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Problemas especiales de Hornos

HORNOS PROBLEMAS ESPECIALES

Universidad de Buenos Aires72.02 - INDUSTRIAS I

72.02 - Industrias I 2


HORNOS

• Alto Horno

• Horno Convertidor LD

• Hornos Eléctricos

• Horno rotativo para cemento

• Otros hornos



Otros Hornos

• Hornos especiales en la siderurgia

• Hornos para producción de cobre



Ejercicio 1

COMBUSTIÓN

Combustión: reacción química que consiste en la oxidación violenta de un elemento con desprendimiento de calor y generalmente llamas



Conceptos a tener en cuenta:

• Combustión perfecta

• Combustión completa

• Combustión incompleta

• Fórmulas generales de combustión de carbones e hidrocarburos

• Exceso de aire



Problema 1: el análisis de cierto carbón, utilizado para calentar un horno de reverbero, arroja la siguiente composición en peso: C 85%, H 5%, N 1%, S 2%, O 2%. Calcular el volumen de aire necesario en CNPT por tonelada de carbón considerando una combustión perfecta.



Horno de reverbero

Carbón

Aire

Gases de combustión

Para una tonelada de carbón, tenemos presentes:

C: 0,85 * 1000 kg = 850 kgH: 0,05 * 1000 kg = 50 kgN: 0,01 * 1000 kg = 10 kgS: 0,02 * 1000 kg = 20 kgO: 0,07 * 1000 kg = 70 kg

Resolución problema 1



Reacciones de combustión:

C + O2 CO2

H2 + ½ O2 H2O

S + O2 SO2

O2: 850 kg C * 32/12 = 2268 kg O2

O2: 50 kg H * 16/2 = 400 kg O2

O2: 20 kg S * 32/20 = 32 kg O2

Oxígeno necesario para las reacciones de combustión:

O2: 2268 kg+400kg+32kg = 2700 kg O2



Considerando el oxígeno presente en el propio carbón, el oxígeno necesario será entonces menor, según:

O2 necesario = 2700 kg – 70 kg =2630 kg O2

Luego, el volumen de aire necesario será (CNPT):

Volumen O2 (CNPT) = 2630000 gO2 * (1/32 g/mol) * 22,4 l/mol = 1841000 litros O2

Volumen Aire (CNPT) = 1841 m3 O2 / 0,21 m3 O2/ m3 aire

Volumen Aire (CNPT) = 8766 m3 aire/ton carbón



Variantes:

• Dada una cantidad y composición de gases de combustión calcular el exceso de aire

• Dada una cantidad de aire inyectado decir si se logra una combustión completa



Ejercicio 2

Tostación

Tostación: reacción química en la cual se calienta una sustancia en presencia de oxígeno



Ejercicio 2:

Se alimenta un horno de tostación con mineral de cobre de la siguiente composición (en peso):

Cu (presente como CuS – covelita): 6%

Fe (presente como FeS2 – pirita): 25%

Zn (presente como ZnS – blenda): 4%

S: 33,6%

SiO2: 20%

Otros (CaO, Al2O3, etc.): 11,4%



El mineral de Cu oxida a CuO, el de Fe a Fe2O3 y el de Zn a ZnO

A su vez, el análisis de los gases arroja los siguientes resultados:

SO2: 2,5%

SO3: 0,4%

Resto: O2 y N2 según relación 21%/79%



Se pide calcular:

1 - Peso de los productos de tostación obtenidos por tonelada de mineral procesado.

2 – Volumen de Gases de tostación por tonelada de mineral procesado.

3 – Exceso de aire.

Nota: durante la tostación también se produce la reacción:

SO2 + ½ O2 SO3



Resolución problema 2:

Horno de Tostación

0,06 * 1000 kg min= 60 kg Cu/tn min

0,25 * 1000 kg min= 250 kg Fe/tn min

0,04 * 1000 kg min= 40 kg Zn/tn min

Aire

Productos:CuOFe2O3ZnO

Gases:SO2 2,5%SO3 0,4%Resto: O2/N2 (relación 21/79)



Reacciones de tostación de los minerales

CuS + 3/2 O2 CuO + SO2

2 FeS2 + 11/2 O2Fe2O3 + 4 SO2

ZnS + 3/2 O2 ZnO + SO2

A su vez, ocurre la siguiente reacción:

SO2 + ½ O2 SO3




64 g Cu 64 + 16 = 80 g CuO

Entonces, 60 kg de Cu presentes en el mineral cargado producirán:

CuO producido = 80/64 * 60 kg CuO/tn min

CuO producido = 75 kg CuO/tn min



2 FeS2 + 11/2 O2 Fe2O3 +4 SO2

2*56 =112 g Fe 2*56 + 3*16 = 160 g Fe2O3

Entonces, 250 kg de Fe presentes en el mineral cargado producirán:

Fe2O3 producido = 160/112 * 250 kg Fe2O3/tn min

Fe2O3 producido = 357 kg Fe2O3/tn min

Del mismo modo:




65 g Zn 65 + 16 = 81 g ZnO

Entonces, 40 kg de Zn presentes en el mineral cargado producirán:

ZnO producido = 81/65 * 40 kg ZnO/tn min

ZnO producido = 49,85 kg ZnO/tn min

Del mismo modo:



CuO producido = 75 kg CuO/tn min

Fe2O3 producido = 357 kg Fe2O3/tn min

ZnO producido = 49,85 kg ZnO/tn min

Los productos obtenidos por tonelada de mineral son:



2 – Volumen de Gases de tostación por tonelada de mineral procesado.

