229443988 Procesos Quimicos Colaborativo 2

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Procesos Químicos

TRABAJO COLABORATIVO DOS

JHON JAIRO FLORIAN SOLARTE CODIGO 1123206458 CARLOS ANDRES SEGURA PERNETH CODIGO1123038229

GRUPO 332569 - 100

Tutor YEIMMY YOLIMA PERALTA

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD MAYO 2014


INTRODUCCION El cemento es una sustancia de polvo fino compuesta básicamente de argamasa de yeso, originada al moler arcilla con piedra caliza calcinada a temperaturas muy altas y que es capaz de formar una pasta blanda al mezclarse con agua, endureciendo espontáneamente espontáneamente en contacto con el agua. Para las elaboraciones esta segunda etapa de procesos químicos, se analizara algunas generalidades del proceso de la producción del cemento Portland, para así mostrar el proceso productivo del cemento ,justificando el análisis en un cuadro comparativo comparativo de todos, todos, se se diseñaran diseñaran diagrama de proceso para diferenciar todos los tipos de operaciones, los balances de masa necesarios, el estudio de mercado con proveedores, los balances energéticos necesarios para la producción, se determinaran la cantidad de suministro energético necesario, la cantidad de equipos necesarios para la producción y por último elaborar un estado de pérdidas y ganancias para determinar la viabilidad del proyecto.


OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL



Realizar un balance de materia adecuado y un estudio detallado de un proceso químico para ver su viabilidad

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

   



Definir los canales y estrategias de comercialización. Identificar la ingeniería del producto. Determinar la capacidad productiva de la fábrica. Identificar las posibles soluciones para el desarrollo desarrollo de un problema real de la industria. Fortalecer la argumentación en el desarrollo de problemáticas actuales


(cementeras de bolivia, 2013)

Balance de masa - Secado. Eliminación del agua libre. Temperatura < 200 ºC. - Eliminación del agua adsorbida. Temperatura 100 – 400 ºC. - Descomposición de la arcilla con formación f ormación de metacaolinita. Temperatura: Temperatura: 400 750 ºC. Transformación química: Al4 (OH)8 Si4 O10 2 (Al2 O3 · 2SiO2) + 4 H2O - Descomposición de la metacaolinita y otros compuestos con formación de una mezcla de óxidos reactivos. Temperatura: 600 – 900 ºC. Transformación química: Al2 O3 · 2SiO2 Al2 O3 + 2SiO2


- Descomposición de la caliza con formación de CS y CA. Temperatura: 600 – 1000ºC. Transformación química: CaCO3CaO + CO2 3 CaO + 2 SiO2 + Al2 O32 (CaO · SiO2) + CaO · Al2O3 - Fijación de cal por CS y CA con formación de C 4 AF. Temperatura: 800 –1300 ºC. Transformación química: CaO · SiO2 + CaO 2CaO · SiO2 2CaO + SiO2 + CaO 2CaO · SiO2 CaO · Al2O3 + 2CaO 3CaO · Al2O3 CaO · Al2O3 + 3CaO + Fe2O24CaO · Al2O3 · Fe2O2 - Nueva fijación de cal por C 2S 2CaO + SiO2 + CaO 3CaO · SiO2 En los únicos procesos que hay pérdida de masa es en los cuatro primeros: - Secado. Eliminación del agua libre. - Eliminación del agua adsorbida. - Descomposición de la arcilla con formación de metacaolinita. - Descomposición de los carbonatos. El resto de procesos son transformaciones mineralógicas en las que no hay pérdida de material. Al someter a cocción las primeras materias son expulsadas los elementos volátiles, y de modo especial el anhídrido carbónico de la piedra caliza y el agua de hidratación de la arcilla, con lo cual se produce alguna pérdida de peso. La cantidad de crudo seco necesaria para la producción el Clinker de c emento portland se calcula como sigue: Expulsión del anhídrido carbónico de la piedra caliza: Ca C O3 = Ca O + C O 2 (40 + 12 + 48) = (40 + 16) + (12 + 32) 100 ptes de CaCO 3 = 56 ptes CaO + 44 partes de CO 2 Además de la arcilla que entran el crudo, es expulsado poco más menos un 7 % de agua de hidratación (los componentes orgánicos y otros elementos secundarios no son tenidos en cuenta). Para el cálculo de las cantidades de materiales se utilizarán por lo tanto l as fórmulas siguientes para los diferentes contenidos de CaCO 3 del crudo: (Kg de Clinker)/(Kg de crudo)=(0.44 % CaCO3)/100=0.07) · (100 - % CaCO 3 )/100)    

