propuesta tecnico economica para cal p24.docx

Estudio de la Cinética de la Calcinación de Carbonato de Calcio_________________________________________________________________________________________________________________________

Sads

1. INTRODUCCIÓN

Estudio de la Cinética de la Calcinación de Carbonato de Calcio

MicronizadoCargua J.*

*Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria, Quito, Ecuador

e-mail: [email protected]

Resumen Ejecutivo El presente trabajo detalla una propuesta económica cuyo objetivo es confirmar la rentabilidad de la Producción de Cal P-24 mediante el diseño de una planta de producción que permita obtener un producto de igual o mejor pureza que el ofertado en el mercado. Mediante un proceso efectivo se pretende obtener como producto hidróxido de calcio hidratado más conocido como Cal P-24 por su alta demanda en el mercado al ser la materia prima para diferentes procesos industriales que incluyen la producción de cemento, industria de la construcción, sectores agrícola y de alimentos, etc. El proceso a desarrollares utiliza como materia prima caliza con un 98 % de carbonato de calcio puro cuya conversión luego de un proceso de calcinación es del 90% para la obtención de hidróxido de calcio que es hidratado para obtener el producto de interés. A partir de aproximadamente 1.95 toneladas de materia prima por hora con un costo de 52 dólares por tonelada es posible obtener 1.5 toneladas de producto con una pureza del 65% en una hora con un precio de 230 dólares por tonelada, si los datos son extrapolados para un año de producción se generarían $ 2 980 800 anuales.

Para poner en funcionamiento la planta de producción se necesitan además de la materia prima recursos materiales, humanos, energéticos y de mantenimiento, para lo cual se plantea la posibilidad de organizar el trabajo en 3 jornadas de trabajo un turno matutino de 08:00 a 16:00 un turno vespertino de 16:00 – 12:00 y un turno nocturno de 12:00 – 08:00 para lo cual se contratarán 18 obreros de género masculino distribuidos en los tres turnos debido a la exigencia del trabajo que serán previamente capacitados para desarrollar su trabajo de la manera más eficiente, adicional a ello se contrataran: un gerente de producción encargado de vigilar y monitorear el proceso de producción, un supervisor con la función de supervisar y coordinar las actividades en cada proceso de producción, un contador a fin de llevar el control sobre los movimientos contables, una secretaria, un técnico de mantenimiento y un servicio de limpieza y seguridad. Los recursos materiales para llevar a cabo el proceso de producción incluyen los equipos diseñados con capacidades específicas, entre esos se encuentran: una banda transportadora para llevar la materia prima hacia un horno rotatorio en el cual se efectuará el proceso de calcinación, un tornillo sin fin para el proceso de hidratación, un economizador para la producción de vapor, 2 silos de almacenamiento y una ensacadora. Su costo de obtención total será de $167 840 con un costo energético durante su funcionamiento por un año de $ 2 682.96. La compra de los equipos señalados supera el monto inicial de inversión por lo cual se plantea realizar un préstamo con una tasa efectiva anual del 12% durante 10 años.

Al tomar en cuenta estos factores el costo de inversión por año equivaldría a $ 1 572 475.68 aproximadamente. De esta manera si se comparan los ingresos y egresos en un año de producción se obtendría una ganancia neta de $ 1 408 324.32 durante los 10 años en los que se pagaría el préstamo, luego de los cuales la ganancia neta será de $ 1445 249.12, una cifra de gran atracción lo que aseguraría la capacidad competitiva y la rentabilidad de la planta de producción a nivel de mercado garantizando de esta manera el éxito al invertir en el proceso planteado

1. INTRODUCCIÓN

Ecuador es un país que posee gran diversidad de minerales cuyo aprovechamiento es vital para la elaboración de diferentes productos de acogida local, tal es el caso del carbonato de calcio. [1]

En los últimos años se ha incrementado la explotación de caliza debido a que el 60 % de esta es utilizada para producir carbonato de calcio, que mediante descomposición térmica produce óxido de calcio más conocido como cal. [2, 3]

1

Cargua J.*_______________________________________________________________________________________________________________________________

1.1. Producción de cal

La producción de cal mediante calcinación de rocas calizas es un proceso altamente endotérmico que sucede a temperaturas entre los 780 y 1340 °C al interior de un horno rotatorio [4].

El término “cal” hace referencia tanto a la cal viva (CaO) que es directamente obtenida del horno, como a la cal apagada (Ca(OH)2), obtenida después de un proceso de hidratación de la cal viva. Sus reacciones se presentan a continuación. [5]

CaC O3 ( s )→ CaO (s )+C O2(g)(1)

CaO ( s )+H 2 O→ Ca (OH )2(s ) (2)

1.2. Materias Primas

Carbonato de calcio: La materia prima para la producción de cal es la piedra caliza que en estado puro está compuesta por carbonato de calcio; es decir, 56% de CaO y 44% de CO2, dicho porcentaje es un valor ideal puesto que la caliza contiene cierto grado de impurezas. Las características físicas de la caliza como el grado de cristalinidad, tamaño de grano y porosidad tienen una influencia directa sobre su temperatura de cocción; así, una caliza de grano grueso y poroso suele reaccionar a mayor velocidad que una caliza densa, de grano fino y compacta [6]

Agua: El apagado con agua del producto anhidro obtenido según la reacción (1) da lugar a un material hidratado o cal apagada, en una reacción rápida, violenta y muy exotérmica, según la ecuación (2) [6]

Combustible: Existen diferentes tipos de combustibles que pueden ser gases como el gas natural y el GLP, líquidos como el diésel, bunker liviano o residual y pesados o sólidos como el carbón mineral o la materia orgánica. Los combustibles son sustancias que pueden quemarse y producir calor [7]. Para que se inicie la combustión se requiere que el combustible se encuentre en forma gaseosa, de allí que los combustibles sólidos y líquidos requieren un calentamiento previo para que desprendan vapores y puedan inflamarse. La temperatura a la cual los combustibles se gasifican se conoce como temperatura de gasificación y la temperatura a la cual el combustible ya gasificado se inflama se denomina temperatura de ignición. La selección del combustible se realiza de acuerdo a la temperatura necesaria para un proceso dado. [8]

1.3. Productos obtenidos

Cal P-24: La Cal P-24 hace referencia a la cal hidratada con un contenido mínimo de hidróxido de calcio del 79 %, para

ello es necesario que el óxido de calcio o cal viva obtenido del proceso de calcinación a una temperatura óptima de 1200 °C, reciba una cantidad estrictamente necesaria de agua, obteniéndose un hidróxido como polvo seco de color blanco grisáceo, que se muele finamente. [9]

Sus aplicaciones son innumerables, abarcan el sector agrícola, de la construcción, acuacultura, sanidad urbana animal y vegetal, alimentos, etc. [10] De allí la importancia de la presente propuesta técnico económica para la producción de cal P-24 en un horno rotatorio.

