Balance de MateriBALANCE DEL ALTO HORNOa

CAPITULO

9

BA LA NCE NCE DE MATER MATERIA IA EN PROCESOS DE METAL METAL URGIA URGIA Y AL A L TO HORNO HORNO

PRODUCCION DE COQUE.

Si el carbón es calentado sin entrar en contacto con el aire, no puede oxidarse o quemarse. Sin embargo se descompone desprendiendo su materia volátil en forma de gases. La materia volátil está compuesta por varios hidrocarburos gaseosos (tales como CH4, C2H4, C6H6), hidrógeno, alquitrán, aceites ligeros y humedad. El resíduo sólido estará formado por carbono fijo, ceniza y ocasionalmente algo de materia volátil que no alcanza a desprenderse. La cantidad de materia volátil depende de la composición del carbón y la temperatura a la cual es calentado. En general en estos procesos los gases desprendidos se condensan y se separan sus constituyentes para recuperarlos como sub-productos. El coque obtenido se utiliza en metalurgia como agente reductor del Alto Horno.

REDUCCION EN EL ALTO HORNO.

En la obtención de los metales a partir del mineral se utiliza la reducción en hornos especiales. El más representativo de

334

BALANCEDE MATERIA : NESTOR GOODING GARAVITO

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todos ellos es el utilizado para la reducción del mineral de hierro llamado "alto horno". Los materiales que entran a este horno son: Mineral de hierro Fundente (caliza)

Agente reductor (coque) Aire

Los materiales que salen del horno son: Arrabio Escoria Gases de alto horno

Para el cálculo del balance de masa, las siguientes reacciones se suceden en el horno: Fe2O3 + 3 CO = 2 Fe + 3 CO 2 Fe2O3 + CO = 2 FeO + CO2 SiO2 + 2 C = Si + 2 CO MnO + C = Mn + CO P2O5 + 5 C = 2 P + 5 CO

CAPITULO 9 : BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE METALURGIA Y ALTO HORNO

335

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Las anteriores reacciones están generalmente acompañadas dentro del horno de las correspondientes reacciones de calcinación de la caliza y oxidación del coque metalúrgico. CaCO3 = CaO + CO 2 MgCO3 = MgO + CO 2 C + (1/2) O 2 = CO

PROBLEMA S RESUELTOS

9.1 -

El siguiente carbón se utiliza para fabricar coque: C H O N Ceniza

80 % 6% 8% 1% 5%

El coque obtenido contiene 92% de C y 8% de ceniza. El análisis de los gases de coquización es: C2H4 CH4 CO CO2 H2 N2

4% 35 % 8% 4% 44 % 5%

Todos los análisis están en base seca. El alquitrán puede despreciarse. Calcular 3 los kilogramos de coque y el volumen en m (CNPT) de gas seco producidos a partir de 1 tonelada de carbón. B.C. : 1 000 kg de carbón Se toma como sustancia de enlace la ceniza del carbón. Coque producido = 50 x (100/8) = 625 kg Carbono en el coque = 0.92 x 625 = 575 kg Carbono en gases = 800 - 575 = 225 kg = 18.75 kg-at Por cada 100 kg-mol de gases hay:

336


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(4 x 2 + 35 + 8 + 4) = 55 kg-at C Gases producidos = 18.75 x (100/55) = 34.09 kg-mol 3

Volumen = 34.09 x 22.414 = 764.09 m (CNPT)

9.2 -

Un carbón con el siguiente análisis se alimenta a un horno de coquización:

C 78.0 % H 5.0 % O 9.0 % N 1.5 % Ceniza 6.5 % El coque tiene el siguiente análisis: C 89.5 % H 1.0 % Ceniza 9.5 % El análisis del gas de coquización es:

0.8 % C6H6 C2H4 3.0 % CH4 34.0 % CO 6.0 %

CO2 3.3 % H2 44.3 % N2 7.2 % NH 3 1.4 %

La cantidad de alquitrán producido equivale al 3.4 % del peso del carbón y contiene 90% de C. Calcular los kg de carbón necesarios para producir 1 tonelada de coque y el 3 volumen en m (CNPT) de gas producido.

B.C. : 1 000 kg de coque Carbón = 95 x (100/6.5) = 1 461.5 kg de carbón Alquitrán producido = 0.034 x 1 461.5 = 49.69 kg C en alquitrán = 0.9 x 49.69 = 44.72 kg C en gases = 0.78 x 1 461.5 - 895 - 44.72 = 200.25 kg = 16.68 kg-at C


337

─────────────────────────────────────────

Por cada 100 kg-mol de gases hay: (0.8 x 6 + 3 x 2 + 34 + 6 + 3.3) = 54.1 kg-at C Gases producidos = 16.68 x (100/54.1) = 30.83 kg-mol 3

V = 30.83 x 22.414 = 691 m (CNPT)

9.3 -

Un alto horno reduce Fe2O3 puro hasta Fe. El Fe2O3 proviene de un mineral que contiene una cantidad no determinada de impurezas. La reducción es realizada por CO. Por cada 960 kg de Fe producido se cargan 300 kg de CaCO3 y 800 kg de carbono puro se queman en el horno. La escoria contiene 45% en peso de CaO. Realizar el balance de materia completo del horno.

