro del horno 24 horas.

3. ANLISIS ENERGTICO DEL HORNO 3.1 Equilibrio trmico en el horno En el balance energtico del horno se tiene las siguientes condiciones de anlisis: Condiciones de estado estable Consideracin de conduccin unidimensional en un cilindro Combustin completa.

3.1.1 Flujos de calor en el horno La figura 1 muestra los flujos de calor en el horno, las prdidas de calor por radiacin, conveccin, conduccin, prdidas de calor en los gases de escape, prdidas de calor en la descarga de la cal viva y las prdidas adicionales.

Figura 1 Flujos de calor en el hornoLa totalidad del valor calrico no es aprovechado durante la combustin para obtener el calor de disociacin de la caliza para poder producir CO2.3.1.2 Calor de disociacin El calor til es el necesario para producir la disociacin de la piedra caliza y se obtiene a partir de los calores de reaccin de la siguiente ecuacin qumica: [3] Donde: Q : Es el calor de disociacin de la calizaXi : Es el nmero de moleshprod : Es la entalpa de formacin de los productos. hreact : Es la entalpa de formacin de los reactantes. Los valores de las entalpas de formacin de los compuestos presentes en la reaccin se muestran en la tabla 1.Tabla 1 Entalpas de formacin

Por lo tanto el calor necesario para la disociacin:

La mnima cantidad de energa Q necesaria para la disociacin de la caliza expresada en kilogramos de cal viva producida est dada por la siguiente ecuacin: [4]Reemplazando los valores anteriores se tiene que:

3.1.3 Proceso de combustin en el horno Debido a que la calidad de la cal producida por el horno est ligada de forma directa con la calidad del combustible, es necesario analizar el efecto de combustin del mismo. Para el anlisis de la combustin se considera que la combustin es completa con un exceso de aire del 20%.El combustible que se utiliza en el proceso es el coque, el porcentaje de los elementos presentes en dicho combustible se presenta en la tabla 2.Tabla 2 Composicin del combustible coque. COQUE

ElementoPorcentaje en Peso (%)

C90

H29.4

O20.3

S0.1

N20.2

Durante el proceso de combustin completa los productos presentes son H2O, CO2, SO2 y N2. [5]Una vez obtenido el balance de la ecuacin qumica se obtiene la relacin molar de aire-combustible mediante la siguiente expresin: [6]Donde: a : Es el nmero de moles de aire c : Es el nmero de moles de combustibleReemplazando los valores se tiene que:

Para calcular la relacin msica del aire con el combustible es necesario calcular el peso molecular del aire y del combustible. La relacin msica de aire combustible est dada por la siguiente ecuacin: [7]Donde: WA : Es el peso molecular del aire WC : Es el peso molecular del combustible Los pesos moleculares de aire y el combustible se presentan a continuacin:

Del resultado se concluye que por cada kilogramo de combustible es necesario una cantidad de 13.9 kg de aire para obtener una combustin completa.3.2 Consumo de combustible Para el clculo de la cantidad necesaria de combustible para producir 126 toneladas diarias es necesario asumir una eficiencia trmica del 50%, debido a que el sistema es un intercambiador de calor de flujo regenerativo, es decir en la zona de enfriamiento el calor sensible de la cal es completamente transferido al aire de enfriamiento, que entra en la zona de calcinacin a una temperatura entre 700 y 800 C para reaccionar con el combustible. Por lo tanto el calor sensible de la cal es completamente retomado en el proceso. El calor sensible de los gases de escape es tambin retomado en el proceso aunque no en su totalidad ya que la capacidad calrica en la zona de precalentamiento es mucho ms alta que la carga de caliza. La eficiencia trmica del horno viene dada por la siguiente ecuacin: [8]Donde:

Por tanto la cantidad de combustible para la produccin de 126 Toneladas de CO2 es:

4. DIMENSIONAMIENTO DEL HORNO Para el clculo de las dimensiones efectivas se toman las siguientes consideraciones: La capacidad del proceso 286.398 Tn CaCO3. La relacin existente entre al dimetro y la altura es de 1:4.Mediante el anlisis de las consideraciones anteriores se tiene que las dimensiones de una de las columnas son las siguientes: [9]Donde: V: Es el volumen de cada columna.m caliza: Es la mitad de la capacidad del proceso. caliza: Es la densidad de la piedra caliza.Reemplazando los valores se tiene que:

Adems: [10] [11]Mediante la solucin de las ecuaciones [10] y [11] se obtienen las dimensiones efectivas de cada columna:

5. DISEO DE LOS COMPONENTES PRINCIPALES DEL HORNO 5.1 Diseo de la cmara de combustin Para disear la cmara de combustin se debe calcular el volumen en el que tiene lugar la combustin. Se debe considerar en el diseo que las paredes de la cmara de combustin deben estar lo suficientemente calientes para que no interfieran en el proceso de combustin. Para el clculo de las paredes de aislamiento trmico se consideran las tres zonas energticas que se muestran en la Figura 2.