2. ANÁLISIS TÉCNICO

2.1 Balances de Masa y Energía

El objetivo de la propuesta técnico económica presentada es confirmar la rentabilidad de la producción de Cal P-24 con una pureza igual o mayor a la pureza alcanzada por los competidores mediante el diseño de una planta de producción para lo cual se desarrollaron los correspondientes balances de masa y de energía, a partir de los cuales se obtuvo la capacidad productiva de la planta instalada en la ciudad de Quito (0.72 atm, 13°C).

La materia prima que se utilizará es un carbonato de calcio micronizado con el 98% de pureza y un tamaño de partícula de 74 um ideal para el proceso. A partir de esta información es posible presentar los flujos másicos de trabajo. Según la ecuación (1) el proceso de calcinación da como producto óxido de calcio mismo que debe ser hidratado como se observa en la ecuación (2). Los flujos necesarios para efectuar las dos reacciones y obtener el producto deseado son detallados en la Tabla 1.

El producto obtenido es Cal P-24 o hidróxido de calcio cuya composición es detallada en la tabla 2.

Tabla 1. Flujos másicos para la producción de Cal P-24Rx Corriente Compuesto Flujo másico (kg/h)

(1)

Entrada

CaCO3

comercial

(98 %)

CaCO3 rx

1945.55

1715.97

CaCO3 no rx 190.66

Salida

CaO 961.28

CO2 754.35

Inertes 38.91

(2)

EntradaCaO 961.28

H2O 308.77

SalidaCa(OH)2 1270.22

Inertes 38.91

Tabla 2. Composición del producto de salidaCompuesto Composición (%)

Ca(OH)2 84.69

inertes 2.59

CaCO3 no rx 12.71

Del análisis termodinámico del sistema se pudo obtener la temperatura de descomposición del carbonato de calcio a la

2


presión de trabajo de 0.72 atm la cual tuvo un valor de 815.15 °C.

Mediante el balance de energía realizado para la reacción de combustión del combustible, en este caso Diésel, se obtienen los flujos másicos necesarios para efectuar el proceso, mismos que se muestran en la tabla 3.

La cantidad de energía necesaria para la combustión se determinó mediante un balance energético en el horno (Tabla 4).

La hidratación del óxido de calcio se realiza mediante un tornillo sin fin. Al realizar el balance de energía para el proceso se obtuvo el flujo másico de agua necesario para el enfriamiento que tuvo un valor de 3561.55 kg/h; así como, la cantidad de calor necesaria para este proceso (Tabla 5).

Para el diseño de equipos complementarios se han contemplado cada uno de los valores mostrados en las tablas anteriores

Tabla 3. Flujos másicos de la reacción de combustiónCorrient

eCompuesto Valor

Entrada

Combustible (kg/h) 246.71

Combustible (gal/día) 1838.98

Aire (kg/h) 3700.65

SalidaGases de combustión

(kg/h)3947.44

Tabla 4. Balance energético para el proceso de combustión en un horno rotatorio

Energía (kcal/h)

Calor de combustión 2491771

Calor perdido 249177.1

Calor de los gases de combustión 1077606.31

Calor de reacción 1164987.59

Calor perdido en las paredes del horno 234226.47

Tabla 5. Balance energético en el tornillo sin finEnergía (kcal/h)

Calor para la hidratación 256431.9

Calor del vapor de agua 131112.6

Calor desprendido por el hidróxido de calcio 240986.14

Calor de la reacción de hidratación 2333.17

Los ensayos realizados en el horno Nichols (Anexo I) permitieron determinar el tiempo de residencia necesario para efectuar la reacción de calcinación, a partir de este tiemo se realizó una aproximación para el horno rotario con una

conversión final del 90%. En la Tabla 6 se observan las especificaciones técnicas para el diseño.

Al interior del horno se produce una cantidad de energía realmente alta, esta energía es desprendida en forma de calor hacia el exterior lo que se traduce en pérdidas económicas significativas durante el proceso mediante la optimización de las condiciones de trabajo para así evitar las pérdidas de calor a través de las paredes del horno. La optimización consistió en incorporar una pared de ladrillo refractario en la parte exterior del horno recubierta por una chapa metálica de alta resistencia. La Tabla 7 muestra los parámetros del diseño de la pared de refractario y de la chapa metálica.

El diseño del tornillo sin fin para la hidratación del óxido de calcio se realizó bajo las especificaciones de la Tabla 8.

Tabla 6. Dimensionamiento de un horno rotatorio.

Tabla 7. Diseño de refractario y chapa metálica para el horno rotatorioElemento Parámetro Especificación

Ladrillos refractarios

(JM-23)

Espesor 76 (mm)

Longitud 230 (mm)

Ancho 610 (mm)

Número 488 (unidades)

Chapa metálica

Espesor 20 (mm)

Material Acero Inoxidable AISI 316

Conductividad térmica 13 W/mK

Tabla 8. Especificaciones técnicas para un tornillo transportadorParámetro Valor Unidades

Longitud 6 m

Diámetro 0.51 m

Potencia 0.15 HP

Capacidad 1500 Kg/h

Velocidad de giro 0.86 rpm

Grado de llenado 45 %

Los gases de combustión abandonan el horno a una temperatura de 1000 °C, una temperatura realmente alta que genera pérdidas durante el proceso, mismas que pueden ser justificadas si se reaprovecha el calor de los gases de combustión como fuente de calentamiento para generar vapor

3

Parámetro Valor UnidadesTiempo de residencia 80.57 min

Longitud 14 m

Diámetro 1,5 m

Talud del material 36 ° C

Factor 1 -

Grado de llenado 0,1 -

Pendiente 4 %


Capacidad 1945.55 kg/h

Potencia 2 kW

Cargua J.*_______________________________________________________________________________________________________________________________

de agua utilizado en la hidratación del óxido de calcio; dicho proceso se efectuará al interior de un economizador (intercambiador de calor) cuyas especificaciones técnicas se encuentran en la Tabla 9.

Adicionalmente dentro del proceso es necesario la implementación de una banda transportadora que alimente al horno, silos de almacenamiento para el producto obtenido y una ensacadora para el empacado final del producto

elaborado. De acuerdo a la capacidad productiva del sistema se han establecido las especificaciones técnicas de estos equipos, mismas que se detallan a continuación.

