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Propuesta Técnico-Económica para la producción de Cal P-24 Personas: Valeria Pineda Autor: Valeria Pineda, Gerente General 4 de diciembre de 2017 Número de propuesta: 1
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RESUMEN EJECUTIVO La presente propuesta técnico-económica muestra la factibilidad del desarrollo de un emprendimiento en el cual mediante el uso de un horno rotatorio provisto en la ciudad de la Concordia se logre obtener la calcinación de CaCO3 para la producción de cal P-24, existen procesos intermedios para lograr la composición requerida de esta cal como por ejemplo la humidificación del CaO para la obtención de Ca(OH)2, que es el principal componente de esta cal. La empresa LACEC CIA.LTDA. será el proveedor del carbonato de calcio, el costo de la materia prima es de $0,092/kg con un dp= 1/2”, mediante el análisis propuesto se ha determinado que mediante un valor competitivo con el mercado actual de $0,21/kg se obtendría una ganancia neta mensual de $56 625, lo cual demuestra que el proyecto es factible y sumamente rentable.
INTRODUCCIÓN Piedra caliza y Carbonato de calcio (CaCO3 ) La piedra caliza está compuesta principalmente por carbonato de calcio; las calizas dolomíticas contienen ademas concentraciones elevadas de carbonato de magnesio. (Garritz y Chamizo, 2002) Las hay de diferentes colores y con distinto grado de porosidad, dos de sus características diferenciadoras. El carbonato de calcio (CaCO3), es un mineral abundante en la corteza terrestre que se presenta en diferentes formas. Fue formado hace más de 100 millones de años por la sedimentación de esqueletos y conchas marinas. El carbonato de calcio, es extraído de las rocas calizas. Comercialmente el carbonato de calcio (CaCO3) se presenta en dos formas: -Carbonato de calcio precipitado: Es obtenido por la precipitación del calcio en forma de carbonato. Tiene menos impurezas, más brillo y morfología controlada, es usado como relleno y extensor en plástico, pintura, papel y adhesivos; así como en productos para aplicación en alimentos y farmacéutica. Otras aplicaciones en que puede usarse es en recubrimientos y elastómeros. -Carbonato de calcio micronizado (molido): Es obtenido por la molienda de la roca caliza. Se podría decir que se trata químicamente del mismo producto, la diferencia radica en la tecnología aplicada en el proceso de obtención y en las características del producto final. (Villarino, 2012)
Calcinación La calcinación es el proceso de calentar una sustancia a temperatura elevada, (temperatura de descomposición), para provocar la descomposición térmica o un cambio de estado en su constitución física o química. El proceso, que suele llevarse acabo en largos hornos cilíndricos, tiene a menudo el efecto de volver frágiles las sustancias. Los objetivos de la calcinación suelen ser: • Eliminar el agua, presente como humedad absorbida “agua de cristalización” o “agua de constitución ártica” (como en la conversión del hidróxido férrico en óxido férrico) Eliminar el dióxido de carbono (como en la calcinación de la piedra caliza en cal en un horno de cal), el dióxido de azufre u otros compuestos orgánicos volátiles;
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• Para oxidar (calcinacion oxidante) una parte o toda la sustancia (usado comúnmente para convertir menas sulfurosas a óxidos en el primer paso de recuperación de metales como el zinc, el plomo y el cobre). Para reducir (calcinacion reductora) metales a partir de sus menas (fundicion) (UANL, 2010) Las reacciones de calcinación pueden incluir disociación térmica, incluyendo la destilación destructiva de los compuestos orgánicos (es decir, calentar un material rico en carbono en ausencia de aire u oxígeno, para producir sólidos, líquidos y gases) La descomposición de la caliza se basa en la reacción a temperatura de 855 C !
