Diseño de Una Planta Piloto Para Produccion de Cal

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERFACULTAD DE INGENIERA QUMICA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA

DISEO DE UNA PLANTA PILOTO PARA PRODUCCIN DE CALTrabajo Aplicativo

Presentado al:Ing. Romn Justo CALDERN CRDENAS. Facilitador del curso091B Diseo de Plantas Qumicas I.

Realizado por: BALDEON ORTIZ, Henry; Alumno del IX ciclo de Ingeniera Qumica.

Huancayo, 29 de abril del 2011

INTRODUCCION

El hombre desde la antigedad ha estado lleno de necesidades, las cuales han sido satisfechas por personas emprendedoras que han invertido en la creacin o renovacin de bienes o servicios capaces de cubrir estas necesidades. Para poder llevar a cabo la produccin de bienes o servicios es necesario realizar un estudio de factibilidad previo, que es una base slida que permite la toma de decisiones en referencia al costo de la inversin a travs del tiempo as como el nivel de recuperacin de la inversin y compara la rentabilidad de invertir en el proyecto con un costo de oportunidad.En el presente informe se hace un estudio de factibilidad para la inversin en una empresa dedicada a la produccin de cal. Para el estudio de mercado se hace un anlisis de la demanda existente as como el nivel de participacin que se desea alcanzar, se determina el mercado objetivo, el precio de venta y la estrategia de mercado para situar la empresa en la mente del consumidor.El estudio tcnico nos muestra la capacidad instalada de la planta de produccin se analizan los factores de operacin determinando el mejor flujo de operaciones que nos brindan un proceso eficiente aprovechando los recursos de una manera lgica y consciente.Para determinar la forma en que debe realizarse la inversin se hace un estudio financiero que nos brinda la base que sustenta si se debe invertir capital propio, buscar financiamiento para la inversin o llevar a cabo la inversin de una forma combinada entre capital propio y financiado.En el estudio econmico se hace un anlisis de los costos de inversin y operacin en que se incurrir a lo largo de la realizacin del proyecto y se comparan a travs del tiempo dichos costos en un tiempo actual para determinar si es o no rentable invertir en el del proyecto.

RESUMEN

Este informe trata sobre el sistema de operacin y el proceso que sigue la piedra caliza para su posterior conversin en cal llevada a cabo en una empresa piloto propuesta ; el proceso de produccin de cal nos conlleva a realizar un balance de materia y energa en el horno; para lo cual es necesario conocer el anlisis qumico promedio de la piedra caliza, anlisis mineralgico y la humedad que contiene el material as como de diversas caractersticas de que la materia prima presenta durante su procesamiento.

Tambin se cuenta como dato de que la ley del producto de calcinacin es de 85 a 95 % de CaO; con mayor incidencia en 91 % de CaO como producto y una completa conversin de MgCO3; estos datos se consideran de esa manera ya que luego de un estudio preliminar en diversas plantas de produccin de cal la eficiencia es la que estamos tomando como informacin valiosa para el diseo.

En el balance de materia se evala la posibilidad de re-circular la cal impura, pero esto conlleva a una mayor utilizacin de combustible en el horno y por ende a la mayor utilizacin de combustible.

OBJETIVOS

OBJETIVOS GENERALES

Disear una planta de produccin de cal.

OBJETIVOS ESPECFICOS: Determinar un Balance de materia para la produccin de cal. Determinar un balance de Energa para la produccin de cal. Dimensionar algunos equipos Tanques de almacenamiento, horno. Determinar el potencial econmico en la produccin de cal para ver la factibilidad econmica.

CAPITULO I

1. MARCO TEORICOLa piedra caliza es usada, directamente en su forma pura, o indirectamente como cal, en muchas industrias. La produccin de cal es uno de los procesos qumicos ms antiguo conocido por el hombre, data de civilizaciones ancestrales como Grecia, Roma y Egipto. Hoy, la cal es usada en la produccin de cemento, jabn, acero, caucho, productos farmacuticos, barniz, insecticidas, alimentos para planta, alimentos para animales, papel, yeso. Muchos tipos de productos, producidos alrededor del mundo, son, en una forma u otra, producidos empleando cal.

1.1 CAL:Existen dos tipos de cal:La cal viva (CaO), la cal apagada (Ca(OH)2) tambin existe la lechada de cal que no es mas que cal hidratada con un exceso de agua. La fabricacin de cales comprende dos procesos qumicos: calcinacin e hidratacin.

La cal viva es obtenida a partir de la calcinacin de la caliza (CaCO3) por la siguiente reaccin:CaCO3 CaO + CO2La cal apagada se obtiene a partir de la cal viva haciendo una reaccin estequiomtrica con agua, esta reaccin es exotrmica:CaO + H2O Ca (OH)2Por lo tanto la fabricacin de cales comprende dos procesos qumicos: calcinacin e hidratacin, a las cuales van asociados las operaciones de transporte, trituracin y pulverizacin de la caliza adems de la separacin por aire y el almacenamiento adecuado de la cal obtenida para evitar los procesos de recarbonatacin:Ca (OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