Figura 2. Zonas energticas del horno5.2 Requerimientos de ladrillo refractario en las zonas energticas del horno Zona de precalentamiento En la zona de precalentamiento est presente la caliza que llega desde el sistema de carga, debido a que este ingresa por gravedad y se produce un efecto de abrasin con la capa de refractario, adems la temperatura mxima aproximada en esta zona es de 800C. Estos factores conllevan al siguiente anlisis para poder determinar el tipo de material adecuado para dicha zona del horno.A la temperatura mencionada (800C), la causa ms importante en el desgaste que sufre el refractario se debe a la corrosin qumica, la cual depende de varios factores, entre los que se destaca la composicin del refractario. Sin embargo, se debe considerar tambin su estructura fsica ya que, en realidad, la constitucin del refractario no es homognea. De esta forma se presentan, por ejemplo fases vtreas, las que son ms dbiles que las fases cristalinas y as, ms fcilmente atacables cuando se incrementa la temperatura. Tambin es sabido que los poros y las grietas son fuentes de penetracin del medio agresivo, lo que lleva a tratar de obtener materiales con menor porcentaje de porosidad para incrementar su resistencia a la corrosin. Sin embargo, se debe tener cuidado al disminuir el porcentaje de porosidad en el refractario, debido a que esto hace que disminuya su resistencia al choque trmico, propiedad de significativa importancia para este tipo de materiales. En la zona de precalentamiento, actualmente se utilizan ladrillos de alta almina con un contenido de aproximadamente 70% Al2O3, debido a que contiene una gran cantidad de mullita y la ms baja cantidad de fase lquida de todos los ladrillo refractarios, tiene una baja porosidad, la mullita es un agente que aumenta la resistencia a la abrasin y evita la formacin de fase lquida es decir disminuye la reactividad de los ladrillos, adems la presencia del silicio y de calcio en refractario rodea la almina y evita el crecimiento de grano que posteriormente genera grietas. Zona de calcinacin En esta zona se utilizan ladrillos bsicos, a base de magnesita, debido a que tienen una menor reactividad con los xidos presentes en la piedra caliza y producida en la calcinacin de la misma, los ladrillos bsicos a base de magnesita tiene una dureza de 4 a 4.5 que es superior a la de la piedra caliza que tiene un valor de 3, y es un material casi infusible. Zona de precalentamiento En la zona de precalentamiento, los gases de escape productos de la combustin se encuentran a una temperatura de 800C aproximadamente y a la salida de tienen una temperatura de 150C aproximadamente. Consideraciones de diseo: Transferencia de calor en estado estable. Transferencia de calor en las paredes de un cilindro. La temperatura media Tm de los gases de escape es. propiedades constantes de los gases de combustin a la temperatura media. Tamao promedio de la piedra caliza dp= 150 mm, se considera una esfera para efectos de clculo. Se considera una cama de slidos. Bajo las consideraciones anteriores las propiedades de los gases de escape son:

Ecuaciones para el clculo del nmero de Reynolds:

Una vez calculado el nmero de Reynolds es necesario calcular el nmero de Nusselt para el caso de flujo externo en esferas mediante la siguiente expresin:

Reemplazando los valores se tiene que:

Mediante el nmero de Nusselt se calcula el coeficiente de conveccin h mediante la siguiente expresin:

La transferencia de calor por conveccin viene dada por la siguiente ecuacin:

Se considera que la temperatura Ts1 es de 600C y la temperatura Ts2 no debe exceder 250C para que no se generen puntos calientes en la placa de acero y en la manta cermica.En la zona de precalentamiento es necesario colocar refractario a base de almina, debido a su alta resistencia a los agentes abrasivos como la piedra caliza, este ladrillo tiene una conductividad trmica K=1.6 W/m.K.La figura 3. Muestra el circuito trmico del cilindro en anlisis.

Figura 3. Circuito trmico en la zona de precalentamientoBajo esta consideracin se tiene que el radio de la capa de refractario viene dado por la siguiente ecuacin:

El espesor de la capa de refractario es 60mm, se toman las dimensiones comerciales de los ladrillos cuyo espesor es de 153mm.

Zona de calcinacin En la zona de calcinacin los gases productos de la combustin se encuentran a una temperatura de 1200C aproximadamente.Consideraciones de diseo: Transferencia de calor en estado estable. Transferencia de calor en las paredes de un cilindro. La temperatura de los gases de escape es T= 1200 C. Propiedades constantes de los gases de combustin. Tamao promedio de la piedra caliza dp= 15 cm, se considera una esfera para efectos de clculo. Se considera una cama de slidos. Efectos despreciables de la resistencia de contacto.Bajo las consideraciones anteriores las propiedades de los gases de escape son:

Utilizando las ecuaciones [12] y [13] se tiene:

Una vez que se calcula el nmero de Reynolds es necesario calcular el nmero de Nusselt con la ecuacin [14] para el caso de flujo externo en esferas mediante la siguiente expresin:

Mediante el nmero de Nusselt se calcula el coeficiente de conveccin utilizando la ecuacin [15]:

La transferencia de calor por conveccin est dada por la ecuacin [16]:

Se considera que la temperatura Ts1 es 1000C y la Ts2 no debe exceder 250C, para que no se generen puntos calientes en la placa de acero.En la zona de calcinacin es necesario colocar refractario a base de magnesita debido a su resistencia a las altas temperaturas y a los esfuerzos trmicos, este material tiene una conductividad trmica K=2.8 W/mK.La figura 4. Muestra el circuito trmico en la zona de calcinacin.