C + 0.5 O 2 = CO

(1)

CaCO3 = CaO + CO 2 Fe2O3 + 3 CO = 2 Fe + 3 CO 2

(2) (3)

Escoria formada = 300 x (56/100) x (100/45) = 373.3 kg Impurezas = 373.3 x 0.55 = 205.3 kg Estas impurezas provienen del mineral. Fe2O3 alimentado = (960/55.85) x (1/2) x 159.7 = 1 372.5 kg Mineral alimentado = 1 372.5 + 205.3 = 1 577.8 kg O2 (S) = (800/12) x 0.5 = 33.33 kg-mol N2 (S) = 33.33 x (79/21) = 125.38 kg-mol = 3 510.64 kg Aire = 125.38 x (100/79) = 158.7 kg-mol = 4 576.91 kg CO producido = (800/12) = 66.66 kg-mol CO que reacciona= (960/55.85) x (3/2) = 25.78 kg-mol CO en gases = 66.66 - 25.78 = 40.88 kg-mo l = 1 144.64 kg CO2 en gases = CO2 en (2) + CO2 en (3) CO2 en gases = 25.78 + 3 = 28.78 kg-mol = 1 266.32 kg

338


────────────────────────────────────────

Resúmen del balance: ENTRADAS Mineral Caliza Coque Aire

1 577.8 kg 300 kg 800 kg 4 576.9 kg

⎯⎯⎯⎯⎯ 7 254.7 kg SALIDAS CO CO2 N2 Escoria Hierro

1 144.64 kg 1 266.32 kg 3 510.64 kg 373.30 kg 960.00 kg

⎯⎯⎯⎯⎯ 7 254.90 kg

9.4

- Un mineral de hierro se reduce en un horno de acuerdo a la siguiente reacción: Fe2O3 + 9 CO = 2 Fe + 3 CO 2 + 6 CO La cantidad de CO necesario se obtiene por la combustión del coque en la parte baja del horno. El coque contiene 90% de C, del cual el 4% es absorbido por la reducción del hierro y el 96% es quemado hasta CO. Sobre la base de 1 tonelada de Fe producido, calcular: a) El volumen de CO requerido en la reacción a condiciones normales. b) El peso de coque teórico. o c) El volumen de aire a 20 C y 1 atm. o d) El volumen de los gases formados a 350 C y 1 atm. e) La composición de los gases formados. f) Comprobar el balance de materia del horno.

B.C.: 1 000 kg de Fe producido a)

CO = (1 000/55.85) x (9/2) = 80.57 kg-mol 3

V = 80.57 x 22.414 = 1 805.9 m (CNPT)


─────────────────────────────────────────

b)

Coque = 80.57 x 12 x (100/96) x (100/90) = 1 119 kg coque Fe2O3 = (1 000/55.85) x (1/2) x 159.7 = 1 429.7 kg

c)

O2 (R) = 80.57 x (1/2) = 40.285 kg-mol Aire = 40.285 x (100/21) = 191.83 kg-mol = 5 532.4 kg nRT 191.83 x 293 1 x 22.414 3 V = ⎯⎯⎯ = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 4 614.6 m P 1 273

d)

CO formado = (1 000/55.85)x (6/2) = 53.71 kg-mol CO2 formado = (1 000/55.85) x (3/2) = 26.85 kg-mol N2 (S) = 191.83 x 0.79 = 151.54 kg-mol

Gases formados:

CO 53.71 kg-mol x 28 = 1 503.88 kg CO2 26.85 kg-mol x 44 = 1 181.40 kg N2 151.54 kg-mol x 28 = 4 243.12 kg

nRT

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

⎯⎯⎯⎯⎯

232.10 kg-mol

6 928.40 kg

232.1 x 623

1 x 22.414

V = ⎯⎯⎯ = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 11 871.9 m P 1 273

e) Composición molar de los gases:

CO CO2 N2

Balance de masa del horno:

23.14 % 11.56 % 65.29 %

3

339

340


────────────────────────────────────────

ENTRADAS Fe2O3 Coque Aire

1 429.7 kg 1 119.0 kg 5 532.3 kg

⎯⎯⎯⎯⎯ 8 081.0 kg

SALIDAS Gases Fe C Inerte

6 928.4 1 000.0 40.3 111.9

kg kg kg kg

⎯⎯⎯⎯⎯ 8 080.6 kg

9.5 -

El mineral utilizado en un alto horno tiene la siguiente composición:

Fe2O3 SiO2 Al2O3 H2O

82 % 14 % 2% 2%

Por cada libra de mineral se cargan 0.22 libras de CaCO 3. El coque contiene 90% de C y 10% de ceniza, y se carga en proporción de 1 lb/lb de arrabio. El horno produce 600 toneladas de arrabio, el cual contiene: Fe 94 % C 4% Si 2 % El análisis en base seca del gas de alto horno muestra una proporción de CO/CO2 de 1.5. La presión es 1 atm., calcular: a) El peso de mineral cargado. 3 o b) El volumen de gas producido en m a 400 C por tonelada de arrabio. c) El peso de los gases producidos por tonelada de arrabio. d) Comprobar el balance de masa del alto horno.