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% CaCO3 · 56Kg de Clinker = (% CaO en el Clinker)/a · 100 En nuestro caso el crudo tiene un 70 % de CaCO 3 al que le corresponde:


a = 0.638 Kg de Clinker/ Kg de crudo. b = 1.567 Kg de crudo/ Kg de Clinker. c = 69.34 % CaO en el Clinker. Nuestro cemento tiene un 95 % de Clinker, así que: 15 000 t /semanales * 0.95 = 14250 t /semanales de Clinker de cemento Portland, y sabiendo qué relación hay entre el crudo y el Clinker de cemento, concluimos: 14250 t/semanales de Clinker * 1.567 Kg de crudo/ Kg de Clinker = 22329.75 t de crudo seco semanales. El crudo está formado aproximadamente de un 70 % de caliza y un 30 % de arcilla: Caliza: 1 5630.825 t /semanales Arcilla: 6698.925 t /semanales Estas cantidades corresponden al crudo seco, sin pérdida por humedad natural. Sabemos que: Humedad natural de la caliza: 1 % Humedad natural de la arcilla: 6 % Entonces las cantidades de arcilla y caliza a extraer de la cantera son: Caliza: 15787.14 t /semanales Arcilla: 7100.86 t /semanales Como ya hemos visto antes las pérdidas de masa se producen por la pérdida de la humedad del material, en la descomposición de la arcilla en metacaolinita y en la descomposición de la caliza. Pérdida de masa por descomposición de la caliza: Caliza = 1 5630.825 t /semanales t caliza =(44 t CO 2 / 100 tCaCO2)=6877,56 t CO2 Pérdida de masa por descomposición de la arcilla en m etacaolinita: Arcilla = 6698,925 t (72 t H2O/516.4 t)=934.01Tm H 2O La pérdida de masa por la humedad natural del crudo es de: Caliza: 15787.14 t /semanales - 1 5630.825 t / semanales =156.32 t /año H 2O Arcilla: 6698.925 t /semanales - 7100.86 t /semanales = 401.94 t /año H2O Entonces el balance de materia referido al producto final Clinker es: M inicial =Caliza: 15787.14 t /semanales +Arcilla: 7100.86 t /semanales M final = 14250 Clinker +6877,56t CO2+ 1492.27 t H2O + 1779 t de compuestos orgánicos y otros elementos secundarios que no se han tenido en cuenta en el cálculo. Balance de masa referido a 15000 t de cemento: M inicial = M final Caliza: 15787.14 t +Arcilla: 7100.86 t +400 t yeso + 100 t aditivos M final = 15000 t cemento + 6877,56 t CO2 + 1492.27 t H2O + 1779 t de

Balance de energía. Cálculo del calor necesario para la desecación de las materias primas. Crudo compuesto por: 15787.14 t /año caliza con una humedad natural de 1 %


7100.86 t /año arcilla con una humedad natural de 6 % Teniendo en cuenta que la caliza corresponde al 70 % del crudo y la arcilla al 30 % del crudo, tendremos un crudo de 22888 t anuales con una humedad de 2.5 %. Balance térmico en el proceso de desecación junto a molienda: La totalidad del calor suministrado se distribuye aproximadamente, según: Calor para evaporación del agua (trabajo útil) 68.5 % Pérdidas por radiación 9.5 % Pérdidas con los gases residuales 10.4 % Calor transportado con el material seco 11.3 % Otras pérdidas no determinadas 0.3 % Total 100.0 % Tenemos un crudo de un 2.5 % de humedad, así que tenemos: 1950 Kcal / Kg de agua * 0.025 Kg de agua / Kg de crudo = 49 Kcal /Kg de crudo. Condiciones de trabajo y datos: Crudo con 70 % de CaCO 3: 1 Kg de crudo contiene 0.70 Kg de CaCO 3. Temperatura exterior = 20 ºC. Temperatura de los gases de escape = 300ºC Temperatura del clínker = 80 ºC Agua en el crudo = 1 %. Cantidad de agua = 0.01 Kg/Kg de clínker. Vaporización del agua = 636 Kcal/Kg de crudo seco. Calor de formación del clínker = 437 Kcal/Kg de clínker. Consumo de combustible = 10 % = 0.10 Kg de gas/Kg de clínker. Exceso de aire = 10 %. Crudo necesario: Según las fórmulas deducidas en el balance de materia y energía (dosificación del crudo) se necesitan 1.567 Kg de crudo /Kg de clinker. Calor de formación del clínker = 437 Kcal Calores específicos: Calor específico del anhídrido carbónico = 0.19 + 0.00011 · t Calor específico del clínker = 0.181 + 0.000071 · t Calor específico del agua = 0.42 + 0.000185 · t Calor específico de los gases de escape = 0.23 + 0.00005 · t Calor específico del crudo = 0.21 + 0.00007 · t - 227 -

Cambio de unidades: 1 m3 N = 1 + t / 273 m3 para t º C 1 Kg de gases de escape del horno =



