UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER

INFORME DE LA PRACTICA PROCESO DE CALCINACIN DE LA CALIZACATEDRA:

TRANSFERENCIA DE MASA Y CALOR (PRCTICA)

CATEDRTICO: SEMESTRE:

ING. EDGAR CAMPOSANO CHAMBERGO

VII

INTEGRANTES:

ALVARADO POMAYAY SHIRLEY

INFORME DE PRCTICA N 01 PROCESO PIROMETALRGICO DE CALCINACIN

1. OBJETIVO Conocer el proceso de calcinacin aplicado a la piedra caliza, mediante pruebas de laboratorio con carbonato de calcio. 2. MARCO TERICO La piedra caliza es un mineral que se encuentra en forma natural en la naturaleza y que existe prcticamente en todo el mundo. Su composicin qumica vara grandemente entre los yacimientos de diferentes regiones y tambin entre yacimientos de este mineral en una misma regin. Por lo tanto, el producto final para cada depsito de un yacimiento natural ser diferente. Para que una caliza sea calificada cmo conveniente para un proceso de calcinacin, debe contener como mnimo un 50 % de carbonato de calcio. En general, toda piedra caliza contiene una mezcla de minerales, tales como CaCO3, MgCO3, CaO, Hierro, Slice, Almina y rastros de otros componentes Revisar el efecto de todos estos componentes en la conversin de la Piedra Caliza en Cal Viva, est ms all del alcance de este paper, sin embargo nos concentraremos en el mineral principal, - el CaCO3 -. 1) PIEDRA CALIZA NATURAL

A) Impurezas: Cmo dijimos ms arriba, las impurezas en la caliza, afectan la calidad de la Cal Viva final. Tpicamente la Cal Viva est compuesta por los siguientes minerales Carbonato de Calcio Carbonato de Magnesio Slice

Almina Fierro Azufre y trazas de otros minerales

De los minerales enumerados ms arriba, slo el Carbonato de Calcio y el Carbonato de Magnesio son interesantes. Estos dos minerales constituyen el 85 al 90 % del total de la composicin de la piedra caliza. Dos tipos de cal se producen tratando estas piedras calizas, Cal Clcica y Cal Magnsica La Piedra Caliza con alto contenido de Calcio, cuando se calcina, tiene entre un 90 y 95% de CaO y un 1 y 2% de MgO. La Piedra Caliza Magnsica cuando se calcina tiene entre un 60 y 65 % de CaO y un 35 a 40% de MgO. Este tipo de caliza es llamada piedra caliza dolomtica. Nosotros limitaremos nuestra discusin en este paper a la Piedra Caliza Clcica B) Estructura Cristalina de la Roca La estructura del cristal afecta el grado de la calcinacin y la resistencia interna de la Piedra Caliza tambin determinan el tamao del cristal de CaO. Los cristales pequeos coagulan durante la calcinacin, formando cristales ms grandes, esto causa una contraccin y reduccin del volumen. A mayor temperatura del horno, mayor coagulacin, por lo tanto un mayor contraccin del volumen. C) Densidad de la Piedra Caliza y Estructura del Cristal La densidad de la Piedra Caliza y la Estructura Cristalina estn en alguna forma correlacionada. La forma del cristal determina los espacios entre cristales, y esto la densidad de la piedra caliza.

Grandes espacios, permitirn alcanzar un gran paso de los gases de CO2 durante la calcinacin, pero esto tambin resultar en una reduccin del volumen durante la calcinacin. Algunas piedras calizas, debido a su estructura cristalina, se desaceran en el proceso de calcinacin. Este tipo de piedra caliza no tiene ningn valor para el proceso de calcinacin. Otras piedras calizas actuarn al contrario y llegarn a ser tan densas durante la calcinacin que ellos impedirn el escape de CO2 y llegarn a ser no porosas. Tambin, este tipo de piedra caliza no es conveniente para el proceso de calcinacin.

2) PROCESO DE CALCINACIN

A) Temperatura del Horno Calcinador La temperatura actual requerida para calcinacin es de

aproximadamente 900 C, sin embargo, en la prctica encontramos que la temperatura es mucho mayor, alrededor de los 1350 C. La determinacin de la temperatura correcta en el horno calcinador, es hoy ms un arte que una ciencia, y esta depender del tamao de la piedra caliza, del tipo de horno y el tipo de combustible usado. El Operador del horno calcinador debe experimentar para determinar la temperatura exacta necesaria, para el tamao de la piedra caliza que se utiliza. En general, es mucho mejor usar una temperatura baja con el menor tiempo de residencia posible, para lograr la calcinacin completa. Una temperatura alta de calcinacin causara un alto encogimiento y una reduccin del volumen de la cal.