B.C. : 600 toneladas de arrabio


341

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Fe C Si

564 tn 24 tn 12 tn

a) Mineral = (564/55.85) x (1/2) x 159.7 x (100/82) = 983.37 tn

Fe2O3 SiO2 Al2O3 H2O

806.36 137.67 19.67 19.67

tn tn tn tn

⎯⎯⎯⎯⎯ 983.37 tn b) CaCO3 = 983.37 x 0.22 = 216.34 tn = 2.1634 tn-mol CaO que se produce = 2.1634 x 56 = 121 tn Coque cargado = 600 tn (540 tn C y 60 tn ceniza)

Balance de carbono: C(coque) + C(caliza) = C(arrabio) + C(gases) C(gases) = 540 + 2.16 x 12 - 24 = 541.92 tn = 45.16 tn-at C

CO formado = 45.16 x (1.5/2.5) = 27.096 tn-mol CO2 formado = 45.16 x (1/2.5) = 18.064 tn-mol Balance de silicio: Si (mineral) = Si (arrabio) + Si (escoria) Si (escoria) = 137.67 x (28.1/60.1) - 12 = 52.36 tn SiO2 en escoria = 52.36 x (60.1/28.1) = 112 tn

Se supone que en el gas de alto horno no hay oxígeno libre y se procede a realizar un balance total de oxígeno utilizando solo los compuestos que sufren modificación.

El oxígeno que entra será:

342


────────────────────────────────────────

Fe2O3 : (806.36/159.7) x 1.5 = 7.573 tn-mol O2 SiO2 : (137.67/60.1)

= 2.29 tn-mol O2

CaCO3 : 2.16 x 1.5

= 3.24 tn-mol O2

Aire :

= X

tn-mol O2

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 13.103 + X tn-mol O2 El oxígeno que sale será: Gases : (27.096/2) + 18.064 = 31.612 tn-mol O2 Escoria : (112/60.1) + (2.16/2) = 2.943 tn-mol O2

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 34.555 tn-mol O2 X = 34.555 - 13.103 = 21.452 tn-mol O2 N2 (S) = 21.452 x (79/21) = 80 .7 tn-mol Aire = 80.7 x (100/79) = 102.15 tn-mol = 2 946 tn

Gases formados:

CO CO2 N2 H2O

27.096 tn-mol x 28 = 758.658 18.064 tn-mol x 44 = 794.816 80.7 tn-mol x 28 = 2 259.6 1.093 tn-mol x 18 = 19.674

⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 126.953 tn-mol

126.953 tn-mol

tn tn tn tn

⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 3 832.748

tn

kg-mol gases

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 0.2115 = 211.5 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 600 tn arrabio

nRT

211.5 x 673

tn arrabio

1 x 22.414

V = ⎯⎯⎯ = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 11 686 m P 1 273 c)

3


343

─────────────────────────────────────────

3 832.748 tn gases

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 6.38 600 tn arrabio

d) El balance de masa del alto horno será: ENTRADAS Mineral Coque Caliza Aire

983.37 600 216.34 2 946

tn tn tn tn

⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 4 745.7 tn SALIDAS Gases Arrabio

3 832.75 tn 600 tn

Escoria: CaO Al2O3 SiO2 Ceniza

121 19.67 112 60

tn tn tn tn

⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 4 745.42 tn 9.6 -

Un mineral de hierro con la siguiente composición se alimenta a un alto horno:

Fe2O3 82 % SiO2 10 % Al2O3 5% H2O 3% El fundente utilizado es CaCO3 puro y el coque contiene 88% C y 12% SiO2. Por tonelada de mineral se utilizan 600 kg de coque, 120 kg de fundente y 2 3 220 m (CNPT) de aire. Se produce arrabio que contiene: 95% Fe, 3.5% C, 1.5% Si. Calcular: a) La composición y peso de la escoria por tonelada de mineral. b) La composición y el volumen (CNPT) de los gases formados por tonelada de arrabio.

344


────────────────────────────────────────

c) Comprobar el balance de masa del horno.