0.76 m3 N

La combustión de un m 3 de gas natural suministra: 674 g CH4 + 2696 g O2 + 9026 g N2 1853 g CO 2 + 1517 g H2O + 9026 g N2 39 g C2H6 + 146 g O2 + 489 g N 2 115 g CO2 + 70 g H2O + 489 g N2 15 g C3H8 + 54 g O2 + 181 g N245 g CO2 + 24 g H2O + 181 g N 2 9 g C4H10 + 32 g O2 + 107 g N229 g CO2 + 14 g H2O + 107 g N 2 7 g C5H12 + 25 g O2 + 84 g N 221 g CO2 + 11 g H2O + 84 g N2 6 g N26 g N2


17 g CO2 17 g CO2 767 g gas + 2953 g O 2 + 9887 g N2 2078 g CO 2 + 1636 g H2O + 9893 g N2 1 m3 gas + 12 840 g aire 13 607 g de gases de combustión Si la combustión se realiza con un 10 % de exceso de aire, entonces:   ó  

= 15119 ó.

Cálculo de la cantidad de gases de escape en el horno rotatorio: - Procedentes del combustible =1.97 Kg . 15,119 Kg gases comb 0.767    



0.10      í

- Procedentes del agua del crudo = 0.02 Kg 0.01Kg agua    

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1.567      í

- Procedentes del crudo (CO 2 y otros gases)= 0.55 Kg 0.44 Kg CO2/ mol · 0.70 Kg CaCO3/Kg de crudo · 1. 567 Kg de crudo /Kg de clinker Gases de escape del horno por cada Kg de clínker = 2.54 Kg /1.93 m 3 N Balance térmico del horno rotatorio: - Calor de formación del clínker..........................................................437 Kcal - Calor perdido con el anhídrido carbónico del crudo............................62 Kcal Kg de CO2/ Kg de clinker · Ce ·t 0.44 KgCO2/ mol

1.567   0.70   2  = (0.19 + 0.00011 • 280) 280 1  í 1   

Calor perdido con el clínker................................................................11 Kcal 0.011        

1.567    636    

  

Evaporación del agua..........................................................................11 Kcal 0.011 1.567 Kg de crudo 636 Kcal Kg de agua - Recalentamiento del vapor de agua......................................................2 Kcal 0.011  1.567  



(0.42 + 0.000185 • 200) • 200

- Pérdidas por radiación, etc................................................................250 Kcal


- Pérdidas con los gases de escape del combustible............................174 Kcal Kg gases de escape / Kg de Clinker · Ce · t 2.54        í

(0.23 + 0.00005 • 280) • 280

Calor necesario por Kg de Clinker................................................ .....947 Balance total de materia y energía Balance de masa referido a 15000 t de cemento: M inicial + E = M final + pérdidas M inicial =Caliza: 15787.14 t +Arcilla: 7100.86 t + 400 t yeso + 100 t aditivos E = 49 Kcal /Kg de crudo aportadas para desecar las materias primas + 947 Kcal /Kg de Clinker procedentes del combustible en el horno rotatorio. M final =15000 t cemento + 6877,56 t CO2 + 1492.27 t H2O + 1779 t de otros compuestos. Pérdidas = 15.3 Kcal perdidas en el secadero rápido + 510 Kcal perdidas en el horno rotatorio.

CASO DE ESTUDIO En el cual se elabora 15000 toneladas/ semanales de cemento portland tipo V, teniendo como base la siguiente información:

Cemento Portland Los cementos Portland resultan de la molienda conjunta de clínker más un porcentaje de yeso para regular el fraguado. Sus características dependen de la composición potencial del clínker. Así, por ejemplo, si el clínker tiene un alto contenido de C3S, el cemento será de resistencias iniciales altas y tendrá un mayor calor de hidratación. Por el contrario, si tiene un alto contenido de C2S, tendrá buenas resistencias a largo plazo y bajo calor de hidratación. En cuanto a la resistencia a los sulfatos, ésta será inversa al contenido de C3A. Por este motivo, la norma norteamericana ASTM C-150 clasifica los cementos Portland en cinco tipos. Cemento Portland Norma ASTM C-150 Tipo I Cemento Portland común, apto para toda obra que no requiera cementos con requisitos especiales. Tipo II Cemento Portland de moderado calor de hidratación y moderada resistencia a los sulfatos, con un contenido máximo de 8% de C3A. Tipo III Cemento Portland de alta resistencia inicial. Tipo IV Cemento Portland de bajo calor de hidratación, con contenidos máximos de 35% de C3S y 7% de C3A. Tipo V Cemento Portland resistente a los sulfatos, con un contenido máximo de 5% de C3A y la suma de C4AF + 2C3A, menor o igual a 20%.