En las figuras 1 y 2 se presentan los diferentes tipos de diagramas del proceso de producción mientras que en la figura 3. Se muestra el diagrama de distribución en planta de los equipos a utilizarse

Tabla 9. Parámetros de diseño y condiciones de operación del evaporador (economizador)

Parámetro Valor

Presión de operación (psi) 150

Temperatura de saturación (ºC) 184.3

Temperatura de salida de agua (°C) 85

Temperatura de entrada de agua (°C) 13

Temperatura de salida del condensado

(°C)

92

Tabla 10. Especificaciones técnicas para la banda transportadoraParámetro Valor Unidades

Longitud 5 m

Ancho 0.8 m

Diámetro tambor

motriz

0.6 mm

Potencia 0.15 HP

Capacidad 2.4 ton/h


Tabla 11. Especificaciones técnicas para la ensacadoraParámetro Valor Unidades

Longitud 2.71 m

Ancho 2.065 m

Altura 1.912 m

Potencia 0.15 HP

Velocidad de

producción

20 BPM

Bolsas 50 kg

Tabla 12. Especificaciones técnicas de los silos de almacenamientoParámetro Valor Unidades

Longitud 14.6 m

Diámetro interno 3.048 m

Material Acero grado 40 ASTM A570

Cantidad 2 unidades

Figura 1. Diagrama PBD para el proceso de producción de Cal P-24

4


Figura 2. Diagrama PFD para el proceso de producción de Cal P-24

Figura 3. Diagrama Layout de la planta de producción de Cal-P24

5

Cargua J.*_______________________________________________________________________________________________________________________________

El proceso productivo se efectuará de manera continua, para esto el proceso arrancará con la recepción y abastecimiento del stock de materia prima. El ciclo de operación se iniciará un lunes a las 8 de la mañana con la alimentación del carbonato de calcio 98% a la banda transportadora para continuar hacia el horno rotatorio; una vez efectuado el proceso de calcinación se realizará la descarga del material hacia el tornillo sin fin donde ocurrirá la reacción de hidratación para obtener el producto final que pasará a 2 silos de almacenamiento que se irán llenando conforme avanza el tiempo y de acuerdo a la capacidad de la ensacadora. El producto ensacado será transportado por los obreros hacia una bodega de almacenamiento contigua para su posterior comercialización.

El horario destinado para cada uno de los procesos señalados se muestra con detalle mediante un Diagrama de Gantt (Figura 4).

2.2 Detalles de Personal

Se han establecido 3 turnos de trabajo para el proceso de producción:

Turno 1: 08:00 – 16:00 Turno 2: 16:00 – 24:00 Turno 3: 24:00 – 08:00

Para la correcta ejecución de cada uno de los procesos productivos es necesario detallar cada una de las funciones que desempeñaran los empleados contratados, así se tiene:

Gerente de producción: Está a cargo de la directiva de la planta de producción; a su vez tendrá que controlar lo referente a los procesos productivos para lograr la eficiencia y un producto de calidad, debe asegurarse de mantener una comunicación adecuada con el sector de ventas, mantenimiento y almacenamiento.

Supervisor de producción: Su función es supervisar y coordinar las actividades de los encargados de cada uno de los procesos parciales al interior de la planta para asegurar una producción continua y la obtención de un producto de calidad y excelencia.

Secretaria: Está encargada de proporcionar un alto nivel de apoyo administrativo a sus jefes ayudando con las tareas administrativas, la organización de teleconferencias, la programación de reuniones y la preparación de la correspondencia de la empresa. Así mismo, debe ayudar a los visitantes de la oficina, darles indicaciones y ayudarlos a cumplir con sus citas programadas.

Figura 4. Diagrama de Gantt para la distribución de la carga horario del proceso productivo de Cal P-24

6


Contador: Procesar, codificar y contabilizar los diferentes comprobantes por concepto de activos, pasivos, ingresos y egresos, mediante el registro numérico de la contabilización de cada una de las operaciones, así como la actualización de los soportes adecuados para cada caso, a fin de llevar el control sobre las distintas partidas que constituyen el movimiento contable y que dan lugar a los balances y demás reportes financieros.Obreros: La función de los obreros es vigilar cada uno de los procesos de producción, sus funciones se detallan a continuación: Alimentación: Se requieren de 2 obreros para este

trabajo mismos que se encargaran de alimentar la materia prima a la banda transportadora para su posterior alimentación al horno. Durante este proceso se debe verificar el tiempo de funcionalidad de la banda ya que operará con tiempos muertos durante el proceso de calcinación.

Calcinación: 2 obreros se encargaran de verificar la descarga del horno rotatorio hacia el tornillo sin fin; a s vez controlaran las condiciones del proceso para evitar posibles fallos del equipo.

Ensacado y almacenamiento: En este proceso 2 obreros tendrán la función de verificar la correcta funcionalidad de la ensacadora mientras se encargan del transporte y correcta disposición de los sacos de Cal P-24 en la bodega de almacenamiento.

Técnico de mantenimiento: Está encargado de verificar la funcionalidad de cada uno de los equipos al interior de la planta, así como de establecer programas de mantenimiento para evitar pérdidas por pare de planta.

Adicionalmente se contratará con el servicio de limpieza y guardianía que estará a cargo de una empresa privada.

3. ANÁLISIS ECONÓMICO

El desarrollo del análisis económico está dirigido a evaluar la rentabilidad del proceso; es decir, si es viable o no su implementación, para ello es necesario conocer cada uno de los egresos que se generan debido a la implementación de la planta y compararlo con las ganancias que esta generaría en un período de tiempo. A continuación se detallan los egresos e ingresos.

3.1. Egresos 3.1.1 Egresos por personal

En la tabla 13 se detalla la nómina del personal para la planta así como sus salarios y sus beneficios de ley que incluyen: aportes patronales y décimos

3.1.2. Coste energéticoSi se considera una producción continua de 24 horas al día la cantidad de energía necesaria para el funcionamiento de los equipos se explica en la tabla 14, adicionalmente a ello los

egresos correspondientes a este sector se detallan tomando en cuenta el costo de energía de $0.095/kW

Tabla 13. Nómina de empleados y egresos por personal

Cargo No.Remuneració

nindividual ($)

Remuneración

total ($)Gerente de Producción 1 3000.00 3000.00

Supervisor 1 2000.00 2000.00

Secretaria 1 360.00 360.00

Contador 1 800.00 800.00

Obreros 18 600.00 9000.00

Técnico de mantenimiento 1 720.00 720.00Servicios de limpieza y

seguridad 1 720.00 720.00

Total mensual 18400.00

Total anual 220800.00

Tabla 14. Costo de energía eléctrica

Equipo Cantidad Potencia(KW)

Tiempo deOperaciónDiario (h)

ConsumoEnergético

Diario (KWh)

ConsumoMensual

BandaTransportadora 1 0.11 24 2.6856 80.5680

Hornorotatorio 1 2 24 48 1440

TornilloTransportador 1 0,11 24 2.6856 80.5680

Ensacadora 1 0.11 24 2.6856 80.5680

Consumo Total Mensual 1681.704

Costo Total Anual ($) 20180.45

3.1.3. Servicios BásicosAdicionalmente el funcionamiento de la planta conlleva a utilización de agua, teléfono, internet y electricidad fuera de maquinaria, dichos gastos se detallan en la tabla 15.