1.2 PROCESO DE CALCINADOEl proceso de calcinacin de la caliza ocurre en hornos del tipo rotatorio y vertical, pero la caliza que se introduce a estos hornos no puede ser cualquier caliza: La caliza no puede ser muy porosa o muy hmeda debido a que esto aumenta la demanda de combustible. La caliza utilizada no debe tener impurezas del tipo partculas de Si debido a que esta reacciona con el CaO formando silicatos, los cuales se acumulan en el fondo de los hornos, obstruyendo el paso del material 1.2.1 Ejemplos de hornos de calcinadoLos hornos utilizados son de distinto tipo, estos pueden ser: RotativosUsados generalmente para calcinar una caliza con un tamao pequeo de partcula (6-60mm) Equipados generalmente con calentadores previos y refrigerantes Estn mejor equipados para la obtencin de una cal de calidad debido a su instrumentacin Produce una cantidad mxima de cal por hombre-hora Su gran desventaja es su alto consumo de combustible VerticalesUsados generalmente cuando la cal obtenida no requiere de una gran pureza Son ms simples Constan de un alimentador de combustible y una correa calentadora Rendimiento de combustible es mayor que el horno rotativo Actualmente existen hornos ms modernos.1.3 FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES DE LA CAL OBTENIDAMuchas de las propiedades de la cal dependen de la calidad de la caliza utilizada como tambin del proceso de calcinado, y de estas propiedades, dependen los usos que se le d a la cal, aqu hay un breve resumen de estos factores que influyen en las propiedades de la cal obtenida: La dureza de la cal obtenida, depende de las impurezas de la caliza utilizada como tambin de la temperatura de calcinacin, una impura, da una cal dura si se calcina a temperaturas elevadas. La porosidad - y como consecuencia la densidad de las cales tambin depende de la temperatura de calcinacin, a mayor temperatura menor porosidad y por lo tanto una mayor densidad, como consecuencia de esto a mayor temperatura, la cal va perdiendo actividad qumica, es por esta razn que conviene sintetizar la cal a temperaturas lo ms cercanas a la temperatura de disociacin de la caliza. Las calizas que contienen entre un 15 30 % de materia arcillosa produce cales altamente hidrulicas (cales cementicias) 1.4 USOS DE LA CAL Y CARACTERSTICAS DE LA CALIZA DE DONDE SE OBTIENEN ESTAS CALESRespecto a los usos que se le de a la cal obtenida dependen los distintos grados de pureza que requiera la caliza, por ejemplo para la cal usada en la industria se requiere un grado de pureza mucho mayor de la caliza, si lo comparamos con la pureza requerida para usos agrcolas as para cada uso se dan caractersticas de la caliza para satisfacer necesidades y aqu se presenta un resumen: Para usos industriales Gran parte de la caliza no sirve por problemas de pureza, por esta razn gran parte de la cal se obtiene a partir de conchas de mar las cuales son basadas en CaCO3 puro. Para usos en construccin La cal se usa principalmente en enlucidos y estuco principalmente como cal hidrulica la cual contiene gran cantidad de impurezas silceas por que debido a esto la cal hidrulica fragua bajo el agua y tiene propiedades plsticas, generalmente se usa como sustituto del cemento, la cal hidratada se usa para la fabricacin de ladrillos de cal los cuales consisten en la cal hidrulica mas arena los cuales juntos forman silicatos monoclcicos los cuales tienen propiedades aislantes, por esto mismo se agrega a algunas carreteras de arena cal hidrulica para formar silicatos sobre esta y as formar un cemento natural donde obviamente no se requiere cal de gran pureza. Para usos agrcolas La cal se usa generalmente para neutralizar los cidos presentes en el suelo aunque se usa ms la caliza directamente para estos fines en donde se requiere poca pureza Para usos metalrgicosLa cal viva tiene un gran uso como fundente en la manufactura del acero donde se requiere una cal de una gran pureza, adems la cal se usa en el trefilado de alambres como lubricante, tambin se usa en la fabricacin de lingotes en moldes de hierro para evitar la adherencia de estos lingotes, otro uso de la cal es para neutralizar los cidos con los que se limpian los productos del acero, en este sentido se prefiere la cal para neutralizar que la caliza debido a que la caliza produce CO2 al contacto con cidos lo cual es un problema debido a que puede generar asfixias en los que lo manipulan. La lechada de cal se usa como aislante temporal a la corrosin, en el recocido del acero, se usa adems en casi todos los procesos para la extraccin de Mg, tambin para recuperar la slice de la bauxita, se emplea en la flotacin de minerales no frreos donde acta como depresor y mantiene la alcalinidad correcta, para todos estos usos metalrgicos se requiere una cal de una pureza superior a las anteriores y como consecuencia una caliza de una pureza mayor de donde sintetizar esta cal. Para usos varios Se usa la lechada de cal para neutralizar los gases nocivos producidos en la refinacin de metales, gases como H2S, SO2. Se usa la cal hidratada para la fabricacin de NaOH por la siguiente reaccin:Ca (OH)2 + Na2CO3 2NaOH + CaCO3.Tambin se usa en la fabricacin de carburo de calcio cuando reacciona esta con coque. La cal se usa tambin en el tratamiento de residuos de la industria del papel. Y en el tratamiento de las aguas potables para mejorar su calidad y tambin para ablandar agua, junto con sales de hierro se usa para coagular slidos suspendidos en el agua y tambin para neutralizar el agua cida que produce la corrosin de las caeras.1.5 EJEMPLO DE ALGUNOS USOS DE LA CAL Produccin de acetilenoCaO + 2C (coque) CaC2 (carburo)CaC2 + H2O CHCH (acetileno) + Ca (OH)2 Ablandamiento de aguasCaO + H2O Ca+2 +2OH-OH- + HCO3- CO3-2 + H2OCO3-2 + Ca2+ CaCO31.5.1 VARIEDADES COMERCIALES

Cal VivaMaterial obtenido de la calcinacin de la caliza que al desprender anhdrido carbnico, se transforma en xido de calcio. La cal viva debe ser capaz de combinarse con el agua, para transformarse de xido a hidrxido y una vez apagada (hidratada), se aplique en la construccin, principalmente en la elaboracin del mortero de albailera.