B.C. : 1 000 kg de mineral a)

Fe2O3 + 3 CO = 2 Fe + 3 CO 2 CaCO3 = CaO + CO 2 C + 0.5 O 2 = CO Mineral: Fe2O3 820 kg SiO2 100 kg Al2O3 H2O

50 kg 30 kg

Coque = 600 kg (528 kg C y 72 kg SiO2) Caliza = CaCO3 = 120 kg Arrabio = (820/159.7) x 2 x 55.85 x (100/95) = 603.72 kg

Fe C Si

573.53 kg 21.13 kg 9.06 kg

⎯⎯⎯⎯⎯ 603.72 kg CaO producido = (120/100) x 56 = 67.2 kg Silicio a la entrada del horno: 100 x (28.1/60.1) + 72 x (28.1/60.1) = 80.42 kg Si Si en escoria = 80.42 - 9.06 = 71.36 kg SiO2 en escoria = 71.36 x (60.1/28.1) = 152.62 kg La escoria estará formada por: CaO 67.2 kg Al2O3 50.0 kg SiO2 152.62 kg

⎯⎯⎯⎯⎯ 269.82 kg b)

24.90 % 18.53 % 56.56 %


─────────────────────────────────────────

Aire = (2220/22.414) = 99.04 kg-mol = 2 856 kg

N2 (S) = 99.04 x 0.79 = 78.24 kg-mol O2 (S) = 99.04 x 0.21 = 20.80 kg-mol

CO formado a partir del coque:

[(528 - 21.13)/12] = 42.24 kg-at C = 42.24 kg-mol CO CO en la reducción = (820/159.7) x 3 = 15.4 kg-mol CO CO en gases = 42.24 - 15.4 = 26.84 kg-mol CO2 formado = 15.4 + 1.2 = 16.6 kg-mol

Gases de alto horno: CO CO2 N2 H2O

26.84 kg-mol x 28 = 751.52 kg 21.76 % v 16.60 kg-mol x 44 = 730.40 kg 13.45 % 78.24 kg-mol x 28 = 2 190.7 kg 63.43 % 1.66 kg-mol x 18 = 29.88 kg 1.34 %

⎯⎯⎯⎯⎯⎯

⎯⎯⎯⎯⎯

123.34 kg-mol

3 702.5 kg

3

123.34 x 22.414 m gases 3

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 4 579 m /tn arrabio 0. 60372 tn arrabio

c) Balance de masa en el alto horno: ENTRADAS Mineral Coque Caliza Aire

1 000 kg 600 kg 120 kg 2 856 kg

⎯⎯⎯⎯ 4 576 kg

345

346


────────────────────────────────────────

SALIDAS Gases 3 702.5 kg Escoria 269.8 kg Arrabio 603.7 kg

⎯⎯⎯⎯⎯ 4 576.0 kg

Calcule la relación entre la masa de amoniaco producido y la masa de hidrógeno que reacciona. ¿Cuánto amoniaco se produce por tonelada de

PROBLEMAS PROPUESTOS

9.7 -

Un alto horno utiliza un coque con la siguiente composición:

C H O H2O Ceniza

84 % 2% 1% 3% 10 %

El horno produce 1 tonelada de arrabio por cada tonelada de coque utilizado y alimenta tambien 400 kg de CaCO3 por tonelada de arrabio. El arrabio contiene 4% de C. El análisis del gas de alto horno es: CO 28 % CO2 16 % CH4 1 % H2 1 % N2 54 % Suponiendo condiciones normales de presión y temperatura (CNPT), sobre la base de 1 tonelada de arrabio, calcular el balance de masa completo del horno.


347

─────────────────────────────────────────

9.8 -

Un alto horno utiliza 1 000 toneladas de mineral por día con la siguiente composición: Fe2O3 SiO2 MnO2 Al2O3 H2O

80 % 12 % 5% 2% 1%

Todo el Fe, la mitad del MnO2 y una cuarta parte del SiO 2 se reducen en el horno. El arrabio contiene 4% de C. Se utilizan 0.2 lb de CaCO3/lb de mineral y 0.5 lb coque/lb de mineral. El coque contiene 90% C y 10% de SiO2. Suponer que el SiO 2 del coque sale todo con la escoria. Los gases del horno contienen 24% CO y 9% de CO2. El manganeso en la escoria está como MnO. Comprobar el balance de materia del horno.

9.9 -

Un alto horno produce arrabio con la siguiente composición: Fe Si C Mn

93.6 % 2.1 % 3.6 % 0.7 %

El mineral utilizado contiene: Fe2O3 SiO2 Al2O3 MnO H2O

78 % 9% 5% 1% 7%

Puede suponerse que todo el Fe2O3 se reduce a Fe. Se utiliza 1 tonelada de coque por tonelada de arrabio y su composición es: C 90% y SiO 2 10%. El fundente es CaCO3 puro y la escoria contiene 45% de CaO. Calcular: a) Los kg de mineral utilizado por tonelada de arrabio. b) El porcentaje del SiO2 total y el MnO reducido en el horno. c) El peso y composición de la escoria formada por tonelada de arrabio.