3.1.4. Costos de materia primaDentro de estos gastos se incluyen: la compra del carbonato de calcio y el combustible (Tabla 16)

Tabla 15. Gastos por servicios básicos

Servicio Precio Consumo mensual Costo Mensual($)

Agua $ 0.72/ m3 222.31m³ 160.08

Electricidad $ 0.095/ kWh 300 (kWh) 28.5Teléfono e

Internet $ 35.00 1 35.00

Total mensual $ 223.58

Total anual $ 2 682.96

Tabla 16. Costo mensual de materia prima

Costo Precio Consumo por hora

Costo mensual ($)

Costo anual($)

(Carbonato de calcio) $ 52/ ton 1945.55 kg 1400.76 16 809.55

Diésel $ 1.05/ gal 246.71 gal 186 512.76 1 238 153.12

7

Cargua J.*_______________________________________________________________________________________________________________________________

Total 1 254 962.67

3.2. Inversión Inicial

Para poner en funcionamiento la planta es necesario la compra de los equipos diseñados que fueron seleccionados cuidadosamente analizando los productos a disponibilidad en el mercado de acuerdo con las especificaciones técnicas y capacidades descritas anteriormente. Debido al elevado costo de inversión que esto representaría se ha decidido realizar un préstamo al banco del Pichincha donde se cuenta con una cuenta corriente. Los detalles de inversión inicial se muestran en las tablas 17 y 18.

Una vez establecidos los costos de cada etapa para el proceso de implementación de la planta es necesario determinar el costo neto de inversión. En la tabla 19 se reportan los egresos totales.

3.3. Ingresos

En la Tabla 21 se detallan los ingresos que generaría la producción de Cal P-24 al momento en que la planta inicie sus operaciones, en ella se detalla también el valor por tonelada de producto, el cual al ser comparado con el precio ofertado en el mercado de Cal P-24, determina que el producto ofrecido además de ser de excelente calidad posee un alto nivel competitivo.

Tabla 17. Gastos de inversión inicial

Ítem Cantidad Costo unitario ($)

Costo total ($)

Banda transportadora 1 2 000.00 2 000.00Horno rotatorio 1 10 000.00 10 000.00

Tornillo sin fin (incluye motor) 1 3 000.00 3 000.00

Economizador 1 15 000.00 15 000.00Silos 2 3,000.00 6 000.00

Ensacadora 1 5,000.00 5 000.00Ladrillos refractarios 488 55.00 26 840.00

Terreno 1 100,000.00 100 000.00Total 167 840.00

Tabla 18. Gastos de Inversión inicialParámetro Valor

Plazo del préstamo (años) 10Tasa activa efectiva anual (%) 12Pago acumulado por impuestos

($) 201 408

Pago anual ($) 36 924.8

Tabla 29. Egresos totalesCostos $/añoSalarios 220 800.00

Consume eléctrico de maquinaria

20 180.45

Materia prima 1 254 962.67Servicios básicos 2682.96

Préstamo 36 924.8Total 1 572 475.68

Tabla 21. Ingresos anuales

Producto Cantidad (ton/año) Precio ($/ton) Ingresos ($/año)Cal P-24 12 960 230 2 980 800.00

La ganancia anual de la empresa mientras se paga el préstamo adquirido para la compra de maquinaria es de $1 408 324.32, después de los 10 años cuando se termina el pago del préstamo la ganancia neta es de $ 1 445 249.12.

6. CONCLUSIONES

El proceso de producción de carbonato de calcio propuesto incluye una etapa de calcinación de carbonato de calcio micronizado del 98% y una etapa de hidratación que da como resultado Cal P24 de 84.69 % de pureza.

La reacción de calcinación del carbonato de calcio ocurrirá en un horno rotatorio con tiempo de residencia de 80.57 minutos y una conversión cercana al 90 %.

A partir de 1945.55 kg de caliza es posible obtener 1500 kg de producto con un 84.69% de pureza; es decir, 1270.22 kg de cal P-24 pura.

El proceso de producción será continuo y se operaran en 3 turnos de 8 horas cada uno con una nómina de 23 empleados y un servicio de limpieza y seguridad.

El costo de implementación de la planta de producción de cal P24 es de $167 840 dicho valor abarca la compra de equipos insumos y terrenos cuya financiación será a partir de un préstamo a 10 años con un pago anual de $ 326 924.8

La ganancia neta de la empresa durante los primeros diez años será de $1 408 324.32 anuales, al término de este tiempo su ganancia será de $ 1 445 249.12 por cada año

Al comparar los ingresos por venta del producto y los egresos por costos de producción se determina la viabilidad de la empresa así como su perduración y éxito.

REFERENCIAS[1] A. Mendoza, “Evaluación de compuestos de polipropilenoy carbonato

de calico para aplicaciones industrials”, informe de Proyecto de Graduación, Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción, Escuela Superior Politécnica del Litoral, Guayaquil, 2011

[2] C. Furnas. “The Rate of Calcination of Limestone”. Industrial and Engineering Chemestry vol, 23 No.5, p. 534, 1931

[3] F. Colina, I. Caballero y J. Costa. “Diseño Básico de hornos rotatorios para el tratamiento de minerales”, p. 107, Aug 2002.

[4] W. Moffat, W. Walmsley “Understanding lime calcination kinetics for energy cost reduction”, in 59th Appita Conf. Aunckland, Nueva Zelanda, 2006, pp. 1-16

8


[5] Miner, “Fabricación de cal y derivados” [online]. Disponible en: http://www.prtr-es.es/data/images/Resumen%20Ejecutivo%20BREF%20Cemento%20y%20Cal-25C34A32FAC359F8.pdf

[6] UNIOVI, “Cales” [online]. Disponible en: http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Cales.pdf

[7] E. Brizuela. (2010). Combustión [Online]. Available: http://materias.fi.uba.ar/6730/Tomo1Unidad1.pdf

[8] J. Domínguez. “Combustión” in Calderas industriales eficientes, 1st ed, Madrid, España: Editorial Energy Management Agency, 2013, ch.1, pp 13-19.

[9] Calizas Huayco, “Ficha técnica Agrocal” [online]. Disponible en: http://calizashuayco.com/downloads/AGROCAL.pdf

[10] Disensa, “Cales y Carbonatos” [online]. Disponible en: http://www.disensa.com/m17/images/pdf/cales_carbonatos.pdf

[11] G. St. Pierre. “Rate of Calcination of Limestone”. Department of Metallurgical Engineering,

[12] R. Perry, D. Green, J. Maloney. Manual del Ingeniero Químico. Ed. Madrid: Mc Graw Hill. 2001.