Cal hidratadaSe conoce con el nombre comercial de cal hidratada a la especie qumica de hidrxido de calcio, la cual es una base fuerte formada por el metal calcio unido a dos grupos hidrxidos. El xido de calcio al combinarse con el agua se transforma en hidrxido de calcio.

1.6 COMBUSTIBLE UTILIZADO PARA LA COMBUSTION:1.6.1 PETROLEO RESIDUAL No 6Debido 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 Fuel Oil N 6 (Bunker C), el porcentaje de los elementos presentes en dicho combustible se presenta en la tabla . Composicin del combustible Fuel Oil N 6

La siguiente tabla muestra los porcentajes de los elementos de la composicin corregida del combustible, debido a la presencia de ceniza.

CAPITULO II

2. DESCRIPCION DE LA TECNOLOGA

2.1 Calcinacin:Es el proceso metalrgico que consiste en someter a los carbonatos a temperaturas altas con el objetivo de producir la cal (CaO o MgO).2.2 Reacciones:Las reacciones se dan a partir de la piedra caliza de alto calcio dolomita por calcinacin en un horno de calcinacin, donde las reacciones qumicas son:

CaCO3 (caliza)+calor CaO +CO2CaCO3.MgCO3+calor CaO.MgO (cal)+CO2MgCO3+calor MgO+CO2

Nota: El tipo de material de CaCO3 con las cuales se va a disear la planta es la calcita.2.3 Rangos de Produccin:Dentro de los rangos de operacin para la produccin terica se toma como base: 100 Kg de CaCO3 produce 56 Kg de CaO y 44 Kg de CO2. 100 Kg de CaCO3.MgCO3 produce 52 Kg de CaO.MgO y 48 Kg de CO2. 100 Kg de MgCO3 produce 48 Kg de MgO.

2.4 Temperatura de Descomposicin y Poder Calorfico:La piedra caliza empieza a descomponerse a partir de 900 C requirindose un poder calorfico de 2.77 *10 6BTU/Ton 770 Kcal/Kg.Mientras que la dolomita comienza a descomponerse a una temperatura aproximada de 600C a 700C con una necesidad de 2.66 *106BTU/Ton 739 Kcal/Kg. como poder calorfico esto debe de tomarse incluso para operaciones muy ineficaces o de bajo rendimiento.

2.5 Tamao de Alimentacin y Tiempo de Calcinacin:La distribucin por tamao de caliza alimentada para todos los sistemas de calcinacin puede variar desde 250 micrones a 200 micrones.Las partculas ms pequeas se calcinan ms rpido y son usados en sistemas de corto tiempo de retencin y calcinadores de suspensin con tiempos de retencin de 2 a 30 minutos.Las grandes piezas de caliza requieren de largos tiempos de retencin que vara entre 5 a 20 horas y los hornos que operan con este rango de tamao son los de tipo chimenea (altos hornos), donde el alimento se puede encontrar hasta sobre 8 pulgadas.

2.6 Criterio de la calidad del Producto:El tamao de la partcula se relaciona directamente con la temperatura y tiempo de calcinacin.Las caractersticas fsicas y qumicas de la cal producida y una distribucin por tamaos muy uniformes del alimento son necesarias para producir una cal de buena calidad.Un quemado fuerte, denso, baja superficie y material poroso con baja reactividad es obtenido a alta temperatura.Un quemado suave, liviano, con alta superficie y cal porosa con alta reactividad es producida a bajas temperaturas.Las temperaturas de calcinados medidos en diferentes sistemas de calcinacin, varan sobre un amplio rango de 950 a 1480C ,dependiendo de los mtodos de medicin (temperatura del material, temperatura de conductos, temperatura de gas o temperatura de llama),de los tipos de combustible usado y propiedades deseadas de los productos.2.7 Tipos de Hornos para la Calcinacin de Carbonatos: Hornos Rotatorios Primarios: De 3/8 * 13/4 de alimento que opera entre rangos de 1120 y 1350C. Un producto duro o productos quemados a muerte son obtenidos en rangos de temperatura sobre 1315C. En ciertos pases como (EEUU), el 90 % de la cal producida proviene de hornos rotatorios .En estos se produce un producto de alta calidad, muy uniforme y se tiene con ellos altas capacidades, pero son relativamente caros. Los hornos rotatorios a menos que estn equipados con precalentadores y otros artificios para ahorrar combustible, poseen altos ndices de consumo de combustible. Hornos Tipo Chimenea: Generalmente producen una cal de baja calidad, adems de tener bajo consumo de combustible y bajo costo de inversin.Este tipo de horno en su forma ms simple es un cilindro vertical, alimentado desde su cima con roca calcrea chancada, usualmente ms grande que tres pulgadas y no mayor de 12 pulgadas.Los hornos tipo chimenea tienen distintas zonas; comenzando por la cima, la caliza primero es secada, luego precalentada, calcinada y finalmente enfriada. El flujo de gas a travs de un lecho de rocas formadas irregularmente, es tambin irregular, ocasionando encauzamientos frecuentes y por eso muchos tipos de horno de chimenea con variaciones han sido propuestos para conseguir un calentamiento uniforme de la caliza y as tener un producto uniforme.