Fabricación de Clínker


Basándose en la definición que se diera para el clínker, las materias primas deben contener principalmente calcio y silicio y, en proporciones menores, aluminio y fierro, todos ellos mezclados en proporciones adecuadas. El calcio (CaO) se obtiene de depósitos calcáreos ricos en carbonato de calcio (CaCO3). Éste, por ser un compuesto muy estable a los agentes atmosféricos, se encuentra a través de toda la corteza terrestre como calizas, depósitos de conchuelas, etc., en yacimientos de leyes muy variadas. El carbonato de calcio cuya fórmula química es CaCO3, se descompone a altas temperaturas en cal (CaO) y anhídrido carbónico (CO2). El anhídrido carbónico es un gas que escapa a la atmósfera junto con otros gases provenientes de la combustión. CaCO3 CaO + CO2 El silicio, el aluminio y el fierro se pueden obtener de las arcillas o de otros materiales que los contienen, tales como las escorias de altos hornos. También se puede dar el hecho que el mineral calcáreo contenga estos elementos como impurezas, en cantidades tales, que no es necesario utilizar arcillas. Muchas veces no basta con mezclar sólo dos componentes (caliza y arcilla o caliza y escoria de alto horno), sino que es necesario corregir los porcentajes, empleando otros materiales que tienen preferentemente el óxido que se desea corregir. Así, por ejemplo, se puede usar arena silícica (rica en silicio), mineral de hierro, caolín (compuesto de silicio y aluminio). En el lenguaje utilizado en la industria del cemento, al óxido de calcio (CaO) se le denomi na “cal”, al óxido de silicio (SiO2) se le conoce como “sílice” y al óxido de aluminio (Al2O3) como “alúmina”. Generalmente, en la química del cemento todos los elementos se

expresan al estado de óxidos. Resumen de los óxidos principales de las materias primas: Calcáreos (caliza) CaO: Óxido de calcio (cal) Arcillas/escorias de alto horno SiO2: Óxido de silicio (sílice) Al2O3: Óxido de aluminio (alúmina) Fe2O3: Óxido de fierro Otros (correctores de dosificación) SiO2: Óxido de silicio Al2O3: Óxido de aluminio Fe2O3: Óxido de fierro



DESARROLLO Cuadro comparativo de los procesos de producción para el producto con la correspondiente justificación bibliográfica. Mostrar el proceso productivo para el cemento, justificando el análisis en un cuadro comparativo de todos otros procesos investigados así, para definir la posibilidad de construir una planta en una de las zonas donde se ubica el grupo de trabajo:


PROCESO

OPERACIONES UNITARIAS NECESARIAS

Extracción Transporte Trituración 1. Alistamiento Pre homogeneización de materias Transporte primas Almacenamiento Molienda Homogeneización

OPERACIONES UNITARIAS ESENCIALES

OPERACIONES UNITARIAS ADICIONALES

Perforación. Barrenación y detonación con explosivos. Explotación de materia prima: Llevar los materiales Voladura, tumbe, carga. desde el sitio de explotación hasta el Transporte de materia prima: sitio de utilización. Acarreo a la planta de trituración. Trituración. Canalización Trituración Clasificación de materiales. Pre homogeneización Mezclado proporcional de cada material. Transporte a silos. Transporte a Silos. Dosificación. Almacenamiento de materia Se muele el material prima. antes de entrar en el horno de clínker Molienda Pulverización. Homogeneización Ensilado para lograr mezcla homogénea del material. Aireación intensiva.

DIFICULTAD EN LAS OPERACIONES

Cargue de barrenos. Voladura.

EQUIPOS DE APOYO NECESARIOS

Excavadora accionada por cable Cargadoras de cadenas Triturador de rodillos Molinos de bolas

AN LISIS DEL PROCESO (DIFICULTAD, AMENAZA, FORTALEZA, OPORTUNIDA D Dificultad: Sensibilidad de la calidad del producto a altas concentraciones de impurezas, Cierta porosidad del desecho tratado, Aumento en el volumen del residuo al añadir el agente ligante, Experiencia necesaria para una aplicación exitosa Fortaleza: Disponibilidad del material,

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Procesos Químicos Transporte roca caliza de centro de acopio a planta de trituración 2. Trituración de Trituración por impacto materias primas Tamizado clasificación Análisis control calidad Transporte de la planta de trituración a las escombreras 3. Pre homogenizació n

Conformación escombreras Mezclar

Transporte centro de acopio a Análisis control calidad planta de trituración Trituración por impacto Tamizado Clasificación

Transporte de la planta de Análisis rayos x trituración a las escombreras Conformación de escombreras Mezclar de Transporte de las escombreras a las tolvas del molino de materias primas Almacenamiento

Transporte de las escombreras a las tolvas del molino de materias primas Análisis rayos x Almacenamiento

Fallas mecánicas. Reprocesos a la roca caliza cuyo tamaño sea mayor a 3 pulgadas Fallas mecánicas

Volquetas Trituradora primaria de impacto Filtros para realizar el tamizado. Bandas transportadoras. Motores eléctricos para las bandas. Escarificador