[13] L. Montnegro. Manual auxiliar de Transferencia de Calor II. 2015

[14] Thermal Ceramicas. “Ladrillos refractarios aislantes JM” [online]. Disponible en: http://www.prtr- http://www.morganthermalceramics.com/sites/default/files/datasheets/k3311-11-10sspanish.pdf

[15] O. Bonilla. Manual auxiliar de Transferencia de Calor I. 2013

[16] Uniovi.. “Cementos/Horno rotatorio. Tipos”” [online]. Disponible en: http://www.prtr- http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion20.CEMENTOS.HornoROTATORIO.pdf

[17] H. Mills. “Anexos”

[18] Martin, “El gran catálogo 4000” [online]. Disponible en: http://www.prtr- http://www.dibsamexico.com/pdf/CatalogoMartin.pdf

[19] Kepack “Catálogo transportadores cintas” [online]. Disponible en: http://www.maskepack.com/pdf/catalogo%20transportadores%20maskepack%20-%20cintas.pdf

[20] Premier Tech, “PTH-900: Ensacadora de boca abierta robotizada” [online]. Disponible en: http://www.ptchronos.com/es-mx/productos/ensacadoras-boca-abierta/ensacadora-boca-abierta-robotizada/

[21] CONAIR, “Weather-Tight Factory built bulk storage” [online]. Disponible en: http://pdf.directindustry.es/pdf-en/conair/welded-silos/85611-595816.html#search-es-silos

NOMENCLATURA

Símbolo Unidad Descripción

mi kg/h Flujo másico de i

PM i kg/kgmol Peso molecular de i

%i % Grado de pureza de i

t min Tiempo de residencia

L m Longitud

θ grados Talud del material

F -- Factor

p Kg/m3 Densidadp % Pendiente del hornoD m Diámetro del horno

N rpm Velocidad de giro del horno

w s kg /min Caudal del sólido

gr % Grado de llenado

x % Conversión

∆ Grx0 cal/mol Energía libre de Gibbs

∆ H rx0 cal/mol Entalpía de reacción

∆ Srx0 cal/mol K Entropía de reacción

R cal/mol K Constante universal de los gases

k Kcal/hm°C Conductividad térmica

Cp calmol ° K

Capacidad calorífica media

T K TemperaturaQ j kW Flujo de calor en j

∆ T K Gradiente de temperaturas

V i gal /día Flujo volumétrico de i

Pc kcal/kg Poder calórico inferior del combustible

HP f HP Potencia del tornillo

Lp v kJ/kg Calor latente de evaporaciónPot kW Potencia

9

Cargua J.*_______________________________________________________________________________________________________________________________

Apéndice A.

ANEXO IBalance de Masa

Cálculo preliminar de la cantidad de la materia prima necesaria

En base a la reacción de calcinación de carbonato de calcio (1) y a la reacción de hidratación de óxido de calcio (2) se realizan los balances de masa. En la tabla 18 se da a conocer la composición del producto obtenido

Tabla AI.1 Pureza de la Cal P-24Compuesto Porcentaje (%)

Ca(OH)2 79.00

Inertes (SiO2) 21.00

Como base de cálculo se tomará la producción de 1 tonelada de Cal P-24 en un día

mCa(OH )2=1000 kg cal P 24

h ×790 kgCa (OH )21000 kg cal P 24 =790

kg Ca (OH )2h

minertes=1000 kgcal P 24h

× 210 kg Inertes1000 kg cal P 24

=210 kg inertesh

mCaCO3=790

kgCa (OH )2h ×

1 kgmol Ca (OH )274 kgCa (OH )2

× 1 kgmol Ca O1 kgmol Ca (OH )2

×1kgmol CaCO3

1 kgmol Ca O ×100 kg CaCO3

1 kgmol CaCO3=1067.57

kgCa CO3

h

EL producto a tratar esta dado por la cantidad de carbonato necesario para la reacción y la cantidad de inertes:

mCaCO3 comercial=mCaCO3+minertes=1067.57

KgCa CO3

h+210 Kg inertes

h

mCaCO3 comercial=1277.57 210KgCa CO3 comercial

h

Por estequiometría se obtienen los flujos másicos de las reacciones (1) y (2) que se muestran en la tabla 19.

Tabla AI.2 Flujos másicos de las reacciones de calcinación e hidrataciónCompuesto PM (kg/kgmol) Flujo másico (kg/día)

CaCO3 64.06 1067.23CaO 56.07 597.86CO2 44.00 469.16H2O 18.01 192.04

Ca(OH)2 74.09 790.00Inertes - 210.00

10


La pureza mínima que debe poseer el carbonato de calcio se calcula como:

%CaCO3=

mCaCO3

mCa CO3+minertes

×100 %

%CaCO3=

1067.23kgCaCO3

día

1067.23kg Ca CO3

día+210 kg inertes

día

×100 %=83.56 %

El Carbonato de calcio disponible en el mercado presenta la siguiente composición:

Tabla AI.3 Composición de Carbonato de Calcio comercialComponente Porcentaje (%)

CaCO3 98.00

Inertes (SiO2) 2.00

La conversión del reactivo en producto se establece como:

x=mCaCO3 rx

mCaCO3 inicial∗100 %

x=1067.23

kgCaCO3

día

1277.57kgCa CO3comercial

día×

98 kgCa CO3

100 kgCa CO3 comercial

× 100 %=85.26 %

Cálculo del tiempo de residencia en base a datos experimentales

El análisis experimental para la calcinación de carbonato de calcio en un Horno Nichols entregado por el Departamento de Metalurgia Extractiva de la EPN muestra los siguientes resultados

Tabla AI.4 Datos experimentales de la calcinación de CaCO3 en un Horno Nichols

mineral fórmulaTiempo (min)

0 15 30 45 60 75 90 105 120

calcita CaCO3 98.90 89.30 78.90 69.90 46.60 35.00 12.00 5.00 3.70

cal CaO 0.00 6.40 17.40 24.60 45.50 60.40 76.30 91.30 87.90

Portlandita Ca(OH)2 0.20 0.40 1.10 1.10 5.40 1.30 9.00 0.90 4.90

magnesita MgCO3 0.10 0.30 2.00 1.00 1.70 0.50 2.10 0.60 2.80

periclase MgO 0.80 0.90 0.60 1.00 0.70 0.80 0.60 0.80 0.60

brucita Mg(OH) 0.00 2.70 0.10 2.40 0.10 2.00 0.10 1.50 0.10

Según [11] es posible determinar la etapa controlante del proceso de calcinación del carbonato al relacionar las resistencias de cada una de las etapas y obtener el valor de la constante β

β=k∗(P¿−Po )

ρ (3)

11

Cargua J.*_______________________________________________________________________________________________________________________________

Dónde:β = Constante de St Pierre.k = Constante cinética.P¿= Presión interface.Po = Presión equilibrio (Presión atmosférica).ρ = Densidad del carbonato de calcio.

Si el valor de la constante es mayor que cero existe un control de la reacción química, si el valor es mucho mayor que 1 la transferencia de masa es el factor controlante y si dicho valor es mucho menor que 1 se trata de un control de la transferencia de calor. Experimentalmente esta constante puede ser obtenida mediante una regresión lineal de datos de tiempo y conversión [8]

t= roβ

∙ [1−(1−x )1 /3 ] (4)

Dónde:t = Tiempo para una conversión x.ro = Radio inicial de lax= Conversión.

A partir de estos datos y mediante las ecuaciones (3) y (4) es posible calcular el tiempo de residencia en el horno, así como la conversión alcanzada.