Una alta temperatura, causar tambin una re-carbonatacin en la superficie de la cal en guijarros, la que en presencia de CO2 del

ambiente interior del horno calcinador, har que la cal no sea porosa, lo que no es conveniente para la hidratacin. B) Relacin de Incremento de la Temperatura El aumento de la temperatura debe ser gradual y uniforme. Esto es particularmente importante cuando se usan guijarros de piedra caliza de un tamao grande (4 a 6). Cuando se calcina piedra caliza de este tamao, la piedra caliza quedar porosa durante el proceso. Mientras la temperatura se incrementa, la capa exterior de la piedra caliza es calentada a la temperatura de disociacin, donde el CO2 escapar desde la piedra, formando a su salida pasajes capilares, lo que hace que la cal sea porosa. A medida que el gas escapa, la piedra caliza disminuye su volumen por una cantidad de 40 %. Esta disminucin en volumen restringe el paso del gas desde el centro de la piedra, impidiendo que el gas escape. Si se incrementa el tiempo de residencia, se combinar el CaO con el CO2 que escapa de la piedra caliza y que permanece en el ambiente del horno, formando CaCO3 (re-carbonatacin) a temperaturas elevadas sobre 1350 C. Una buena prctica, es usar piedra caliza que tengan un tamao entre 1 y 2, en los hornos rotatorios. Este tamao de piedra caliza, tendr un calentamiento rpido, un corto tiempo de residencia y una mnima cantidad de centros no calcinados. En conclusin, Los tamaos pequeos de piedra caliza (1 y 2), son mas conveniente para la calcinacin en hornos rotatorios y permiten un tiempo ms corto de residencia. Esta menor temperatura de calcinacin, permite tambin un menor consumo de combustible. Sin embargo, para hornos verticales de un solo eje y de mltiples ejes, se necesitan tamaos ms grandes de piedra caliza y una baja temperatura de calcinacin. Si el incremento de temperatura es muy rpido, la capa exterior de los pedazos de la piedra caliza se calcinaran muy rpidamente. Con el incremento rpido de la temperatura, la superficie de los pedazos de

piedra caliza se encoger, cerrando los poros creados por el escape de CO2. Lo anterior dar como resultado, el incremento de la presin interna de la piedra de caliza. Entonces al no poder escapar el CO2 del interior de la piedra caliza, dar como resultado una explosin de la piedra caliza y su desintegracin, lo que se traduce en una reduccin de la calidad del xido de calcio CaO. C) Tiempo de Retencin en el Horno El tiempo de retencin en un horno, depende del tamao de la piedra caliza y de la temperatura de calcinacin. Lo ms crtico es el tamao de la piedra caliza. Cuando la piedra caliza entra a los hornos, es expuesta a los gases caliente dentro del horno. La relacin de penetracin del calor a la piedra caliza est basada en el T (Temperatura de la Piedra v/s la Temperatura de los Gases). Adems del T, hay que considerar el tiempo que toma el calor para penetrar la piedra caliza. Mientras menor sea el tamao de la piedra, ms corto ser el tiempo de penetracin del calor. En el caso de piedra caliza pulverizada o en polvo, este tiempo se reduce a menos de un minuto. Si el tiempo de retencin es muy corto, el centro de la piedra caliza se mantendr como Carbonato de Calcio (CaCO3), mientras las capas exteriores se convertirn en xido de calcio (CaO). Si el tiempo de retencin es muy largo, la superficie de las piedras se encogern y los poros creados por el escape del CO2 se cerrarn, causando una superficie impermeable, este tipo de piedra caliza es llamada Cal Hard Burned (Cal Quemada) Dead Burned (Cal muerta). Esta cal no se transforma en lechada de cal en los slaker Standard. Adems, que un largo tiempo de retencin produce una disminucin de la produccin y altos costo de manufactura. D) Concentracin de CO2 en el Horno A medida que el CO2 escapa del interior de la piedra caliza durante el proceso de calcinacin, la concentracin de CO2 se incrementa en la atmsfera interior del horno.