CAPITULO III3.1 DIAGRAMA DE BLOQUES

MATERIA PRIMA CALIZA1HORNEADO2PULVERIZADOALMACENADO543COBUSTIBLEAIRE

3.2 DIAGRAMA DE OPERACIONES

11098765432ARMADO DEL HORNOLLENADO DEL HORNOCOLOCACION TAPADERASE CALIENTA EL HORNOPROCESO DE QUEMAPROCESO DE ENFRIAMIENTOLIMPIEZA DEL HORNODESCARGA Y EMPAQUE DE CALSE QUITA LA TAPADERACOLOCACION DEL QUEMADORCALIZAGASES DE COMBUSTIONCOMBUSTIBLEEMPAQUESCAL EMPAQUETADA

3145B - 110N - 1202

LEYENDA

EQUIPOSNOMBRE DEL EQUIPO

B-110Horno de calcinacin

N-120Quemador

COMPONENTESMATERIA PRIMA (kg)

1

2AIRE (kg)3COMBUSTIBLE (kg)4GASES DE COMBUSTION (kg)5CAL VIVA (kg)

CaCO381.82250000.5452

MgCO30.77030000

SiO20.77030000.7753

Al2030.03250000.3275

Fe2O31.09350001.1027

H2O 4.1921001.15710

Carbono006.748700

Hidrogeno000.779800

Nitrgeno037.58410.023176.83770

Oxigeno012.90590.00773.88760

Azufre000.015400

CaO00000

MgO00000.3704

CO200060.91060

SO20000.82270

otros1.35230001.3615

TOTAL90.033550.49007.5747143.61574.4826

CAPITULO IV

4.1 BALANCE DE MATERIA:Base de clculo: 50 kg de produccin por da Tenemos el anlisis del producto:

COMPUESTOCOMPOSICION (%)

CaO 91.0346

CaCO3 1.0904

MgO 0.7409

SiO2 1.5506

AL2O3 0.6550

Fe2O3 2.2055

Otros 2.7231

Tenemos los pesos moleculares:CaCO3MgCO3MgOCaOCO2

10084405644

Determinando el peso de cada compuesto en la salida:

Tenemos a la salida del horno:

COMPUESTOPeso (Kg)

CaO45.5153

CaCO30.5452

MgO0.37045

SiO20.7753

AL2O30.3275

Fe2O3 1.10275

Otros1.36155

Para la reaccin:CaCO3 (caliza)+calor CaO +CO2MgCO3+calor MgO+CO2Determinando el peso de CaCO3 en la alimentacin:

Determinado el peso de los otros componentes de la caliza a partir del cuadro de anlisis de la materia prima en la regin Junn:

COMPUESTOS %

CaCO394.96

MgCO30.90

SiO20.90

Al2030.38

Fe2O31.28

Otros1.58

Tenemos en la alimentacin del horno:

COMPUESTOS Peso (Kg)

CaCO381.8225

MgCO30.7703

SiO20.7703

Al2030.03252

Fe2O31.0955

Otros1.3523

Clculo de CO2 generado:

Segn la reaccin:

CaCO3 (caliza)+calor CaO +CO2

MgCO3+calor MgO+CO2

Dado que la materia prima tiene una humedad de 5% entonces:

BALANCE DE MATERIA DE LA CALIZA PARA EL HORNO

COMPOSICIN DE LOS GASES CO2 36.1694Kg H2O 4.2921Kg TOTAL 40.4615Kg

COMPOSICIN DE LA CALIZA CaCO3 81.8225Kg MgCO3 0.7703Kg SiO2 0.7703Kg Al2O3 0.03252Kg Fe2O3 1.0935Kg Otros 1.3523Kg H2O 4.2921Kg TOTAL 90.13Kg

HORNOCOMPOSICIN DE LA CALCINA CaO 45.5153Kg CaCO3 0.5452Kg MgO 0.37045Kg SiO2 0.7753Kg Al2O3 0.3275Kg Fe2O3 1.10275Kg Otros 1.3615Kg TOTAL 49.99Kg

4.2 BALANCE DE ENERGA: 4.2.1 Equilibrio trmico en el hornoEn 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.

4.2.1.1Flujos de calor en el horno:La figura 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.

La totalidad del valor calrico no es aprovechado durante la combustin para obtener el calor de disociacin de la caliza para poder producir cal viva.4.2.1.2 Calor de disociacinEl 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:

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 siguiente tabla:Entalpas de formacin:

Fuente : PERRY R, Chemical Engineers` Handbook , 7 Edicin.Por lo tanto el calor necesario para la disociacin es:

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:

Reemplazando los valores anteriores:

CAPITULO V5.1 DISEO DEL HORNO:5.1.1 CONSIDERACIONES DE DISEO:En el siguiente captulo se presenta los clculos correspondientes para el desarrollo del horno. 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 de los costo de produccin de forma directa.Como segundo aspecto de anlisis se toma en cuenta la parte estructural y los sistemas auxiliares del horno. 5.1.2 DESARROLLO DE LA CAPACIDAD DEL PROCESODebido a que la produccin del horno es de 50 Kg de cal 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 la cal viva.