Tabla AI.5 Resultados parciales para el cálculo de la conversión y ro (1−(1−x )1/3 ) en la reacción de calcinación efectuada en el horno Nichols

tiempo (min) Conversiónx ro (1−(1−x )1/3 )

0 0,003 3,363E-08

15 0,118 1,518E-06

30 0,292 4,023E-06

45 0,394 5,684E-06

60 0,655 1,105E-05

75 0,758 1,394E-05

90 0,925 2,141E-05

105 0,970 2,556E-05

120 0,978 2,661E-05

La linealización de estos datos se presenta en la figura AI.1

12


0 20 40 60 80 100 120 1400.00

0.00

f(x) = 2.46069810204231E-07 x − 2.56090528253209E-06R² = 0.965364492158862

experimentalLinear (experimental)

tiempo[min]

rₒ(1

-(1-

x)⅓

)

Figura AI.1 Linealización de los datos experimentales del horno nichols

De acuerdo a la figura A1.1 esta gráfica es posible obtener los valores de las constantes B y k

Tabla AI.6 Resultados de la regresión lineal en el horno Nichols

Parámetro Valor

r2 0,96536449

β (m/s) 2,4607E-07k (kg/(m2*s*atm)) 5,0018E-06

Una vez obtenida la constante beta es posible calcular el tiempo de residencia para una conversión del 85.26 %, valor necesario de acuerdo a los calculos efectuados sin embargo los datos obtenidos son ideales por lo que se prefiere trabajar con una conversión superior a la establecida anteriormente, para este caso se trabajará con una conversión del 90 %

t= 74 × 10−6 m

2× 2.4607 ×10−7 mmin

× [1− (1−0.90 )1 /3 ]=80.57 min

Caracterización del Horno Rotatorio.

Velocidad de giro del horno

La velocidad de giro del horno es posible calcularla mediante las ecuaciones sugeridas por [3]

t=1,77∗L∗√θ∗Fp∗D∗N

(5)

N=1,77∗L∗√θ∗Fp∗D∗t

(6)

Tabla AI.7 Dimensiones y Características del Horno Rotatorio.

13

Cargua J.*_______________________________________________________________________________________________________________________________

N=1.77 ∙ L∙√θ ∙ Fp ∙ D ∙ t

= 1.77× 14m×√36× 1

arctg ( 4100 )× 180

π rev×1.5 m ×80.57 min

=0.52 rpm

D=√ ws∗4∗tL∗gr∗π∗ρ

(7)

w s=D2∗L∗gr∗π∗ρ

4∗t (8)

w s=1,52 ×14 × 0,1× π ×1056

4 ×80.5=32.43 kg

min=1945.55 kg

h=46693.18 ton

día

Capacidad Productiva

El diseño del horno rotatorio permite conocer cuál será su capacidad; es decir, w s en base a esto se determinan las corrientes de entrada y de salida para las reacciones (1) y (2).Base de cálculo: 1 hora

mCaC O3=1945.55 kg CaC

O3 comercial∗98kg CaCO 3100 kgCaC O3 comercial

=1906.64 kgCaCO 3

El valor obtenido representa la cantidad de carbonato de calcio puro que hay en la muestra a partir del cual se efectuaran los cálculos estequiométricos.

minertes=1945.55CaC O3 comercial ×2kg Impurezas

100 kgCaC O3 comercial=38.91 kg

Reacción de calcinación: Los productos obtenidos de la reacción de calcinación son el óxido de calcio y el dióxido de carbono, adicionalmente se debe tomar en cuenta que no todo el carbonato de calcio reaccionará

14

Parámetro Símbolo Valor UnidadesTiempo de residencia t 80.57 min

Longitud L 14 m

Diámetro D 1,5 m

Talud del material θ 36 ° C

Factor F 1 -

Grado de llenado gr 0,1 -Densidad CaCO3 ρ 1056 Kg/m3

Pendiente p 4 %


mCaO=1906.64 kgCaC O3× 0.90 ×

1kgmol CaC O3

100.09 kg CaC O3∗1kmol Cao

1 kgmol CaC O3∗56.08 kgCaO

1 kmol Cao =961.28 kg

mC O2=1906.64 kg CaCO3 × 0.90×

1 kgmol CaC O3

100.09 kg CaC O3×

1kgmol C O2

1 kgmol CaC O3×

44.01 kg C O2

1 kgmol C O2=754.35 kg

mCaC O3 (no rx )=1906.64 kgCaCO 3−(1906.64 kgCaC O3× 0.90 )=190.66 kg

Reacción de hidratación: La cantidad de agua necesaria, así como la cantidad de producto obtenido se calculan a partir de la producción de óxido de calcio.

mH 2 O=961.28 kgCaO×

1kgmol CaO56.08 kgCaO

∗1kgmol H2 O

1kgmol CaO∗18.01 kg H 2O

1 kgmol H2 O=308.77 kg

mCa (OH )2=961.28 kgCaO × 1 kgmol CaO56.08 kgCaO ×

1 kg mol Ca (OH )21 kgmol CaO ×

74.1 k Ca (OH )21 kg mol Ca (OH )2

=1270.22 kg

El producto obtenido no es totalmente puro, a este se adicionan los inertes y el carbonato de calcio que no reaccionan; así se obtiene la pureza del producto final.

mCal=mCa (OH)2+mCaCO3

+minertes

%Cal=mCa(OH )2

mCa(OH )2+mCaCO3

+minertes×100 %= 1270.22 kg

1270.22 kg+190.66+38.91× 100 %=84.69 %

En base a los resultados obtenidos en la tabla x. se presenta el resumen de corrientes en las reacciones propuestas

Tabla AI.8 Corrientes para el proceso de calcinación de caliza (1) e hidratación de óxido de calcio (2)Reacción Corrient

e Compuesto Flujo másico (kg/h)

(1) Entrada CaCO3 comercial (98 %) CaCO3 rx 1945.55 1715.97CaCO3 no rx 190.66

Salida CaO 961.28

CO2 754.35

Inertes 38.91(2) Entrada CaO 961.28

H2O 308.77Salida Ca(OH)2 1270.22

Inertes 38.91

.

ANEXO IIBalance de energía

Cálculo de la temperatura de inmersión.

15

Cargua J.*_______________________________________________________________________________________________________________________________

La temperatura de descomposición del carbonato de calcio puede ser calculado mediante la energía libre Gibbs

∆ Grx0 =∆ H rx

0 −T ∙∆ Srx0

∆ G=∆ G0+R ∙T ∙ ln kEn el equilibrio ∆ G=0. Al igualar las ecuaciones (9) y (10) se obtiene la ecuación para la temperatura de descomposición del carbontato de calcio. Para la reacción (1) se tiene que la constante cinética es igual a la actividad del dióxido de carbono que a su vez es equivalente a la presión parcia.