# CaO + CO2 CaCO3 " "
Aproximadamente procede de acuerdo a la energía libre de Gibbs presentada: !G 42490 " 37,7T (cal / mol ) (UANL, 2010) =
Hidratación o apagamiento La cal viva (CaO) se sumerge en agua y se obtiene la cal apagada. Se puede obtener cal apagada en pasta o cal apagada en polvo, dependiendo de la cantidad de agua empleada. En ambos casos, la fórmula química del producto final es siempre la misma, hidróxido cálcico o Ca(OH)2. La fórmula química de este proceso es la siguiente: CaO + H 2O ! Ca(OH )2
+Q
Es una reacción química durante la cual se da un aumento de la temperatura (este fenómeno se denomina “reacción exotérmica”), llegando el agua a ebullición. Es por ello por lo que, si se desea apagar cal viva, se han de tomar las medidas necesarias para evitar quemaduras. (Lucero y Canchig, 2005)
Cal P-24 Es un producto constituido principalmente por hidróxido de calcio del 79% al 85%, muy reactivo, de color blanco y tamaño de partícula de 74 micras, que asegura una acción inmediata. La Cal P24 es un derivado especial de la cal apagada (hidróxido de calcio), este tipo de cal se obtiene mediante la calcinación de carbonato de calcio sometido a altas temperaturas entre 900- 1000 °C en hornos rotatorios ya sean verticales o inclinados y su posterior hidratación, el tamaño de partícula de la Cal P24 y su pureza está definida por su utilidad y su modo de empleo.( Herrera, D., 2012).
Horno Rotatorio El horno rotatorio consiste en un tubo cilíndrico apoyado sobre estaciones de rodadura ( 2, 3,....8), que tiene una pendiente del orden del 3.5 % con respecto a la horizontal y que gira a velocidades de rotación comprendidas entre 1.8 y 3.5 rev/minuto (rpm). La puesta en rotación del horno puede asegurarse de dos maneras: Horno de 3 apoyos y más: por medio de uno o dos grupos de accionamiento en los que un piñón ataca una corona dentada fijada sobre la virola.
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Horno de 2 apoyos: bien por medio de un grupo de accionamiento en los que un piñón ataca una corona dentada fijada sobre la virola o bien directamente por medio de uno o dos rodillos de una estación de rodadura, ellos mismos accionados por dos o cuatro motores electrohidráulicos o electromecánicos. El sistema de accionamiento comprende un engranaje en dos piezas que rodea la virola (corona dentada) y los piñones (uno para los hornos pequeños, dos para los hornos grandes), ambos engranajes con acoplamientos, embragues, trenes de engranajes como reductores de velocidad y sus motores. El accionamiento del horno debe ser capaz de afrontar todas las situaciones de trabajo, incluyendo los casos extremos. (Universidad de Oviedo, 2015) Para que el material a cocer avance en el horno es necesario darle una inclinación de unos grados En el interior del horno la temperatura de los gases evoluciona de 2000 – 2350 oC (Llama) a 1050 oC, mientras que el material pasa de 850 – 900 oC a 1420 – 1450 oC. Un revestimiento refractario protege a la virola y reduce las pérdidas de calor. (Universidad de Oviedo, 2015)
ANÁLISIS TÉCNICO Descripción del proceso Para la obtención de cal P-24 se inicia con la calcinación del carbonato de calcio, esta calcinación se produce a 855 C, por lo cual el horno se establecerá a una temperatura de 900 C, el combustible empleado será diesel. Además se requerirá de un compresor que abastezca un 20% en exceso del oxigeno necesario estequiométricamente para asegurar una buena combustión del combustible y una mayor eficiencia en el horno. El carbonato de calcio a emplearse será el adquirido a LACEC CIA.LTDA., el cual posee un dp=1/2” y tiene un costo de $0,092 /kg al 98% de pureza sin incluir el costo del transporte. Una vez calcinado el carbonato de calcio se obtiene oxido de calcio o cal viva, es necesario apagar esta cal ya que la cal P-24 está formado en su mayoría por hidróxido de calcio. Para esto es necesario colocar una banda transportadora en la salida del horno la cual está provista de aspersores de vapor de agua obtenido de una caldera que se calienta con los gases de salida del horno rotatorio. Una vez apagada la cal se pasa a la etapa de ensacado y almacenado para su venta posterior.