.(6.1)Del clculo realizado en el captulo 5 en la seccin del clculo de balance de masa 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:

(6.2)Donde:CP: Capacidad del procesoCprod : Capacidad de produccinf : Factor de carga de materialEl factor de carga de material viene dado por la siguiente expresin:

Mediante la ecuacin (6.2) se calcula la cantidad de caliza que es necesaria cargar en el horno para obtener 50 kilogramos de cal.

Se concluye que para obtener una produccin de 50 kilogramos de cal viva es necesario suministrar en el horno una carga de 89.25 kilogramos de caliza.5.1.3 DISTRIBUCIN DE LA CARGAExisten varios aspectos que influyen en la composicin qumica de la caliza y en la posterior obtencin de la cal viva, la que no puede ser controlada sin un mayor impacto en el costo de fabricacin, por lo tanto, las variaciones en su calidad son generalmente aceptadas.Uno de estos aspectos es la temperatura de calcinacin, la que debe ser estrechamente controlada.Otro aspecto de importancia para lograr calentar en forma uniforme la caliza, es el tamao de las partculas que se alimentan al horno las cuales deben ser relativamente uniformes. En la figura N 6.1 se presenta una partcula grande en que el calor no penetra hasta el centro de sta, quedando carbonato de calcio en el corazn de la partcula y recubierta por xido de calcio, el centro de sta partcula es lo que llamamos arenilla. Para las partculas de tamao medio, el calor penetra en su totalidad completando la conversin de todo el carbonato en CaO. En la partcula pequea el calor llega rpidamente al corazn de la partcula y la cubierta de sta se sobre calienta formando una capa dura, donde el agua no puede penetrar, entonces el proceso de apagado es retardado o impedido.

Figura 5.1 Formacin de CaO

Figura 5. 2 Esquema de funcionamiento del horno5.1.4 ANLISIS ENERGTICO DEL HORNO5.1.4.1 Equilibrio trmico en el hornoEn el captulo 5 se desarroll de manera detallada el balance de energa y se obtuvo los resultados concluyendo que, la mnima cantidad de energa Q necesaria para la disociacin de la caliza expresada en kilogramos de cal viva producida es:

5.1.4.2 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 Fuel Oil N 6 (Bunker C), el porcentaje de los elementos presentes en dicho combustible se presenta en la tabla 4.2. (Ver anexo 2, Hoja tcnicas, Fuel Oil N 6 (bunker C))

Tabla 6.1 Composicin del combustible Fuel Oil N 6

La siguiente tabla muestra los porcentajes de los elementos de la composicin corregida del combustible, debido a la presencia de ceniza.

Durante el proceso de combustin completa los productos presentes son: H2O, CO2, SO2 y N2.

Una vez obtenido el balance de la ecuacin qumica se obtiene la relacin molar de aire-combustible mediante la siguiente expresin:

Relacin molar aire-combustible: 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:

Donde:WA : Es el peso molecular del aireWC : Es el peso molecular del combustibleLos 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 13.6 kg de aire para obtener una combustin completa.5.1.4.3 Consumo de combustiblePara el clculo de la cantidad necesaria de combustible para producir 50 kilogramos 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:

Donde:

Q min: Energa mnima de requerida para la disociacin

HHV : Es el valor calrico del combustible mc : Es la cantidad de combustible [ kg ]n : Es la eficiencia trmica.Por tanto la cantidad de combustible para la produccin de 50 kilogramos de cal viva es:

5.2 DIMENSIONAMIENTO DEL HORNOPara el clculo de las dimensiones efectivas se toman las siguientes consideraciones: La relacin existente entre al dimetro y la altura es de 1:2.Mediante el anlisis de las consideraciones anteriores se tiene que las dimensiones de una de las columnas son las siguientes:

Donde:V: Es el volumen de cada columnam caliza: Es la capacidad del proceso caliza : Es la densidad de la piedra calizaReemplazando los valores se tiene que:

Adems:

Mediante la solucin de las ecuaciones se obtienen las dimensiones efectivas de cada columna:

5.3 DISEO DE LOS COMPONENTES PRINCIPALES DEL HORNO5.3.1 Diseo de la cmara de combustinPara 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 dos zonas energticas que se muestran en la Figura 6.3.

0.423m0.15mZONA DE CALCINACIONZONA DE ENFRIAMIENTO0.286m

Figura 6.3 Zonas energticas del horno

5.3.2 Requerimientos de ladrillo refractario en las zonas energticas del horno Zona de calcinacinEn 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 porcentajes de los productos se presentan en la tabla 4.4, adems 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; los gases de escape productos de la combustin se encuentran a una temperatura de 800C aproximadamente y a la salida de tienen un temperatura de 150C aproximadamente.

5.4 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 = 1100 C Propiedades constantes de los gases de combustin. Tamao promedio de la piedra caliza dp= 40 mm, 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:f : Es la densidad del flujo, (gases de combustin): Viscosidad dinmica.k : Es la conductividad trmica de los gases de escape.Pr : Es el nmero de Prandt

Ecuaciones para el clculo del nmero de Reynolds

Donde:Re : Es el nmero de Reynolds.: Es el factor de flujo en una cama de slido.dp : Es el tamao promedio de la piedra caliza 4 cm.s : Es la densidad de la caliza.g : Gravedad 9.8m/s2

Con los datos anteriores se calcula el 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 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 la altas temperaturas y a los esfuerzos trmicos, este material tiene una conductividad trmica K=2.8 W/mK. La figura 6.4 muestra el circuito trmico en la zona de calcinacin.

Figura 6.4 Circuito trmico en la zona de calcinacin

Bajo 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 215mm.