Bajo costo de materiales Y equipo de mezclado, Uso de materiales naturales para la matriz de concreto, Capacidad para realizar una barrera física fuerte contra algunas adversidades, Flexibilidad para diferentes aplicaciones, Baja variabilidad en composición, Conocimiento del comportamiento y de sus reacciones

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Procesos Químicos Transporte de las tolvas del molino a el molino de bolas Mezcla de la caliza con minerales de hierro 3. Molienda del Análisis de la composición crudo química por analizador de neutrones Molienda por el molino de bolas Separación con ayuda de un separador dinámico Análisis de calidad de los materiales finos Reprocesos del material que no cumple con la granulometría Obtención harina cruda

Transporte de las tolvas del Análisis composición molino a el molino de bolas química por analizador Mezcla de la calizacon minerales de neutrones de hierro Molienda por el molino de bolas Análisis de calidad de Separación con ayuda de un los materiales finos separador dinámico Reprocesos del material que no cumple con la granulometría Obtención Harina cruda

Transporte del molino al Transporte del molino al silo Análisis de la harina silo Almacenamiento de la harina cruda 4. Acopio en Almacenamiento y cruda en el silo silos de crudo homogenización de la harina cruda en el silo

Fallas mecánicas

Falla mecánica

Oportunidad: Molino de bolas Silo domo con Se cuenta con el personal cono central mecánico para Elevadores de reparar las fallas cangilones. mecánicas que Se emplea aire se presenten. comprimido para iniciar y Amenaza: mantener el Algunos equipos están obsoletos proceso de y necesitan descarga del cambio por cemento de los haber cumplido su vida útil. silos, inyectándolo en el silo a través de unidades de aireación situados en el fondo de los mismos. Bandas transportadoras Motores para bandas transportadoras Separador dinámico Silo


5. Pre calcinación de Harina cruda

6. Clínkerización

7. Enfriamiento del Clínker

Transporte del silo a la parte superior de la torre de intercambio de calor Pre calcinación gracias a los gases calientes del horno Deshidratación y descarbonatacióna través del intercambiador de calor

Precalcinación gracias a los Análisis de la harina gases calientes del horno calcinada Deshidratación y descarbonatación a través del intercambiador de calor

Falla mecánica

Torre intercambio calor

Ingreso del material pre calcinado al horno rotatorio Elevación de la temperatura del material a 1450 C Obtención del Clinker

Temperaturas elevadas

Análisis del proceso de Clínkerización

Falla mecánica

Horno rotatorio

Transporte del horno al enfriador Enfriamiento del Clinker

Proceso de enfriamiento.

Verificación de la temperatura alcanzada

Falla mecánica

Enfriador tipo fuller tipo corriente de aire.

Transporte del enfriador al silo de clínker

Proceso de transporte y adición de aditivos

Falla mecánica Exceso de aditivos

Bandas transportadoras

Transporte del enfriador al silo de clínker 8. Acopio del Adición de yeso y otros Clínker materiales.

de de

Motores para bandas transportadoras

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Procesos Químicos Transporte y trituración

9. Molienda del cemento

Transporte del material desde el silo de Clinker al molino de cemento Trituración de la mezcla a través de un molino de bolas.

Análisis Rayos x Medición de granulometría

10. Ensilado

Transporte del molino al silo de almacenamiento

Transporte y llenado

Pesaje del obtenido

Empaque en bolsas gracias a las embolsadorasautomáticas . Llenado de los camiones con el producto

Transporte a la terminal de carga para entrega a granel. Empaque Despacho En la carga a granel el cemento se conduce mediante transportadores,aerodeslizadore s o aparatos neumáticos a los camiones situados sobreplataformas – báscula, cuando se ha alcanzado el peso deseado, el chorro de cemento se interrumpe automáticamente.

El cemento a granel se distribuye en trailers equipados de contenedoresespeciale s que se presurizan para descargar el cemento.

11. Empaque y despacho a granel

la

producto

Empaque en fundas de papel Transporte por bandas transportadoras Almacenamiento

Falla mecánica

Molino de bolas Bandas transportadoras Motores para bandas transportadoras

Falla Mecánica

Bandas transportadoras Motores para bandas transportadoras - Elevador de cangilones; Tamiz vibratorio para retener las partículas gruesas; Tolva de almacenado con indicadores de los niveles máximo y mínimo Válvulas rotativas controladas por el nivel del material sobre la máquina de ensacado; Tolva de ensacado; Máquina ensacadora;

Falla mecánica El principal componente de un sistema de carga a granel es el grupo de carga,comprendiend o la envoltura interior, con puertas para la extracción de polvo, la manguerade carga de doble fuelle (alternativamente se puede emplear un tubo telescópico de acero),la tobera de punta cónica, para su entrada en la boca de carga del vehículo – tanque detransporte granel formando un cierre hermético al polvo y el indicador del nivel de llenado.