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Figura 1. Esquema representativo del proceso
Figura 2. Layout del proceso
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COMBUSTIBLE PIEDRA CALIZA
AGUA
CALCINACIÓN
HIDRATACIÓN
GASES DE COMBUSTIÓN
VAPOR DE AGUA GASES DE SALIDA
GASES DE COMBUSTIÓN
TRANSPORTE
ENSACADO
CAL P-24
Figura 3. Diagrama de bloques del proceso
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MICROCAL S.A. ofrece la siguiente propuesta económica basada en los cálculos propuestos en los ANEXOS, sírvase revisar la oferta y estaremos gustosos de recibir sus comentarios y ordenes de trabajo. Att. Valeria Pineda Gerente General
BALANCE GENERAL DURANTE LOS DOS PRIMEROS AÑOS Descripción
Cantid.
Precio unitario
Importe
Importe mensual
Materia Prima (kg/dia)
51710 $
0,092 $
Combustible (gal/día)
938 $
1,05 $
985 $
(29.555)
Transporte de material (flete/dia)
3 $
55 $
165 $
(4.950)
Maquinaria (paga en 24 meses)
1 $
70.184 $
70.184 $
(2.924)
Sueldos (mensual)
1 $
11.100 $
11.100 $
(11.100)
39345 $
0,21 $
Cal P-24 (kg/día)
Total
$
4.757 $ (142.720)
8.262 $ 247.874
95.454 $
56.625
BALANCE GENERAL DESPUÉS DE 2 AÑOS Descripción
Cantid.
Precio unitario
Importe
Importe mensual
Materia Prima (kg/dia)
51710 $
0,092 $
Combustible (gal/día)
938 $
1,05 $
985 $
(29.555)
Transporte de material (flete/dia)
3 $
55 $
165 $
(4.950)
Sueldos (mensual)
1 $
11.100 $
11.100 $
(11.100)
39345 $
0,21 $
Cal P-24 (kg/día)
Total
$
4.757 $ (142.720)
8.262 $ 247.874
25.270 $
59.549
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Referencias:
A. Garritz y J. Chamizo, “Tu y la Química”, México: Pearson Education, 2001, pp. 170-192. A. Villarino, “La cal”, 2012. [En línea]. Available: http://ocw.usal .es/ensenanzas-tecnicas/ciencia-ytecnologia-de-los-materiales/contenido/T EMA%202-%20LA%20CAL.pdf, pp. 19-25. Disensa, “Cales y carbonatos”, 2015. [En línea]. Available: http://disensa.com/main/images/pdf/ cales_carbonatos.pdf, pp. 2-4. UANL, “Refractarios en el proceso de producción de cemento”, 2010. [En línea]. Available: http:// cdigital.dgb.uanl.mx/te/1020148613/1020 148613_02.pdf, pp. 4-8. R. Perry, D. Green y J. Maloney, “Manual del Ingeniero Químico”, España: McGraw W-Hill, 2001, pp. 2-194, 2-195. F. Colina, J. Caballero y J. Costa, “Diseño básico de hornos rotatorios para el tratamiento de minerales”, Ingeniería Química (Madrid), 2002, pp. 107-111. O. Lucero y C. Canchig, “Diseño de una máquina dosificadora de crema de relleno para galletas, con una capacidad de producción de 120 galletas por minuto para la empresa Primatec”, 2014. [En línea]. Available: http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/7500/1/CD-5619.pdf, pp. 47-49. G. St. Pierre, “Rate of calcination of limestone”, Ohio, Department of Metallurgical Engineering, Ohio State University, pp. 512-530.
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ANEXOS Balance de masa: Base de cálculo: 100 kg/h de piedra caliza al 98% de pureza !
# CaO + CO2 CaCO3 " "
Flujo másico de compuestos en la entrada: .
m CaCO
3
=
0,98 ! 100 98 kg / h =
.
m Impurezas
=
100 ! 98
=
2 kg / h
Asumiendo una conversión aproximada del 86% del carbonato de calcio: .