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/mK.

Para este anlisis es necesario asumir una temperatura de la superficie Ts2 de 45C, ya que la temperatura ambiente en la regin es 18C 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:


El espesor de la capa de acero es de 4.42 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.

CAPITULO VI6.1 SELECCIN DE EQUIPOS6.1.1 SELECCIN DEL QUEMADOREl propsito de cualquier quemador de combustibles lquidos es preparar el combustible para el quemado en la combustin. Para garantizar el propsito del quemador, existen dos fases fundamentales que se deben cumplir en el proceso:

El combustible debe ser atomizado, es decir debe ser separado en partculas muy finas. El combustible se debe mezclar con el aire, con la finalidad de que este pueda combustionarse.Los quemadores se seleccionan de acuerdo al tipo de combustible que van a quemar, es decir las caractersticas del quemador dependen del tipo de combustible.

6.1.1.1 Aspectos de seleccin

6.1.1.1.1 La llamaSe define como el medio gaseoso en el que se desarrollan las reacciones de combustin; aqu es donde el combustible y el comburente se encuentran mezclados y en reaccin.La llama puede adoptar diferentes formas, segn el medio tcnico, y tambin la forma del quemador.

6.1.1.1.2 Frente de llamaEl frente de llama es la zona que marca la separacin entre el gas quemado y el gas sin quemar. Aqu es donde tienen lugar las reacciones de oxidacin principales. El espesor del frente de llama puede ir desde menos de 1mm hasta ocupar totalmente la cmara de combustin.

6.1.1.1.3 La propagacin de la llamaLa propagacin de la llama es el desplazamiento de sta a travs de la masa gaseosa. Se efecta esta propagacin en el frente de llama. La velocidad de propagacin va a depender de la transmisin de calor entre la llama y las zonas contiguas (gases quemados y no quemados). Cuando los gases sin quemar alcanzan la temperatura de ignicin, entonces empiezan a sufrir la combustin.Para que la llama comience y quede estable, se debe estabilizar el frente de llama. Para ello, se debe coordinar la velocidad de escape de gases y de propagacin de la llama con la entrada de comburente (aire) y combustible.

6.1.1.1.4 Condiciones para que se produzca la combustinPara que se produzca la combustin es necesario que se alcance la temperatura de ignicin, que es aquella a la cual la mezcla combustible - comburente no se extingue, aunque se retire la llama de encendido.

6.1.1.1.5 La inflamabilidad de la mezcla aire combustibleLa inflamabilidad de una mezcla gaseosa se define como la capacidad de propagarse la llama iniciada en uno de sus puntos. Solo se habla de inflamabilidad a temperaturas inferiores a la de ignicin. La inflamabilidad tambin depende de la velocidad de propagacin de la llama.

6.1.1.1.6 Temperatura adiabtica de combustinTambin se denomina temperatura terica de combustin o temperatura de combustin calorimtrica. Es la temperatura que se obtendra en una combustin estequiomtrica con mezcla perfectamente homognea y en un tanque que nos permita evitar cualquier prdida de calor al exterior. En muchos casos llega con valorar de modo aproximado el calor liberado para determinar la temperatura adiabtica de combustin. Esta temperatura aumenta con la potencia calorfica del combustible y disminuye con la capacidad calorfica de los productos de combustin.

6.1.1.2 Clculo de la potencia calrica del quemadorEl clculo de la potencia, se lo realiza para un quemador, de los clculos que anteriormente se realizaron se obtiene que la masa de combustible total mCT= 7.7137 Kg. de combustible. Esta masa de combustible se utiliza en la produccin de 50 kilogramos de cal al da. El horno consta de una torre, la cuales estn equipadas con 1 quemador, que funciona en intervalos de 15 minutos por carga de caliza. Los parmetros de seleccin del quemador se presentan en la tabla 7.1.Tabla 4.5 Parmetros de seleccin del quemadorMasa totalComb.Masa Comb./cadatorreMasaComb./cargaMasaComb./horaMasaComb./quemador

(Kg-comb.)(Kg-comb.)(Kg-comb.)(Kg-comb.)(Kg-comb.)

7.71377.71370.160.640.64

6.1.1.2.1 Potencia calricaUna vez obtenido el valor de la masa de combustible para cada quemador, se procede a calcular la potencia calrica del quemador, para proceder a su seleccin de a cuerdo a los catlogos de proveedores.


Donde:Q = Potencia calricam =Masa de combustible que utiliza un quemador, durante un ciclo del horno.Cp =Capacidad calrica del combustible, fuel oil 6.6.1.1.2.2 Caudal de combustiblePara dimensionar el sistema de almacenamiento de combustible, se calcula el caudal de combustible por cada quemador;

En base al resultado obtenido se selecciona el quemador UNIGRESS8001 ZL, las especificaciones se presentan a continuacin:Rango de control: 5-0.5 l/h.Dimetro de la lanza: 76.1 mm.Presin de trabajo: 9 - 36 bar. (130-522) psi6.1.2 TANQUE DE COMBUSTIBLEEl volumen del tanque de combustible principal viene dado por la siguiente expresin:

El tanque de suministro diario debe tener una capacidad de 8 litros de combustible.

CAPITULO VII7.1 ANALISIS ECONOMICO:

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERUFACULTAD DE INGENIERIA QUMICADEPARTAMENTO ACADEMICO DE INGENIERIA

PROYECTO DISEO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA PRODUCCION DE CAL .