9.10 -

Un mineral de hierro tiene la siguiente composición: Fe2O3 SiO2 MnO Al2O3

76 % 14 % 1% 9%


348

────────────────────────────────────────

Este mineral se alimenta a un alto horno para producir un arrabio con el siguiente análisis: Fe 94.2 % C 3.5 % Si 1.5 % Mn 0.8 % Por tonelada de arrabio se utilizan 1 100 kg de coque, el cual contiene: 88 % de C y 12 % de SiO2. El análisis de los gases es: CO 26%, CO 2 13% y N2 61%. Suponiendo que no hay pérdidas de hierro en la escoria, calcular para 1 tonelada de arrabio producido: a) El peso de mineral. b) El peso de caliza (CaCO3 puro), si la escoria contiene 36% de CaO. 3 c) El volumen en m (CNPT) de los gases de alto horno. 3 d) El volumen en m (CNPT) de aire utilizado.

9.11 -

El siguiente mineral de hierro se alimenta a un alto horno: Fe2O3 MnO SiO2 Al2O3 H2 O

80 % 3% 10 % 3% 4%

Se cargan 3 400 lb de mineral por cada 2 000 lb de arrabio producido. El fundente es CaCO3 puro y el coque contiene 87% de C, 11% SiO 2 y 2% de Al2O3. El consumo de coque es 1 700 lb por tonelada de arrabio y la 3 escoria sale con un 34.6% de CaO. Se utilizan 91 000 pies (CNPT) de aire por tonelada de arrabio. El arrabio contiene 93% de Fe, 2% Mn, 1.4% Si y 3.6% de C. Calcular: a) Las libras de fundente por tonelada de mineral. b) La composición de la escoria. 3 c) La composición de los gases formados y su volumen en pies (CNPT) por tonelada de arrabio.

9.12 -

Un alto horno produce arrabio con la siguiente composición: C 4.0 % Si 1.2 % Mn 0.9 % Fe 93.9 % El mineral suministrado contiene:


349

─────────────────────────────────────────

Fe2O3 Al2O3 MnO

80 % 3% 1%

H2O SiO2

4% 12 %

Por tonelada de arrabio producido se utilizan 1 750 kg de mineral. Parte del hierro se pierde en la escoria como FeO. El volumen del gas producido 3 es 4 200 m (CNPT) por tonelada de arrabio y su composición es: CO CO2 H2O N2

26 % 12 % 4% 58 %

El coque contiene: 90% C y 10% SiO 2. El fundente (0.48 ton/ton arrabio) es CaCO3 puro. Calcular: a) Los kg de coque por tonelada de arrabio. b) La composición de la escoria. 3 c) El volumen de aire en m (CNPT) por tonelada de arrabio.

9.13 -

Un alto horno produce a rrabio con la siguiente composición: Fe Si C Mn

93.6 % 2.1 % 3.6 % 0.7 %

Por tonelada de arrabio se cargan 1 740 kg de mineral con la siguiente composición: Fe2O3 SiO2 Al2O3 MnO H2O

78 % 9% 5% 1% 7%

Parte del hierro no reducido entra a la escoria como FeO. Se utiliza 1 tonelada de coque por tonelada de arrabio y este contiene: 90% de C y 10% de SiO2. El fundente es CaCO3 puro y se cargan 360 kg por tonelada de arrabio. El 62.5% del carbono que es oxidado en el horno forma CO y el resto CO2. Calcular por tonelada de arrabio: a) Los kg de escoria formada. 3 b) Los m (CNPT) de aire utilizados. c) La composición de los gases formados.


350

────────────────────────────────────────

9.14 -

El mineral utilizado en un alto horno tiene la siguiente composición: Fe2O3 SiO2 Al2O3

85 % 11 % 4%

Por cada 1.7 kg de mineral se carga 1 kg de coque (90% C y 10% ceniza) y 0.25 kg de caliza (CaCO3 puro). El horno produce 500 toneladas diarias de arrabio, el cual contiene: 94% Fe, 4% C y 2% Si. El volumen de aire es 3 3 150 m (CNPT) por tonelada de arrabio, calcular: a) El peso de mineral cargado por día. b) La relación CO/CO 2 en el gas de alto horno.

9.15 -

Un alto horno utiliza un mineral con la siguiente composición: Fe2O3 90 % SiO2 10 % El coque contiene 90% de C y 10% de SiO2. La caliza contiene 95% de CaCO3, 3% MgCO 3 y 2% de SiO2. Se utiliza 1 tonelada de coque por tonelada de arrabio producido. El arrabio contiene 4 % C y 1% de Si. Los gases producidos contienen: CO2 CO H2 CH4 N2

12 % 24 % 2% 2% 60 %

La escoria contiene 45% de (MgO + CaO). No hay FeO en la escoria. Por cada 1000 kg de arrabio calcular: a) El peso de caliza necesario. 3 b) El peso y volumen en m (CNPT) de gas producido. 3 c) El volumen de aire en m (CNPT).