−RT lnPCO2=∆ H rx

0 +T ∆ Srx0

T=∆ H rx

0

∆ Srx0 −R ×lnPCO2

A partir de datos bibliográficos es posible calcular la entalpía y entropía de reacción, cuyos datos se presentan en la tabla x.

Tabla AII.1 Datos termodinámicos del Proceso Global[12]

Compuesto ∆ H 2980 ( cal

mol) ∆ S298

0 ( calmolK

)

CaO -151900 9,5

C O2 -94051.8 51,061

CaC O3 -288450 22,2

H 2O -68275.2 -

Ca(OH )2 -84089.82 -

CaC O3→CaO+C O2

∆ H rx0 =∆ H 298

0 CaO+∆ H 2980 C O2−∆ H298

0 CaC O3

∆ H rx0 =−151,9−94,0518−(−288,45)

∆ H rx0 =42,5 Kcal

molCaO+ H 2O →Ca(OH )2

∆ H rx0 =−∆ H298

0 CaO−∆ H2980 H2 O+∆ H 298

0 Ca(OH )2

∆ H rx0 =151,9+68.2752−84.08982¿

∆ H rx0 =136.085 Kcal

mol

∆ Srx0 =∆ S298

0 CaO+∆ S2980 C O2−∆ S298

0 CaC O3

∆ Srx0 =9,5+51,061−22,2

∆ Srx0 =38,4 cal

molK

La planta de producción se instalará en Quito por lo cual la presión del dióxido de carbono será 0.72 atm entonces se tiene para el Carbonato de Calcio:

−2 calmolK

×T × ln (0.72 )=42500 calmol

−38,4 calmolK

×T

16


T=1088.15 K=815.15 ° C

Balance global de energía en el horno rotatorio

El calor generado por el combustible debe ser el necesario para que se efectúe la reacción de calcinación; además, contempla las pérdidas y el calor generado por los gases de combustión; de esta manera, se tiene que:

Qc=Qrx+Qgases decomb .+Q pérdidas

Qc=mc × PcEl combustible escogido para el funcionamiento del horno es diésel; cuyo poder calórico es 10 100 kcal/kg [13]

Qreacción Se toma en cuenta que la reacción va hasta los 900 ℃, temperatura prevista en el trabajo.

Qreacción=∆ H rx0 +∆ H1

∆ H rx0 =mCaCO3 rx ∆ H rx

0

∆ H rx0 =42,5 kcal

gmol× 1000 g mol

1kgmol×

1kgmol Ca CO3

100 kgCaCO3×

1715.97 kg CaCO3 rx

h=729287.25 kcal

h

∆ H1=m∗Cp∗∆ TLa capacidad calórica de los compuestos se calcula a temperatura media entre la temperatura ambiente y la temperatura de trabajo con la siguiente ecuación:

Cp=∝+β∗T + γT2

T=T1+T 2

2=

(25+273 ) K+( 900+273 ) K2

=735,5 K

Tabla AII.2 Constantes para el cálculo del cp (kJ/kgmol K) para diferentes compuestosCompuesto ∝ β γ

CO2 10,34 2,74E-03 -1,96E+05CaO 10 4,84E-03 -1,08E+05

CaCO3 19,68 1,19E-02 -3,08E+05SiO2 (inertes) 10,87 8,71E-03 -2,41E+05

∆ H1= (mCaO C pCaO+mC O2C pC O2

+mCaC O3 no rx C pCaC O3 no rx+minertes C p inertes ) (900−25 )° K

Tabla AII.3 Calor por elevación de la temperatura en la calcinación.

Compuesto Cp (kcal/kgmol K)

Cp (kcal/kgmol K) m Cp ∆T (kcal/h)

CO2 50,13 0,27 179665,54

CaO 55,85 0,24 200132,40

CaCO3 116,44 0,28 46364,86

SiO2 inertes 70,36 0,28 9537,55

17

Cargua J.*_______________________________________________________________________________________________________________________________

∆ H1=435700.34 kcalh

Qrx=729287.25 kcalh

+435700.34 kcalh

=1164987.59 kcalh

Qgasesdecomb .=mgc Cpgc(T sgc−T amb)La masa de los gases de combustión puede ser aproximada tomando en cuenta un 15 % de exceso de aire para considerar una combustión completa, de esta manera todo el combustible y aire que ingresan se transformaran en gases de combustión, así de tiene:

maire=mc kg combustible × 15 kgaire1 kgcombustible

=15 mckg aire

h

mgc=mc+maire=mc kg combustible+15 mc kg aire=16 mckgh

No se conoce la temperatura de salida de los gases de combustión T sgc por lo cual se asume un valor de 1000°C para efectos de cálculo capacidad calórica de los gases de combustión puede ser aproximada como 0.28 kcal/kg °C para una temperatura promedio.

Qgasesdecomb.=16 mckgh

× 0.28 kcalkg° C

× (1000−25 ) °C=4368 mckcal

h

Las pérdidas se toman como el 10% del calor suministrado por el combustible

Q pérdidas=0.10 ×Qc

Reemplazando los datos obtenidos es posible obtener la masa de combustible necesaria para el proceso

Qc=Qrx+Qgases decomb .+Q pérdidas

mc × 10100 kcalkg

=+1164987.59 kcalh

+4368 mckcal

h+0.10 ×mc × 10100 kcal

kg

mc=246.71 kgh

Ya que se supuso la temperatura de gases de salida una vez obtenida la masa de combustible es necesario iterar esta temperatura para obtener el valor real; así se tiene:

mgc=16 ×246.71 kgh

=3947.44 kgh

Qc=2491771 kcalh

Qpérdidas=249177.1 kcalh

Q gasesdecomb .=1077606.31 kcalh

T sgc=999.98° C

La nueva temperatura obtenida es muy similar a la que se propuso inicialmente razón por la cual al calcular la nueva capacidad calórica a temperatura ambiente se obtiene el mismo valor de la temperatura supuesta por lo cual los datos obtenidos anteriormente son definitivos.

Flujo volumétrico del combustible

18


Ya que el diésel es comercializado como líquido y no como sólido es necesario calcular el flujo volumétrico de diésel necesario para el proceso de combustión

V c=246.71 kgh

×

1m3

850,76 kg∗1gal

0,0037854 m3 × 24 h1día

=1838.98 galdía

ANEXO IIIDiseño de equipos

El diseño que se realizó para el horno no incluye el material refractario necesario para evitar pérdidas a través de las paredes del horno. De acuerdo a [4] estas pérdidas corresponden al 5.8% del calor total, adicionalmente a ello se contemplan pérdidas diversas por el mismo efecto que corresponden al 3.6%, así:

Diseño del número de ladrillos refractarios y chapa metálica del horno rotatorioo Espesor del refractario

Qpparedes=(0.058+0.036)Qc

Qpparedes=(0.058+0.036 ) ×2491771 kcalh

=234226.47 kcalh

Las paredes del horno compuestas por material refractario transmiten este calor hacia el exterior, el análisis de transferencia de calor puede ser evaluado suponiendo una conducción de calor por conducción en una pared plana

Dado que sería un sistema en serie la conducción a través del refractario, luego a través de la chapa metálica y posteriormente la convección al ambiente se tiene que:

Qp paredes=Qconducción=T pi−T pe

12 π krefracario L

× ln ( ℜri

)

T pi Corresponde a la temperatura de pared interna, que en este caso se asumirá igual a la temperatura de gases de salida; es decir, 1000 °C. T pe Representa la temperatura de pared externa la cual puede ser asumida como 50 °C si se habla de un refractario efectivo.