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Procesos Químicos - Tolva para el cemento recuperado, vertido durante la operación de llenadode los sacos, el cual regresa al circuito. Transportadores . - Plataformas – báscula - Camiones



Diagrama de proceso preliminar. (Mostrando los flujos másicos de entrada y salida). Diseñar el preliminar del diagrama de proceso donde se muestren todas las operaciones unitarias esenciales con los correspondientes flujos másicos de entrada y salida. (Todas las referencias deben ir con sus pies de páginas correspondientes según la norma ICONTEC).

Figura 1. Diagrama de Proceso de las operaciones unitarias esenciales

(OSBORNE Blog, 22 )


Figura 2 Diagrama de Flujos másicos de entrada y salida de los procesos de las operaciones unitarias esenciales


Diagrama de proceso intermedio. (Mostrando las operaciones y los fenómenos de transferencia). Diseñar el diagrama de proceso intermedio para diferenciar todos los tipos de operaciones unitarias presentes (FISICAS, QUIMICAS O MIXTAS) en el proceso productivo y los fenómenos de transferencia (MASA, CALOR, MOMENTUM O MIXTAS) posibles.

Figura 3 Diagrama de Proceso Intermedio

(canacem, s.f.)



- Cálculos de los balances de materiales en EXCEL. Con la cantidad a producir se debe mostrar en un cuadro de EXCEL los balances de masa necesarios, para calcular las cantidades de materias primas necesarias, diferenciando entre Los materiales directos(los que están dentro del producto o materias primas básicas esenciales) y los materiales indirectos (todos los materiales adicionales que son los que hacen posible la reacción, el producto o su presentación final). También las cantidades de los posibles subproductos que se puedan analizar.

Figura 3. Distribución de los balances de masa entre los materiales utilizados


DATOS BALANCE DE MASA PARA ELEBORAR UNA TONELADA DE CEMENTO POR VIA SECA ENTRADAS MASICAS AL PROCESO SALIDAS MASICAS AL PROCESO MATERIA PRIMA CANT EN TON PRODUCTO CANT EN TON Caliza 1,411200 Cemento 1,048198 Arcilla 0,184800 Vapor de agua 0,172815 Min de hierro 0,084000 Polvo 0,130671 Carbón 0,200000 CO2 1,005766 Aire 1,861378 N2 1,406250 Yeso 0,060000 O2 0,038560 SO2 0,006800 4 4 PARA ELEBORAR 15,OOO TONELADAS SEMANALES DE CEMENTO POR VIA SECA ENTRADAS MASICAS AL PROCESO SALIDAS MASICAS AL PROCESO MATERIA PRIMA CANT EN TON PRODUCTO CANT EN TON Caliza 21,168000 Cemento 15,722970 Arcilla 2,772000 Vapor de agua 2,592225 Min de hierro 1,260000 Polvo 1,960065 Carbón 3,000000 CO2 15,086490 Aire 27,920670 N2 21,093750 Yeso 0,900000 O2 0,578400 SO2 0,102000 57 57 15,000 TONELAS MENSUALES PARA ELEBORAR UNA TONELADA DE CEMENTO POR VIA HUMEDA

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Procesos Químicos ENTRADAS MASICAS AL PROCESO MATERIA PRIMA CANT EN TON Caliza Arcilla Min de hierro Agua Gas natural Aire Yeso Puzolana Agregado 1 Agregado 2

1,46723 0,20930 0,06978 0,74748 0,17870 3,21200 0,06000 0,02420 0,19500 0,02630 6

SALIDAS MASICAS AL PROCESO PRODUCTO CANT EN TON Cemento 1,294700 Vapor de agua 1,255800 Polvo 0,084000 CO2 1,093000 N2 2,416700 O2 0,035100

6

PARA ELEBORAR 15000 TONELADAS DE CEMENTO POR VIA HUMEDA

ENTRADAS MASICAS AL PROCESO MATERIA PRIMA CANT EN TON Caliza 22008,45000 Arcilla 3139,50000 Min de hierro 1046,70000 Agua 11212,20000 Gas natural 2680,50000 Aire 48180,00000 Yeso 900,00000 Puzolana 363,00000 Agregado 1 2925,00000 Agregado 2 394,50000 92850

SALIDAS MASICAS AL PROCESO PRODUCTO Cemento Vapor de agua Polvo CO2 N2 O2

CANT EN TON 19420,500000 18837,000000 1260,000000 16395,000000 36250,500000 526,500000

92.690


MATERIALES DIRECTOS

MATERIALES INDIRECTOS

PRODUCTOS

Caliza (1400 kilos)

Aire (1800 kilos)

Cemento (1048 kilos aproximadamente)

Arcilla (184 kilos)

Gas natural (178 kilos)

Mineral de hierro (88.4 Agua (747 kilos) kilos) Puzolana (24.2 kilos) Carbón (200 kilos) Agregado 1 (195 kilos) Yeso (60 kilos) Agregado 2 (26.3 kilos)