9.16 -

Un alto horno produce a rrabio que contiene: C 3.6 % Si 1.4 % Fe 95.0 % El mineral contiene 80% Fe 2O3, 12% SiO2 y 8% Al2O3. El coque (1 kg/kg arrabio) contiene 10% SiO2 y 90% C.


351

─────────────────────────────────────────

El fundente (1 kg/kg arrabio) es CaCO 3 puro. Los gases formados contienen: CO 28% y CO 2 12%. Por tonelada de arrabio, calcular: a) El peso de mineral utilizado. b) El peso de escoria formada. c) El peso de gas de alto horno.

9.17 -

Un alto horno utiliza un mineral y produce un arrabio con las siguientes composiciones: Mineral: Fe2O3 84%, SiO2 9%, Al2O3 3% y H 2O 4%. Arrabio: Fe 94%, Si 2.2% y C 3.8%. El fundente (50 lb/100 lb arrabio) contiene: CaCO3 95%, SiO2 5%. El coque (90 lb/100 lb arrabio) contiene: C 84%, SiO 2 10%, Al2O3 3% y H2O 3%. El análisis en base seca de los gases es: CO 27 % CO2 14 % N2 59 % Suponer que no hay pérdidas de hierro en la escoria. Por tonelada de arrabio, calcular: a) El peso y composición de la escoria formada. 3 b) El volumen en m (CNPT) de gas de alto horno.

9.18 -

El mineral alimentado a un alto horno contiene lo siguiente:

Fe2O3 MnO SiO2 Al2O3 P2O5 H2O

75.4 % 2.6 % 11.0 % 4.0 % 1.1 % 5.9 %

La composición del coque es: C 88%, FeS 2%, H2O 2%. El fundente contiene: CaCO3 96%, SiO2 4%. La cantidad de coque utilizado es 910 kg/ton arrabio y el fundente 330 kg/ton arrabio. El análisis del arrabio producido es: C 3.8 % Si 1.2 % Mn 0.9 % P 0.7 %

352


────────────────────────────────────────

S 0.2 % Fe 93.2 % El 99% del hierro en el mineral es reducido y el resto sale con la escoria. El azufre que no está en el arrabio sale con la escoria como CaS. Los gases contienen 1.75 partes de CO por cada parte de CO2 en volumen. Por cada 1 000 kg de arrabio, calcular: a) El peso de mineral requerido. b) El peso de la escoria formada. 3 c) El volumen de aire en m (CNPT). d) Comprobar el balance de materia del horno.

TAB LA 1

FACTORES DE CONVERSION DE UNIDADES

LONGITUD: 1 cm = 0.3937 pulg 1 pulg = 2.54 cm 1 pie = 30.48 cm

MASA : 1 lb = 453.59 g 1 slug = 32.174 lb

FUERZA :

1 N = 105 dinas

PRESION : 1 psi = 2.036 pulg Hg = 6894.76 Pa 1 pulg Hg = 33864 dinas/cm 2 = 0.0334 atm = 0.491 psi 1 atm = 14.696 psi = 760 mm Hg = 29.92 pul Hg = 101325 Pa 1 bar = 105 dinas/cm2 = 0.9869 atm

VOLUMEN :

1 litro = 0.0353 pies 3 = 0.2642 gal = 61.025 pulg 3 1 gal = 231 pulg3 = 3.785 litros 1 pie3 = 28.316 litros = 7.4805 gal 1 pulg3 = 16.387 cm3

ENERGIA : 1 BTU = 778.16 pie-lb f = 252.16 cal = 1055.6 J 1 pie-lbf = 1.3558 J 1 ergio = 1 dina-cm 1 J = 1 N-m = 10 7 ergios 1 cal = 4.1855 J

POTENCIA : 1 vatio = 1 J/s = 860.42 cal/hr = 3.413 BTU/hr 1 HP = 745.7 vatios = 550 pie-lb f /s 1 kw = 1.341 HP

TABL A 2 - SIMBOLOS Y MASAS ATOMICAS

ALUMINIO ANTIMONIO ARGON ARSENICO AZUFRE BARIO BERILIO BISMUTO BORO BROMO CADMIO CALCIO CARBONO CERIO CESIO CLORO COBALTO COBRE CROMO DISPROSIO ERBIO ESCANDIO ESTAÑO ESTRONCIO EUROPIO FLUOR FOSFORO GADOLINIO GALIO GERMANIO HAFNIO HELIO HIDROGENO HIERRO HOLMIO INDIO IODO IRIDIO KRIPTON LANTANO LITIO LUTECIO

Al Sb A As S Ba Be Bi B Br Cd Ca C Ce Cs Cl Co Cu Cr Dy Er Sc Sn Sr Eu F P Gd Ga Ge Hf He H Fe Ho In I Ir Kr La Li Lu