100 18000 kg/aoBASES: 1) CAPACIDAD: TASA DE PRODUCCIN: % CAP. 2) PRECIO DE VENTAS: 3) MATERIAS PRIMAS: RELACION UNITARIA COSTO UNITARIO

S/. 1.75/ kg

S/. 0.10/ kg de calizaCALIZA1.8kg/kg de cal

S/. 1.24/kg de comb.COMBUSTIBLE0.15kg/kg de cal

C

COSTO ESTIMADO: $/AO CAPITAL ESTIMADO: $/AO

10500.00 Ant. Imp. Desp. Imp.Reembolso R.I. %...... VPN. Ventas Netas: Costos de produc. Ganancias: Ant. Imp. Desp. Imp. Depreciacin: .Fijo directo: Fijo indirecto: Fijo total: Trabajo: TOTAL: Materias Primas:. .Mat. Prima Total: Mano de Obra Directa: Mantenimiento: Servicios: Gastos Adicionales de Fbrica: Depreciacin: Impuestos y Seguros: Empaque: Sub Costo de Produccin: Investigacin: Gastos de Ventas: Gastos Administrativos: ..COSTO TOTAL DE PRODUCCIN Costo Fijo: .: Costo Variable:

0

10500.00

RESUMEN:

7200

54

240

CRITERIO DE RENTABILIDAD:

@ S/. 0.06 PRODUCCION

720

b) Estimacin y proyeccin base para el proyecto Diseo De Una Planta Piloto Para La Produccin De Cal.UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERUFACULTAD DE INGENIERIA QUMICADEPARTAMENTO ACADEMICO DE INGENIERIA

PROYECTO DISEO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA PRODUCCION DE CAL.

018000 kg/aoBASES: 1) CAPACIDAD: TASA DE PRODUCCIN: % CAP. 2) PRECIO DE VENTAS: 3) MATERIAS PRIMAS: RELACION UNITARIA COSTO UNITARIO

S/. 1.75/ kg


S/. 1.24/kg de comb.0.15kg/kg de cal

COMBUSTIBLE


20000

Ant. Imp. Desp. Imp.Reembolso R.I. %...... VPN. Ventas Netas: Costos de produc. Ganancias: Ant. Imp. Desp. Imp. Depreciacin: .Fijo directo: Fijo indirecto: Fijo total: Trabajo: 2000 TOTAL: Materias Primas:. CALIZA 3240 COMBUSTIBLE 3348 .Mat. Prima Total: 6588 Mano de Obra Directa: 7200 Mantenimiento: 54Servicios: 120Gastos Adicionales de Fbrica: 50Depreciacin: 100Impuestos y Seguros: 91.2 Empaque: 21.6Sub Costo de Produccin: 14224.8Investigacin: Gastos de Ventas: 720 Gastos Administrativos: ..COSTO TOTAL DE PRODUCCIN 15044.8Costo Fijo: .: Costo Variable:

0

20000

RESUMEN:

CRITERIO DE RENTABILIDAD:

@ S/. 0.06 PRODUCCION

100

c) Costos de materia prima para el proyecto Diseo De Una Planta Piloto Para La Produccin De Cal.


PROYECTO: DISEO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA PRODUCCION DE CAL.

BASES: 1) CAPACIDAD: TASA DE PRODUCCIN: % CAP. 2) PRECIO DE VENTAS: 3) MATERIAS PRIMAS: RELACION UNITARIA COSTO UNITARIO

018000 kg/ao

S/. 1.75/ kg



$ 0.08 /porcion CC01unid. C/porcin


20000 Ant. Imp. Desp. Imp.Reembolso R.I. %...... VPN. Ventas Netas: Costos de produc. Ganancias: Ant. Imp. Desp. Imp. Depreciacin: .Fijo directo: Fijo indirecto: Fijo total: Trabajo: TOTAL: Materias Primas:. .Mat. Prima Total: Mano de Obra Directa: Mantenimiento: Servicios: Gastos Adicionales de Fbrica: 17.5Depreciacin: Impuestos y Seguros: Empaque: Sub Costo de Produccin: Investigacin: Gastos de Ventas: Gastos Administrativos: ..COSTO TOTAL DE PRODUCCIN Costo Fijo: .: Costo Variable:

0

20000

0RESUMEN:

1440 20%

27

50%

0% 0

35%

100 100%

91.2 100%CRITERIO DE RENTABILIDAD:

0% 0

1675.7

100%

576 80%

0% 0

2251.7

2251.7

d) Componentes de costo fijos / variables


PROYECTO: DISEO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA PRODUCCION DE CAL.

BASES: 1) CAPACIDAD: TASA DE PRODUCCIN: % CAP. 2) PRECIO DE VENTAS: 3) MATERIAS PRIMAS: RELACION UNITARIA COSTO UNITARIO

100 18000 kg/ao

S/. 1.75/ kg



$ 0.08 /porcion CC01unid. C/porcin


20000 Ant. Imp. Desp. Imp.Reembolso R.I. %...... VPN. Ventas Netas: Costos de produc. Ganancias: Ant. Imp. Desp. Imp. Depreciacin: .Fijo directo: Fijo indirecto: Fijo total: Trabajo: TOTAL: Materias Primas:. .Mat. Prima Total: Mano de Obra Directa: Mantenimiento: Servicios: Gastos Adicionales de Fbrica: 50Depreciacin: Impuestos y Seguros: Empaque: Sub Costo de Produccin: Investigacin: Gastos de Ventas: Gastos Administrativos: 100..COSTO TOTAL DE PRODUCCIN Costo Fijo: .: Costo Variable:

CALIZA 0

COMBUSTIBLE20000

4 200

24200

315006588RESUMEN:

7200

5415044.8

12016445.2

16116.29

10010010% DL 10 ao V.U.