.
m CaCO3 NoRx .
=
m CaCO3 ! (1 " 0,86) 98 ! 0,14 =
.
m CaCO Rx 3
=
=
3
84,28
13,72 kg / h
.
m CaCO ! m CaCO NoRx
.
mCaO
=
3
kg(CaCO3 ) h
!
=
98 ! 13, 72 84,28 kg / h =
1kgmol (CaCO3 ) 100 kg(CaCO3 )
!
1kgmol (CaO ) 1kgmol (CaCO3 )
!
56 kg(CaO ) 1kgmol (CaO )
=
46,2
kg (CaO ) h
Asumiendo una conversión completa de CaO a Ca(OH) 2: CaO + H 2O ! Ca(OH )2 .
m Ca (OH )2
=
46,2
kg (CaO ) h
!
1kgmol(CaO ) 56 kg(CaO )
!
1kgmol(Ca(OH )2 ) 1kgmol(CaO )
!
74 kg(Ca(OH )2 ) 1kgmol (Ca(OH )2 )
=
62,367
kg(Ca(OH )2 ) h
% de pureza del Ca(OH) 2: .
%Ca (OH )2
=
m Ca (OH )2 .
.
.
!
100
m Ca (OH )2 + m CaCO3 NoRx + m Impurezas
%Ca (OH )2
=
62,367 kg(Ca(OH )2 ) 62,367 kg(Ca(OH )2 ) + 13,72 kg(CaCO3 NoRx ) + 2 kg(impurezas )
!
100 = 79,87%
* Para la cal P-24 el porcentaje mínimo de Ca(OH) 2 es del 79% (Disensa, 2017), por lo cual el porcentaje obtenido es completamente viable.
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Tiempo de residencia: Tabla A1. Datos de la calcinación de carbonato de calcio en el Horno Nichols (Departamento de Metalurgia Extractiva, 2017) Para un porcentaje de carbonato de calcio final de 13,72 kg/h se espera un tiempo de residencia en el horno
MINERAL
FÓRMULA 0
15
30
45
60
75
90
105 120
Calcita
CaCO3
98,9 89,3 78,9
69,9 46,6 35,0 12,0 5,0
Cal
CaO
0,0
6,4
17,4
24,6 45,5 60,4 76,3 91,3 87,9
Portlandita Ca(OH)2
0,2
0,4
1,1
1,1
5,4
1,3
9,0
0,9
4,9
Magnesita MgCO3
0,1
0,3
2,0
1,0
1,7
0,5
2,1
0,6
2,8
Periclase
MgO
0,8
0,9
0,6
1,0
0,7
0,8
0,6
0,8
0,6
Brucita
Mg(OH)2
0,0
2,7
0,1
2,4
0,1
2,0
0,1
1,5
0,1
3,7
de: tr = 90 +
13, 72 ! 12 35 ! 12
"
(75 ! 90) = 88,87min
Velocidad de giro: Tabla A2. Datos del horno rotatorio disponible L
p
14 m
2 grados
N
F 36 grados
1,77 ! ! ! F ! L =
D
1, 77 ! =
t ! p ! D
d
1 1,5 m
36 ! 1 ! 14
88,87 ! 2 ! 1, 5
=
gr
t
1290 kg/m3
0,1 88,87 min
0,557 rpm
Capacidad de flujo másico de entrada: Ws
D
2
!
=
1, 5
L ! gr ! ! ! d 4 ! tr
=
2
!
14 ! 0,1 ! ! ! 1290 =
4 ! 88,87
35,91
kg min
!
Balance de masa real: !
# CaO + CO2 CaCO3 " "
Flujo másico de compuestos en la entrada: .
m CaCO3
=
0,98 ! 51, 71 50,68ton / día =
1ton 1000 kg
!
60min 1hora
!
24 horas 1dia
=
51, 71
ton día
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.
m Impurezas 51, 71 ! 50,68 =
=
1,03ton / día
Asumiendo una conversión aproximada del 86% del carbonato de calcio: .