Figura 4. Circuito trmico en la zona de calcinacinBajo esta consideracin se tiene que el radio de la capa de aislante viene dado por la ecuacin [17] y reemplazando los valores se tiene que:

El espesor de la capa de refractario es 201mm, se toman las dimensiones comerciales de los ladrillo de 305mm.Bajo la consideracin de las dimensiones comerciales de los ladrillos refractarios es necesario colocar tres capas de refractario, una capa de seguridad, una de desgaste y una para aislamiento para limitarlas prdidas de calor.La capa de material aislante es una manta de fibra mineral cuya conductividad trmica es K=0.078 (W/mK) y se calcula mediante la ecuacin [17], mediante el circuito trmico de la figura 4, se asume que la temperatura de toda la placa de acero del horno est 65C y que su radio es 1905 mm incluido las dimensiones comerciales de los ladrillos refractarios seleccionados.

Es necesario colocar una capa de 15 mm de manta de fibra mineral. Zona de enfriamiento En la zona de enfriamiento el aire de entra a temperatura ambiental y alcanza 600C aproximadamente en la zona de combustin. Consideraciones de diseo: Transferencia de calor en estado estable. Transferencia de calor en las paredes de un cilindro. La temperatura media Tm del aire de enfriamientos es Propiedades constantes del aire de enfriamiento a la temperatura media. Tamao promedio de la cal viva descargada dp= 0.84 mm, (se considera una esfera para efectos de clculo.) Se considera una cama de slidos. Se considera un cilindro equivalente de radio igual al radio mayor del tronco de cono y de altura igual altura para poder determinar el espesor de refractario necesario. Efectos despreciables de la resistencia de contacto.Bajo las consideraciones anteriores las propiedades de los gases de escape son:

Utilizando las ecuaciones [12] y [13] se tiene:

Una vez calculado el nmero de Reynolds es necesario calcular el nmero de Nusselt con la ecuacin [14], para el caso de flujo externo en esferas mediante la siguiente expresin:

Mediante el nmero de Nusselt se calcula el coeficiente de conveccin utilizando la ecuacin [15]:

La transferencia de calor por conveccin est dada por la ecuacin [16]:

Se considera que la temperatura Ts1 es 400C y la Ts2 no debe exceder 250C para que no se generen puntos calientes en la placa metlica.En la zona de precalentamiento es necesario colocar ladrillo refractario de alta almina el cual tiene una conductividad trmica k=1.6W/m.KLa figura 5 muestra el circuito trmico en la zona de enfriamiento.

Figura 5. Circuito trmico en la zona de enfriamientoBajo esta consideracin se tiene que el radio de la capa de aislante viene dado por la ecuacin [17]:

El espesor de la capa de refractario es 10 mm, se toma el espesor de los ladrillos comerciales que es 51mm.Ahora es necesario determinar el espesor de la placa de acero, para este caso se toma la seccin de calcinacin y se establece las siguientes consideraciones:Consideraciones de diseo: Transferencia de calor en estado estable. Transferencia de calor en las paredes de un cilindro. Efectos despreciables de la resistencia de contacto. Prdidas de calor por radiacin con el exterior despreciable. La temperatura Ts1 es 65C. La conductividad trmica del acero es 69.5W/m.K.

La figura 6. Presenta el circuito trmico equivalente para determinar el espesor de la placa de acero:

Figura 6. Circuito trmico de la capa de aceroPara este anlisis es necesario asumir una temperatura de la superficie Ts2 de 45C, ya que la temperatura ambiente en la regin costa es 25C y la temperatura de la placa debe ser mayor a dicho valor, bajo esta consideracin se tiene que el radio de la capa de aislante viene dado por la ecuacin [17]:

El espesor de la capa de acero es de 18,6 mm, se toma una placa de acero 515 grado 60, material recomendado para recipientes sujetos a presin interna cercana a la atmosfrica y temperaturas entre 800 y 1300C, con un espesor de 16 mm.Diseo de las tolvas de alimentacin Para el dimensionamiento de las tolvas de alimentacin se considera que la mayor carga que soporta es 0.223 Toneladas que corresponde a la cantidad de caliza depositada por cada descarga del transportador de canjilones de materia prima correspondiente a la dcima parte de la carga total por carga de calcinacin. Por tanto el volumen de la tolva debe ser:

La forma es simtrica y las dimensiones de las tolvas, se muestran en la figura 7.

Figura 7. Forma y dimensiones de la tolva de alimentacinDiseo de la tolva de descarga Para el dimensionamiento de la tolva de descarga se considera que la mayor carga que soporta es 1.249 Toneladas que corresponde a la cantidad de cal viva en cada intervalo de trabajo. Por tanto el volumen de la tolva debe ser:

Las dimensiones de la tolva de descarga, se presentan en la figura 8.

Figura 8. Dimensiones de la tolva de descarga