Se ha propuesto usar un ladrillo refractario aislante JM-23 de la empresa Morgan Thermal Ceramics cuya conductividad Térmica es de 0.14 W/mK [14]

re=r i× e2π krefractario L (T pi−T pe)

Q p paredes =0.75 m ×e

2π × 0.232. kcalhm℃× 14 m× ( 1000−50)℃

234226.47 kcalh =0.81 m

erefractario=r e−r i=0.81 m−0.75m=0.064 m≈ 65mm

o Número de ladrillos refractarios

Morgan Thermal Ceramics cuenta con ladrillos de 230 x 610 x 76 mm. [15]

Ladrillos perimetricos= π ×∅ancho ladrillo

=π ×1.5 m0.61 m

=8

19

Cargua J.*_______________________________________________________________________________________________________________________________

nú manillos=Lhorno

Lladrillo= 14 m

0.23 m=61

Ladrillostotales=61× 8=488

o Espesor de la chapa metálica

La chapa metálica que recubrirá al ladrillo refractario será de acero inoxidable AISI 316 con una conductividad térmica de 13 W/Mk [15] En este caso el espesor de la chapa metálica puede ser calculado exactamente igual que para el espesor del ladrillo refractario pero para un rango de temperaturas diferente donde:

T e=45 ° CT i=50 °C

re=r i× e2π kacero L (T i−T e)

Q pparedes =0.81m ×e

2π × 11.19 . kcalhm℃ × 14 m× (50−45 )℃

234226.47 kcalh =0.83

echapa metálica=re−ri=0.83m−0.81 m=0.02m≈ 20 mm

Cálculo de la potencia del horno rotatorio:

La potencia del horno rotatorio puede ser calculada a base de gráficos según lo indica [17]

Figura AIII.1 Potencia aproximada para hornos rotatorios [16]

Debido a que el horno con el que se está trabajando tiene dimensiones menores a las del grafico se han extrapolado los datos, de la siguiente manera:

Pot i+1−Pot i

Di+1−Di=

Pot i+ 1−PotDi+ 1−D

20


20−15.53.5−3

=20−Pot3.5−1.5

→ Pot=2kW

La extrapolación es posible debido a que en la zona de trabajo la línea de potencia normal es una recta.

Diseño del economizador

El economizador se utilizará para calentar el agua que ingresa al proceso de hidratación utilizando como fluido caliente los gases de combustión. El economizador operará a 150 psi y el agua ingresará a una temperatura de 13 °C

mgc∗C pgc∗(T sgc−T se)= ˙mH2 O C pH 2 O (T sat−15℃ )+ ˙mH 2 O λ¿

Psat=(150 psi+0.72atm × 14.7 psi1atm )× 101324 Pa

14.7 psi=1.11E+06 Pa

A esta presión de saturación la temperatura de saturación es de 184.32 °C y el calor latente de vaporización es de 1.99+E06 J/kg [17]

3947.44 kgh

×0.28 kcalkg℃× (1000−T se)=308.77 kg

h× 1 kcal

kg℃ × (184.32−13 )° C+308.77 kgh

× 477.54 kcalkg

T secon=637.47℃

Diseño del tornillo sin fin para el proceso de hidratación

El dimensionamiento de este equipo se ha realizada en base a los datos proporcionados por Martin Sprocket y Gear, Inc.Para el dimensionamiento del equipo se procedió a usar el manual de dimensionamiento de la empresa MARTIN SPROCKER & GEAR, INC. [18]

Tabla AIII.1 Datos para el diseño del tornillo transportador

Material Peso (lb/ft3)

Carga de Artesa

Capacidad requerida, (ft3/h)

Distancia del material a transportar, (ft)

Densidad (ft3/h)

Bearing Selection Fm

Cal hidratada

40 45% 81.02 19,69 32-40 L-S 0,6

Cálculo de la velocidad de giro del tornillo

N=Capacidad requerida en( f t 3

h )Capacidad del tornillo en( f t 3

h )a1 revolucion por minuto

21

Cargua J.*_______________________________________________________________________________________________________________________________

Figura AIII.2 Valores para determinar la capacidad de tornillos horizontales

Por lo tanto

N=81.02( f t 3

h)

93.7( f t3

h)=0.86 rpm

De esta tabla se obtiene que la velocidad de giro es cercana 1 razón por la cual el valor seleccionado es correcto y se trabajará con un tornillo cuyo diámetro es de 20 pulgadas

Cálculo de la potencia utilizada por el tornillo

La potencia total del tornillo puede ser calculada de acuerdo a [18]. Los valores de trabajo de las constantes son calculadas a partir de las indicaciones del catálogo de la empresa

H Pf =¿ N Fd ∙Fb

1000000

H Pf =19,69 ×0,86 × 165× 2

1000000=0.0056 HP

H Pm=CLtW F f Fm ∙ F p

1000000

H Pm=81.02× 19.69× 40.49 ×1 ×0,6 × 1

1000000=0.039 HP

Potenciatotal=(H P f +H Pm) F0

e

Potenciatotal= (0.0056+0,039 )30.88

=0.15 HP=0.11kW

Por lo tanto para el funcionamiento del tornillo se puede utilizar un motor de 0, 18 kW

Determinación del flujo de agua de enfriamiento en el tornillo transportadorQagua=QEvapor+QECa (OH )2

+Qrx (2)

22


magCp ag (T sag−Teag )=mv Cpv (Tev−Tsv )+ ˙mCa (OH )2CpCa (OH )2∗(TeCa (OH )2−TsCa (OH )2 )+ mCaO∗Δ H rx (2 )

0

mag× 1 kcalkgK

(85−13 )° C=308.77 kgh

× 0,46 kcalkg K

(184.32−92 ) °C+1270.22 kgh

×0.24 kcalkg K

(815.5−25 )+961.28 kgh

× 1 kgmol56.07 kg

×136.09 kcalmol

mag=3561.55 kgh

→ 3.56 m3

h

Balance energético de la reacción de hidratación y proceso de enfriamiento

Qag=256431.9 kcalh

QE vapor=¿13112.6 kcalh

QECa (OH )2=240986.14 kcal

h

Qrx (2)=2333.17 kcalh

Los equipos adicionales tales como banda transportadora, silos de almacenamiento y la ensacadora fueron diseñados en base a catálogos tomados de [19, 20, 21].

23

propuesta tecnico economica para cal p24.docx

Documents

Transcript of propuesta tecnico economica para cal p24.docx