Horno de Tostación

60 kg Cu/tn min

250 kg Fe/tn min

40 kg Zn/tn min

AireProductos:75 kg CuO357 Fe2O349,85 ZnO

Gases:SO2 2,5%SO3 0,4%Resto: O2/N2 (relación 21/79)



En base a la cantidad de producto obtenido, podemos calcular la cantidad de SO2 producido en las reacciones:


• Sabiendo que:

80 g CuO ⇒ 1 mol CuO

75 kg CuO ⇒ 1/80 * 75 kmol CuO = 0,9375 kmol CuO

1 mol CuO ⇒ 1 mol SO2

• Obtenemos: V1 = 0,9375 kmol SO2/tn min



Del mismo modo:

• Sabiendo que:

160 g Fe2O3 ⇒ 1 mol Fe2O3

357 kg Fe2O3 ⇒ 1/160 * 357 kmol Fe2O3 = 2,2313 kmol Fe2O3

1 mol Fe2O3 ⇒ 4 mol SO2


2 FeS2 + 11/2 O2 Fe2O3 +4 SO2



• Sabiendo que:

81 g ZnO ⇒ 1 mol ZnO

49,85 kg ZnO ⇒ 1/81 * 49,85 kmol ZnO = 0,6154 kmol ZnO

1 mol ZnO ⇒ 1 mol SO2



Del mismo modo:



Entonces, tenemos la siguiente cantidad de SO2 generado por las reacciones de tostación:

VSO2 = V1 + V2 + V3 =10,48 kmol SO2

En CNPT, 1 mol = 22,4 l = 22,4 dm3 = 0,0224 m3 con lo cual:

VSO2 = 234,7 m3 CNPT (generado por las reacciones de tostación)



Sabemos que parte de ese SO2 reacciona generando SO3, según la siguiente relación:

VSO2 real = 235 m3 – VSO3

VSO2 real = 0,025 * Vgases

VSO3 = 0,004 * Vgases

De modo que:

0,025 * Vgases = 235 m3 – 0,004 Vgases

Vgases = 235 m3 / (0,025 + 0,004)

Vgases = 8.103 m3 (CNPT)



La composición de los gases será:

VSO2 = 0,025 * 8103 = 202,6 m3 CNPT

VSO3 = 0,004 * 8103 = 32,4 m3 CNPT

VO2 =0,21 * (8103 – 202,6 – 32,4) = 1652,4 m3 CNPT

VN2 = 8103 – 202,6 – 32,4 – 1652,4 = 6216 m3 CNPT



3 – Exceso de aire

Calculemos la cantidad de aire estequiométrico necesaria para llevar a cabo las reacciones de tostación:


Recordando que el exceso de aire se define como:

e % = 100 * (aire real – aire esteq.)/aire esteq.

64 g Cu ⇒ 3/2 * (2*16) = 48 g O2

60 kg Cu ⇒ 48/64 * 60 kg O2 = 45 kg O2

VO2 (CuS) = 22,4 * 45/32 = 31,5 m3



2 FeS2 + 11/2 O2Fe2O3 + 4 SO2

Del mismo modo:

2*56 = 112 g Fe ⇒ 11/2 * (2*16) = 176 g O2

250 kg Fe ⇒ 176/112 * 250 kg O2 = 392,86 kg O2

VO2 (FeS2) = 22,4 * 392,86/32 = 275 m3




Del mismo modo:

65 g Zn ⇒ 3/2*(2*16) = 48 g O2

40 kg Zn ⇒ 48/65 * 40 kg O2 = 29,54 kg O2

VO2 (ZnS) = 22,4 * 29,54/32 = 20,68 m3



Teniendo en cuenta que ocurre la reacción:

SO2 + ½ O2 SO3

1 mol SO3 ⇒ 1/2 mol O2

VO2 (SO3) = 32,4 m3 * 1/2 = 16,2 m3

Con lo cual:

1 m3 SO3 ⇒ 1/2 m3 O2



La cantidad de aire estequiométrico será:

VO2 = VO2 (CuS) + VO2 (FeS2) + VO2 (ZnS)+ VO2 (SO3)

VO2 = 31,5 m3 +275 m3 + 20,68 m3 + 16,2 m3 = 343,38 m3

Aire esteq. = 343,38 m3 / 0,21

Aire esteq. = 1635 m3



El aire real lo podemos calcular sabiendo cuanto oxígeno contienen los gases que salen del horno:

Aire real = Aire esteq. + Aire gases

Aire real = 1635 m3 + 1652,4 m3/0,21

Aire real = 1635 m3 + 1652,4 m3/0,21

Aire real = 9504 m3



Entonces:

e % = 100 * (aire real – aire esteq.)/aire esteq.

e % = 100 * (9504 m3 – 1635 m3)/1635 m3

e % = 481 %



Variantes:

• Diferentes composición del mineral (la forma en que se oxidan es dato).

• Dada una composición de gases calcular la cantidad de aire a suministrar y el grado de riqueza de oxígeno de dicho aire.



Muchas gracias por su atención!

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