26.98 121.76 39.944 74.91 32.066 137.36 9.013 209.00 10.82 79.916 112.41 40.08 12.010 140.13 132.91 35.457 58.94 63.54 52.01 162.46 167.2 44.96 118.70 87.63 152.0 19.00 30.975 156.9 69.72 72.60 178.6 4.003 1.008 55.85 164.94 114.76 126.91 193.1 83.80 138.92 6.94 174.99

MAGNESIO MANGANESO MERCURIO MOLIBDENO NEODIMIO NEON NIOBIO NIQUEL NITROGENO ORO OSMIO OXIGENO PALADIO PLATA PLATINO PLOMO POTASIO PRASEODIMIO RENIO RODIO RUBIDIO RUTENIO SAMARIO SELENIO SILICIO SODIO TALIO TANTALO TELURO TERBIO TITANIO TORIO TULIO TUNGSTENO URANIO VANADIO XENON YTERBIO YTRIO ZINC ZIRCONIO

Mg Mn Hg Mo Nd Ne Nb Ni N Au Os O Pd Ag Pt Pb K Pr Re Rh Rb Ru Sm Se Si Na Tl Ta Te Tb Ti Th Tm W U V Xe Yb Y Zn Zr

24.32 54.93 200.61 95.95 144.27 20.183 92.91 58.69 14.008 197.2 190.2 16 106.7 107.88 195.23 207.21 39.100 140.92 186.31 102.91 85.48 101.7 150.43 78.96 28.09 22.997 204.39 180.88 127.61 159.2 47.90 232.12 169.4 183.92 238.07 50.95 131.3 173.04 88.92 65.38 91.22

TABLA 3

PRESION DE VAPOR DEL AGUA (pulgadas de mercurio)

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ t oF

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210

0.0709 0.1097 0.1664 0.2478 0.3626 0.5218 0.7392 1.0321 1.4215 1.9325 2.5955 3.4458 4.5251 5.8812 7.5690 9.6520 12.1990 15.2910 19.0140 23.4670 28.7550

0.0776 0.1193 0.1803 0.2677 0.3906 0.5601 0.7912 1.1016 1.5131 2.0519 2.7494 3.6420 4.7725 6.1903 7.9520 10.1220 12.7720 15.9820 19.8430 24.4550 29.9220

0.0540 0.0846 0.1299 0.1955 0.2891 0.4203 0.6009 0.8462 1.1750 1.6097 2.1775 2.9111 3.8475 5.0314 6.5132 8.3510 10.6110 13.3660 16.6990 20.7030 25.4750

0.0593 0.0923 0.1411 0.2118 0.3120 0.4520 0.6442 0.9046 1.2527 1.7117 2.3099 3.0806 4.0629 5.3022 6.8500 8.7670 11.1200 13.9830 17.4430 21.5930 26.5310

0.0648 0.1007 0.1532 0.2292 0.3364 0.4858 0.6903 0.9666 1.3347 1.8192 2.4491 3.2589 4.2887 5.5852 7.2020 9.2000 11.6490 14.6250 18.2140 22.5150 27.6250

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

(lbf / pulg2 o psia) ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ t oF

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

14.1230 17.1860 20.7800 24.9690 29.8250 35.4290 41.8580 49.2030 57.5560 67.0130 77.68 89.66

14.6960 17.8610 21.5670 25.8840 30.8840 36.6460 43.2520 50.7900 59.3560 69.0460 79.96 92.22

15.2890 18.5570 22.3790 26.8270 31.9730 37.8970 44.6820 52.4180 61.2010 71.1270 82.30 94.84

15.9010 19.2750 23.2170 27.7980 33.0930 39.1820 46.1500 54.0880 63.0910 73.2590 84.70 97.52

16.5330 20.0160 24.0800 28.7970 34.2450 40.5020 47.6570 55.8000 65.0280 75.4420 87.15 100.26

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

TABLA 3 PRESION DE VAPOR DEL AGUA

( lbf / pulg2 o psia ) ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ t oF

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700

103.06 118.01 134.63 153.04 173.37 195.77 220.37 247.31 276.75 308.83 343.72 381.59 422.6 466.9 514.7 566.1 621.4 680.8 744.3 812.4 885.0 962.5 1045.2 1133.1 1226.5 1325.8 1431.2 1542.9 1661.2 1786.6 1919.3 2059.7 2208.2 2365.4 2531.8 2708.1 2895.1 3093.7

105.92 121.20 138.16 156.95 177.68 200.50 225.56 252.9 282.9 315.5 351.1 389.7 431.2 476.2 524.6 576.9 632.9 693.2 757.6 826.6 900.1 978.7 1062.3 1151.3 1245.8 1346.4 1453.0 1566.2 1686.0 1812.3 1947.0 2088.8 2239.2 2398.1 2566.0 2745.0 2934.0 3134.9

108.85 124.45 141.77 160.93 182.07 205.33 230.85 258.8 289.2 322.3 358.5 397.7 439.8 485.6 534.7 587.8 644.6 705.8 770.9 840.8 915.3 995.0 1079.6 1169.7 1265.3 1367.2 1475.0 1589.4 1710.7 1838.6 1974.5 2118.0 2270.1 2431.0 2601.0 2782.0 2973.5 3176.7