91.2 2% C.F.D.CRITERIO DE RENTABILIDAD:

21.6 @ $ 0.0143/porcin

14224.83,92,02

49,2925,63

720

S/./kg24200/16445.2= 1.47

15044.8

0,828624200/ 16116.29 = 1.5

2251.7 COSTO FIJO-D FERIDO

0,14151 086,6

0,627112793.1

e) Hoja de trabajo completa

HOJA DE TRABAJO DE EVALUACIN ECONMICA

PROYECTO: DISEO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA PRODUCCION DE CAL. Proyectista: Fecha: 07 08 11 Mtodo de depreciacin: Lnea recta 1. VAN: $ 50043.816 Taza de descuento: 10% 2. TIR: 47,5% Tasa de impuesto: 19% 3. PRC: 1.5 aos

Tasa de inflacin: 3% 4. B/C: TMAR : 20 % AOINGRESOS POR VENTACOSTO VARIABLECOSTO FIJOGANANCIA ANTES DE IMPUESTOSDEPRECIACINGANANCIAS QUE PAGAN IMPUESTOSIMPUESTOSFLUJO DE EFECTIVOFLUJO DE EFECTIVO CON DESCUENTOTASA DE DESCUENTO

-4

-3

-2

-1-4560-50161.1

0-4200-42001

1315003463.021 086,620650.3810018170.383452.372217198.007815634.70890.9091

2315008657.551 086,615455.8510012975.852465.411512990.438510736.59740.8265

33150013852.081 086,610261.321007781.321478.45088782.86926598.569630.7513

43150015583.591 086,68529.811006049.811149.46397380.34615040.776390.683

53150017315.11 086,66798.31004318.3820.4775977.8233711.63030.6209

63150017315.11 086,66798.31004318.3820.4775977.8233374.481080.5645

73150017315.11 086,66798.31004318.3820.4775977.8233067.818760.5132

83150015583.591 086,68529.811006049.811149.46397380.34613442.931460.4665

93150013852.081 086,610261.321007781.321478.45088782.86923724.814830.4241

103150012120.571 086,611992.831009512.831807.437710185.39233927.487270.3856

50043.816

CONCLUSIONES:

Se diseo una planta piloto de produccin de cal satisfactoriamente de donde se puede evaluar los aspectos importantes y concluir que es factible el diseo de una planta piloto de produccin de cal.

Se determin el balance de materia en una planta de produccin de cal.

Se determin el balance de energa en una planta de produccin de cal.

Se dimension los equipos presentes en la operacin donde se obtuvo los siguientes resultados:

Para el horno:

El espesor de la capa de refractario es 215mm El espesor de la capa de acero es de 4.42 mm, se toma una placa de acero 515 grado 60 En base al resultado obtenido se selecciona el quemador UNIGRESS 8001 ZL, las especificaciones se presentan a continuacin: Rango de control: 5-0.5 l/h. Dimetro de la lanza: 76.1 mm. Presin de trabajo: 9 - 36 bar. (130-522) psi El tanque de suministro diario debe tener una capacidad de 8 litros de combustible

Se determin la factibilidad econmica concluyendo : Al trmino del Proyecto se llega a la conclusin que es rentable, segn los criterios dinmicos de alternativas, los cuales se presenta a continuacin: El Capital Fijo Directo es S/. 20 000. El valor actual neto S/. 50043.816 este valor indica que el proyecto es rentable. El perodo de recuperacin de capital es 1.5 aos La TIR es 47,5%, segn la regla de decisin el proyecto es conveniente ya que el TIR hallado es mayor que nuestra tasa de inters de mercado. La relacin de B/C es 0,097 lo cual hace que el proyecto sea ms rentable

BIBLIOGRAFA

1. PERRY R, Chemical Engineers Handdbook, 7 Edicin, Editorial Mc Graw-Hill, Estados Unidos, 1999.2. CENGEL Y, Termodinmica Tomo II, 2 Edicin, Editorial Mc Graw-Hill,Mxico, 2000.3. INCROPERA F, Fundamentos de Transferencia de Calor, 4 Edicin,Editorial Prentice Hall, Mxico, 1999.4.- HOUGEN, WATSON Y RAGATS Principios de los procesos Qumicos. Edit . Reverte S.A U.S.A. 1986. 5.- www.calhidra.com.mx/Lsosindustriales.html#acero6.- www.qualical.com7.- wwwces.iisc.ernet.in/energy/HC27079/HDL/spanish/sk01ms/sk01ms09.html8.- wwwcalalbors.com.ar/historial.htm9.- www.quiminet.com.mx/sh9/sh_armRsDFarmaasd.htm

6.3 ANEXOS:

Figura 1: Diagrama de flujo grafico para una planta de produccin de cal

Figura 2: Fuel oil # 6.

Figura 3: MorteroFUENTE: ERECOS

Figura 4: Acero 515.FUENTE: ESTRADA J., Manual de Recipientes de Presin, Edicin 2001.

Diseño de Una Planta Piloto Para Produccion de Cal

Documents

Transcript of Diseño de Una Planta Piloto Para Produccion de Cal