Vapor de agua (172.8 kilos)

SUBPRODUCTOS CO2(1093 kilos)

RESIDUOS ACUMULACIONES Polvo (130 kilos)

N2 (1400 kilos) O2(38.5 kilos) SO2(6.8 kilos)

COMENTARIOS: -Se utiliza el Kilogramo como unidad del sistema másico internacional. -Los cálculos están promediados para producir una tonelada de cemento por medio de las dos vías (húmeda y seca)

O


- Cuadro de balance de materiales. - Cuadro de materiales con los proveedores y costos, incluyendo los adicionales. Justificado en el estudio de mercado, se debe mostrar en un cuadro como mínimo tres proveedores para las materias primas y adicionales con sus correspondientes costos para las cantidades determinadas en los balances de materia

Material

Cantidad (Kg)

- Cálculos de los balances de energéticos en EXCEL.

Costo ($ colombianos)

Proveedores (Nacionales e Internacionales)

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Procesos Químicos Elaborar en EXCEL los balances energéticos necesarios para la producción y el apoyo del proceso productivo como son: la energía de formación en reacciones endotérmicas y exotérmicas, así como las necesidades adicionales de refrigeración y calefacción, en donde se requi era algún tipo de trasferencia de calor, Todo justificado en el estado del arte del trabajo colaborativo 1 y el diagrama de proceso diseñado.

Tabla No. _ Cálculo de la energía eléctrica (potencia necesaria) que se va a necesitar.

Tabla No. _ Balance de Temperatura requerida



Balance de energíaeléctrica. En las siguientes dos tablas se listan los valores (además de los diagramas) de energía eléctrica consumida por tonelada de cemento según el proceso utilizado. Consumo de Energía por Tonelada de Cemento, utilizando como combustible carbón. (Proceso vía Seca Planta Típica) ENERGIA PROCESO ( KWH )

Trituración Molienda Arcilla Molienda de Carbón Molienda de Crudo Clinker Gris Molienda de cemento Gris Empaque Cemento Gris TOTAL

3.5 0.98032 9.426 92.71 81.97 59.15 1.13 247.886

Fuente: Cálculos UIS-IDEAM


Consumo de Energía para 1500 Toneladas de Cemento, utilizando como combustible carbón. (Proceso vía Seca Planta Típica) PROCESO

Trituración Molienda Arcilla

ENERGIA ( KWH )

5250 1470.48

Molienda de Carbón

14139

Molienda de Crudo

139065

Clinker Gris

122955

Molienda de cemento Gris

88725

Empaque Cemento Gris

1695

TOTAL

373299.48

Figura No. Balance de Energía Vía Seca


( Cálculos UIS-IDEAM, s.f.)


Consumo de Energía por Tonelada de Cemento, utilizando como combustible Gas Natural. (Proceso Vía Húmeda, Planta Típica). PROCESO Trituración Bombeo de Pasta Sedimentación de Pasta Molienda de Pasta Clínkerización Molienda de Cemento Empaque TOTAL

ENERGIA (KWH) 6.4558 1.94915 0.332 29.9052 112.1445 54.37 1.4889 206.6455


Consumo de Energía para 1500 Toneladas de Cemento, utilizando como combustible Gas Natural. (Proceso Vía Húmeda, Planta Típica). PROCESO Trituración Bombeo de Pasta Sedimentación de Pasta Molienda de Pasta Clinkerización Molienda de Cemento Empaque TOTAL

ENERGIA (KWH) 9683.7 2923.725 498 44857.8 168216.75 81555 2233.35 309968.325

Figura No. _ Balance de Energía Vía Húmeda


( Cálculos UIS-IDEAM, s.f.)