111.84 127.77 145.45 165.00 186.55 210.25 236.24 264.7 295.7 329.4 366.1 405.8 448.7 495.2 544.9 589.9 656.6 718.6 784.5 855.2 930.9 1011.5 1097.2 1188.5 1285.1 1388.1 1497.4 1613.2 1735.6 1865.2 2002.7 2147.7 2301.4 2464.2 2636.4 2819.1 3013.2 3206.2*

114.89 131.17 149.21 169.15 191.12 215.26 241.73 270.6 302.2 336.6 374.0 414.2 457.7 504.8 555.4 610.1 668.7 731.4 798.1 870.0 946.6 1028.2 1115.1 1207.4 1305.3 1409.5 1520.0 1637.1 1761.0 1892.1 2031.1 2178.0 2333.3 2498.1 2672.1 2857.0 3053.2

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

TABLA 4 CONSTANTES PARA LA ECUACION DE ANTOINE

Ecuación de Antoine:

B ln P = A - ⎯⎯⎯⎯ C+T

P = presión de vapor, mm Hg T = temperatura, oK A, B, C = constantes

Nombre Acetato de etilo Acetona Acido acético Agua Alcohol etílico Alcohol metílico Amoniaco Benceno Bromuro de etilo Ciclohexano Cloroformo Disulfuro de carbono Dióxido de azufre n-Heptano n-Hexano n-Pentano Tetracloruro de carbono Tolueno

A

B

C

C4H8O2 C3H6O C2H4O2 H2O C2H6O CH4O NH3 C6H6 C2H5Br C6H12 CHCl3 CS2

Rango (oK) 260 - 385 241 - 350 290 - 430 284 - 441 270 - 369 257 - 364 179 - 261 280 - 377 226 - 333 280 - 380 260 - 370 288 - 342

16.1516 16.6513 16.8080 18.3036 16.9119 18.5875 16.9481 15.9008 15.9338 15.7527 15.9732 15.9844

2790.50 2940.46 3405.57 3816.44 3803.98 3626.55 2132.50 2788.51 2511.68 2716.63 2696.79 2690.85

- 57.15 - 35.93 - 56.34 - 46.13 - 41.68 - 34.29 - 32.98 - 52.36 - 41.44 - 50.50 - 46.16 - 31.62

SO2

195 - 280

16.7680

2302.35

- 35.97

C7H16 C6H14 C5H12 CCl4

270 - 400 245 - 370 220 - 330 253 - 374

15.8737 15.8366 15.8333 15.8742

2911.32 2697.55 2477.07 2808.19

- 56.51 - 48.78 - 39.94 - 45.99

C6H5CH3 280 - 410

16.0137

3096.52

- 53.67

Fórmula

BIBLIOGRAFIA

Allison Butts A.B.,B.S., METALLURGICAL PROBLEMS , Mc Graw Hill Co Antonio Valiente Barderas., PROBLEMAS DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA Limusa Ben Hur Valencia V., BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION , U. Nacional Sec. Manizales B.I. Bhatt - S.M. Vora ., STOICHIOMETRY, Mc Graw Hill Caicedo Luis A., BALANCE EN INGENIERIA QUIMICA , U. Nacional Bogotá Corcoran and Lacey .,INTRODUCTION TO CHEMICAL ENGINEERING PROBLEMS . Mc Graw Hill Co David M. Himmelblau, ,. BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA , Prentice Hall Edward V. Thomson, Willian H. Ceckler., INTRODUCCION A LA INGENIERIA QUIMICA , Mc Graw Hill Co. E. Henley, H. Bieber., CHEMICAL ENGINEERING CALCULATIONS, Mc Graw Hill Co. E. Williams, R. Johnson., STOICHIOMETRY FOR CHEMICAL ENGINEERS, Mc. Graw Hill Co. G.V. Reklaitis, Daniel R. Schneider., BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA ,Interamericana Litttejohn C.E., G.F. Meenaghan., INTRODUCTION TO CHEMICAL ENGINEERING, Van Nostrand Reinhold N.Y. L. Bryce Andersen, L. Wenzel., INTRODUCTION TO CHEMICAL ENGINEERING CALCULATIONS, Mc Graw Hill O.Hougen, K. Watson R. Ragatz ., PRINCIPIOS DE L OS PROCESOS QUIMICOS, E. Reverté Richard M. Felder - Ronald W. Rouseau., PRINCIPIOS BASICOS DE L OS PROCESOS QUIMICOS , Ed.. El Manual Moderno Rodríguez P. Carlos., BAL ANCE DE MATERIALES , U. Nacional Bogotá W. Levis, A. Radasch, H. Lewis ., INDUSTRIAL STOICHIOMETRY, Mc Graw Hill Co.

Balance de MateriBALANCE DEL ALTO HORNOa

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