Para el proceso propio de calcinacin es necesario ventear o extraer el CO2 en forma continua. Si el CO2 no es venteado extrado, la combinacin de una alta concentracin de CO2 con una alta temperatura de calcinacin producir una re carbonatacin del CaO (En la superficie de las piedras) y se convertir nuevamente en CaCO3. Adems, el CO2 y el CO reaccionarn con las impurezas de la piedra caliza, impurezas que son parte de los componentes inertes de la piedra caliza. E) Tamao fsico de la Piedra Caliza por tipo de horno

Dependiendo del tipo de horno que se utilizar para la calcinacin de la piedra caliza, el tamao de la piedra que se cargar ser diferente. Horno Vertical. En este tipo de horno la piedra caliza se mueve hacia abajo, y los gases calientes hacia arriba a travs de la piedra caliza, por esto la piedra caliza debe ser grande para proporcionar las cavidades suficientes para que el aire caliente suba a travs de la piedra en el horno. Este tipo de horno usa piedra caliza con un tamao usualmente entre 5 y 8. En los hornos verticales el incremento de temperatura debe ser lento y por lo tanto el tiempo de residencia es alto. La temperatura tpica de funcionamiento de operacin de estos hornos est entre los 900 y 1000 C.

Nota: Las temperaturas dadas en este paper, son aproximadas, y existe una gran variacin de estas Temperaturas en la Industria.Los Hornos verticales son eficientes en el uso del combustible, pero estn limitados por su capacidad. Horno Horizontal. En los hornos de tipo vertical, el cuerpo del horno gira (rota), permitiendo que la piedra caliza, ruede y exponga toda su superficie a los gases calientes.

El tamao tpico de piedra caliza a usar en este tipo de horno est entre 1 y 2. Siendo el tamao ideal para este tipo de horno, una piedra caliza entre y . La uniformidad del tamao de la piedra caliza es lo ms importante para el proceso de calcinacin uniforme, pero desde un punto de vista prctico, el tamao pequeo es caro, debido a los mltiples harneados requeridos. Los tamaos pequeos de piedra caliza tales como y menos con un cierto porcentaje de finos en un horno vertical, estos, tenderan a depositarse sobre la masa, reduciendo la exposicin de las partculas a los gases calientes. Este proceso dar como resultado una exposicin desigual a los gases calientes, reduciendo la calidad de la cal viva. En los Hornos verticales la presencia de piedra caliza en polvo, bloquear los espacios entre las piedras, esto interfiere con el paso de los gases calientes y por lo tanto la transferencia de calor, causando una calcinacin desigual. Adems las partculas pequeas de piedra caliza, menos de 1/8 tienden a desintegrarse, generando polvo el que debe ser removido por un colector de polvo. F) Tipo de Combustible Usado La mayor cantidad de las calcinadoras usan como combustible petrleo, carbn gas natural. Tpicamente un horno del tipo vertical usa como combustible petrleo gas natural y los hornos de tipo horizontal usan carbn. Sin embargo, los diferentes tipo de horno pueden usar cualquiera de los combustibles mencionados. El carbn generalmente es pulverizado e inyectado a la cmara de combustin. Tanto el petrleo como el carbn contienen cierto porcentaje de Azufre o compuestos de Azufre. Estos varan entre 0.5 % y 3 %. A una temperatura apropiada el Azufre se combina con el CaO, produciendo Sulfuro de Calcio Sulfato de Calcio.

Esto sucede generalmente en la superficie de los guijarros de CaO y producen entonces de que estos guijarros de CaO no sean porosos. Por lo tanto estos guijarros no son apropiados para el proceso de apagado. Adems, el alto porcentaje de ceniza en el carbn dar como resultado acumulaciones de ceniza en los refractarios del horno, interfiriendo con el flujo de la piedra caliza dentro del horno. El horno deber ser peridicamente enfriado y la ceniza depositada en los refractarios retirada manualmente, lo que es un alto costo de operacin. El gas natural es el combustible ms limpio y es el ms usado en los hornos verticales. Para calcinar piedra caliza y obtener cal de grado alimento, el gas natural debe ser el combustible elegido. G) Pre-Calentamiento y Enfriado La calcinacin de la Piedra Caliza es de un intenso consumo de combustible y las cantidades a usar en el proceso son grandes. La mayor parte del desecho de energa viene de la descarga de los gases del horno. Para mejorar la eficiencia del consumo de combustible, la industria ha ideado los siguientes procesos: Los gases calientes de salida son usados para pre calentar la piedra caliza antes de entrar al horno. Esto no solo recupera una parte sustancial del calor de los gases de salida (escape), sino que reduce tambin el tiempo de residencia dentro del horno, reduciendo el tamao del horno. Cuando la Piedra Caliza ha sido calcinada y sale del horno, esta al rojo vivo y con una temperatura de alrededor de 1200 C. Esto representa una sustancial fuente de calor. Para recuperar parte de este calor, el aire fresco de combustin se usa para enfriar la Cal Viva, dando como resultado aire fresco caliente el que es alimentado dentro del horno. Este aire calentado mejora la eficiencia del consumo del combustible por la recuperacin de parte del calor de desecho. La calcinacin de la piedra caliza es hecho en una forma continua, evitando as el calentamiento y enfriamiento del horno calcinador. Esta calcinacin continua reduce el