LOS FENOMENOS DE TRANFERENCIA DE CALOR QUE SE ENCUENTRA EN LAS OPERACIONES

La molienda de las materias primas tiene por objeto reducirlas de tamaño, a un estado pulverulento, para que puedan reaccionar químicamente durante la clinkerización. Esta se puede hacer en húmedo (vía húmeda) o en seco (vía seca). Cuando los materiales son desleíbles (que forman barro) o cuando es necesario concentrar el carbonato se utiliza la vía húmeda, que consiste en licuar las materias en grandes estanques circulares provistos de peines giratorios. Después, los materiales pasan a molinos de bolas, de donde se obtiene una pasta fluida que se prensa posteriormente para eliminar parte del agua y se almacena hasta introducirla al horno en f orma de nódulos. Si se utiliza la vía seca, la molienda se hace en molinos de rodillos o de bolas, obteniéndose en ellos un polvo fino de tamaño inferior a 150 micrones. Generalmente los molinos de vía seca están provistos de dispositivos que inyectan aire caliente para secar las materias primas, simultáneamente con la molienda. La homogeneización consiste en mezclar los distintos materiales, a tal punto que en cualquier porción de la mezcla que se tome deben estar presentes los componentes en las proporciones previstas. Cuando se usa la vía húmeda se emplean estanques agitadores mecánicos y cuando se usa la vía seca, se emplean silos donde el crudo se agita mediante la inyección de aire comprimido. Una buena homogeneización permite corregir las dosificaciones, mantener una operación adecuada del horno y prever la calidad del clínker. Por el contrario, una mala homogeneización puede dar lugar a clínker de mala calidad, cometer errores en los cambios de dosificación, dificultar la operación del horno e impedir las reacciones químicas de formación de clínker. Tanto los porcentajes de los óxidos como sus relaciones, deben ser estrictamente controlados mediante el análisis químico de muestras representativas, en forma previa a la molienda y durante ella. FABRICACIÓN DE CEMENTOS En la industria del cemento, la máquina más delicada y más cara es el horno. Su trabajo a alta temperatura y su revestimiento refractario obliga a una operación continua, debida a los serios riesgos que se corren en cada detención. Por ese motivo, se debe disponer de silos de almacenamiento de crudo, para asegurar una continuidad en el funcionamiento del horno, sin que éste se vea afectado por detenciones del molino de crudo. El número y capacidad de los silos de crudo se diseña para que el horno continúe trabajando por alrededor de 10 días después de detener el molino.

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Procesos Químicos La clinkerización constituye la etapa más importante del proceso de f abricación de clínker. Los materiales homogeneizados se calientan hasta llegar a la temperatura de fusión incipiente (entre 1.400 a 1.500 ºC, parte del material se funde mientras el resto continúa en estado sólido), para que se produzcan las reacciones químicas que dan lugar a la formación de compuestos mineralógicos del clínker. Para calcinar los materiales se usan hornos rotatorios. Estos son tubos de acero montados sobre polines, revestidos interiormente por ladrillos refractarios, con una inclinación de 3 a 5%, accionados por motores que les permiten girar a una velocidad circunferencial del orden de 10 metros por minuto. Su diámetro (2 a 6 metros) y longitud (50 a 200 metros) dependen de la capacidad de producción. Como combustible, se puede usar petróleo, carbón pulverizado o gas, que se inyecta con aire en la zona más baja, donde se produce la combustión. Los gases calientes atraviesan todo el horno y son enviados hacia la chimenea, pasando antes por equipos recuperadores de calor y de polvo. El material crudo se alimenta por la parte superior y, gracias al movimiento e inclinación del horno, se va desplazando lentamente, encontrándose cada vez con zonas de mayor temperatura hasta llegar a la zona de la llama, donde se produce la clinkerización. Anexo al horno mismo deben existir otros equipos, tales como: Sistema de alimentación que regula la cantidad de crudo que entra al horno. Sistema de preparación e inyección del combustible. Sistemas recuperadores de calor de los gases. Sistema de captación de polvo de los gases.    

Para disminuir la longitud de los hornos y aprovechar el calor de los gases, los hornos modernos están provistos de torres de ciclones, por donde desciende el crudo y ascienden los gases calientes, permitiendo un contacto muy directo entre los gases y el crudo. Según la temperatura que alcanza el crudo antes de entrar al horno, las torres se denominan precalentadores (el crudo alcanza temperaturas de hasta 700 ºC) o precalcinadores (la temperatura del crudo puede llegar a más de 1.000 ºC). A medida que el crudo avanza por las torres y por el horno va sufriendo diversas Transformaciones: Secado o pérdida del agua libre. Deshidratación o pérdida de agua combinada.  

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Procesos Químicos  

Disociación del carbonato de calcio (CaCO3) en óxido de calcio (CaO) y anhídrido carbónico (CO2). Clinkerización o combinación de los diferentes óxidos para formar silicatos, aluminatos y ferroaluminatos de calcio.

Al salir del horno, el clínker se debe enfriar rápidamente para evitar la descomposición del silicato tricálcico, en silicato bicálcico y cal libre: 3CaO•SiO2 2CaO•SiO2 + CaO El enfriamiento se hace con aire que pasa a través de sistemas de parrilla móvil, o bien, a través de tubos planetarios que giran solidarios al horno. De estos sistemas, el clínker sale con una temperatura inferior a 150 ºC.


CONCLUSIONES

En este trabajado podemos observar el proceso de manufactura del cemento Pórtland, así como los principales componentes y las propiedades químicas y físicas de este cemento. Por lo que cabe en los campos de aplicación determinamos que el cemento Pórtland es el de más uso en común, además de su calidad podemos observar un costo accesible, por lo que lo hace el apropiado para construcciones en general, dado su bajo costo de producción, comparado con su utilidad y precios. además se vio que existen dos métodos de obtención del material, por vía seca y por vía húmeda.

229443988 Procesos Quimicos Colaborativo 2

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