consumo de combustible y minimiza la degradacin de las lneas refractarias del horno calcinador. 3. MATERIALES Y EQUIPOS Mufla Balanza Crisoles de arcilla Esptulas Cronmetro 2 vasos de precipitacin de 100 ml Luna de reloj Carbonato de calcio

4. PROCEDIMIENTO Acondicione la mufla previamente a 900C

Identifique y registre el peso del crisol a utilizar (Wcrisol) Pese 10g de carbonato de calcio dentro del crisol (Wcrisol+mineral)

Introduzca el crisol en la mufla y mantngalo a 900C durante 40 minutos, registre las temperaturas cada 5 min de la mufla.

Despus de transcurridos los 40 minutos, deje enfriar los crisoles por espacio de 1 hora

Registre el peso del crisol despus de la calcinacin (W crisol+mineral).

En un vaso de precipitacin echar un poquito de este mineral calcinado (CaO) con agua y observar que es lo que sucede.

5. RESULTADOS Tabla 1.- Registro de temperaturas vs. Tiempo Tiempo (minutos) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 TC mufla 877 893 898 900 900 900 900 900 900

Tabla 2.- Balance de masas Crisol N 1 2(mineral) 3 4(mineral) 5 6(mineral) Con CaCO3 antes del proceso 100.2 104,5g 109.7g Pesos Con CaO despus del proceso 95.1g 99.9g 106.1g 6.4g 5.6 Cao Obtenido 4.9g 5.4g Terico 5.6 5.6

Vaco 90.2g 10g 94.5g 10g 99.7g 10g

6. DISCUSIN DE RESULTADOS En funcin de los resultados obtenidos y a la teora conocida discuta si la reaccin fue completa al 100%. No se pudo determinar con exactitud debido a la falta de materiales. Se observ que el primer crisol con Cao no se calcin bien, presentaba en la superficie un color blanco, pero cuando se desmenuz se vio un color plomizo producto de las impurezas que aun quedaban sin calcinar, es por eso que se elev la temperatura a 1000C, porque se supuso que la temperatura terica no era suficiente para eliminar las impurezas de este mineral, ya que era una caliza impura y por lo tanto necesitaba mayor temperatura para calcinarse por completo. Despus de 15 min despus de haberlo calcinado a 1000C se obtuvo CaO muy blanco que probablemente aun haya guardado impurezas.

Si fuera el caso, porque cree Ud. que no reaccion todo el carbonato de calcio, si la temperatura era ptima y considerando que el tiempo de residencia en la mufla fue en exceso suficiente.

-Por la composicin qumica y las propiedades de la caliza, es decir dependen de la naturaleza y cantidad de las impurezas de la piedra original. -Porque la presencia de un 5% o ms de materia silcea en una caliza puede ser perjudicial para el rendimiento en la fabricacin de cal y para la calidad de cal producida.

De acuerdo a la teora expuesta que tipo de cal (CaO) hemos obtenido, se produjo sinterizacin de las partculas. S hubo sinterizacin, las partculas de Cao se aglomeraron en pequeos grumos blancos (sinter)

7. CONCLUSIONES La temperatura de calcinacin terica no es siempre igual a la temperatura a la que se debe calcinar en la prctica ya que todo depende de la pureza de la caliza, y depende tambin del grado de pureza de CaO que queremos obtener para el determinado uso que se le quiere dar. El rendimiento de la calcinacin depende tambin de la forma y del tamao de la caliza. Al final de la calcinacin, siempre quedan partculas de carbonatos de calcio o de magnesio que no se descompusieron; si esta cantidad de partculas es muy grande, la cual ser pobre o un producto con poca cal disponible; a esta cantidad se le llama prdida al fuego del producto La reaccin que se produce del CaO con el agua es exotrmica, es decir libera calor, es por eso que cuando se produce CaO para comercializarlas, es necesario tomar algunas precauciones para prevenir al Apagado Areo. 8. BIBLIOGRAFA http://www.buenastareas.com/ensayos/Calcinacion-DeCaliza/1619034.html http://www.docentes.utonet.edu.bo/cvelascoh/wpcontent/uploads/Calcinacion.pdf

9. ANEXOS