.
m CaCO3 NoRx
=
.
m CaCO3 ! (1 " 0,86)
.
m CaCO3 Rx
=
=
43,585
.
mCO
=
2
43,585
50,68 ! 0,14 7,095 ton / día =
.
m CaCO3 ! m CaCO3 NoRx
.
mCaO
=
ton(CaCO3 ) día
ton(CaCO3 ) día
50,68 ! 7,095 43,585ton / día =
1tonmol (CaCO3 )
!
!
=
100ton(CaCO3 ) 1tonmol (CaCO3 ) 100ton(CaCO3 )
!
!
1tonmol (CaO ) 1tonmol (CaCO3 ) 1tonmol (CO2 )
1tonmol (CaCO3 )
!
!
56ton(CaO ) 1tonmol (CaO ) 44 ton(CO2 )
1tonmol (CO2 )
=
=
24, 4
ton(CaO )
19,177
día
ton(CO2 ) día
Asumiendo una conversión completa de CaO a Ca(OH) 2: CaO + H 2O ! Ca(OH )2 .
m Ca (OH )2
=
24,4
.
ton(CaO) h
.
m calP! 24
=
!
1tonmol (CaO) 56ton(CaO)
!
1tonmol (Ca(OH )2 ) 1tonmol (CaO)
.
m CaCO3 + m Ca (OH )2
=
32,25 + 7,095 = 39,345
!
74ton(Ca(OH )2 ) 1tonmol (Ca(OH )2 )
=
32,25
ton(Ca(OH )2 ) día
ton(calP ! 24) día
Balance de energía: Tabla A3. Propiedades termodinámicas de los compuestos involucrados en la reacción COMPUESTO
ENTALPÍA DE ENTROPÍA DE FORMACIÓN (kcal/mol) FORMACIÓN (kcal/mol*K)
CaCO3
CAPACIDAD CALORÍFICA (kcal/kg*K)
-288,45
0,0222
0,27
CaO
-151,9
0,0095
0,21
CO2
-94,052
0,051061
0,27
Para la reacción de calcinación !
# CaO( s ) + CO2( g ) CaCO3( s ) " "
! H
0 Rx
=
$ (! " ! Hf ) i
productos
# $ (! i " ! Hf )reactivos
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! H
0
("94,052 " 151,9) " ("288,45) 42,498
=
Rx
=
" 0
.
! H Rx
0
!S Rx 0
!S
Rx
=
=
=
0 ! H Rx # m CaCO
3
$ (! " !Sf ) i
=
42,498
productos
kcal mol
kcal 43585000 g mol
#
día
#
1mol 100 g
=
18522753, 3
kcal día
# $ (! i " !Sf )reactivos
(0,051061 + 0,0095) " (0,0222) = 0, 038361
kcal mol # K
Temperatura adiabatica de flama: T
k
! H
=
0 Rx
0
!S Rx " R # ln(k )
aCaO =
!
aCO
2
aCaCO
3
Para sólidos la actividad es igual a 1 k
=
aCO
!
=
2
P CO2
Para la presión de operación en la ciudad de la Concordia (1 atm) T
42,498 kcal / mol =
0,038361( kcal / mol ! K ) " 0,002( cal / mol ! K ) ! ln(1)
=
=
Para asegurar la calcinación del carbonato se trabaja con una temperatura de 900 C.
Cantidad de combustible a emplear: .
! H 1
=
( m CaCO3 " CpCaCO3 ) " !T
! H 1
=
(50680
kg día
" 0,27
kcal kg " K
0
) " (900 # 25) C 11973150 =
0
1107,84 K 834,694 C
kcal día
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Tabla A4. Propiedades del combustible a emplearse PROPIEDAD DEL COMBUSTIBLE
CANTIDAD
Poder calorifico
10991,25 kcal/kg
Densidad
868 kg/m3
Precio
$1,05/gal .
! ! PC ! m comb
= " H
0
Rx
+
" H 1
.
0,9 ! 10991,25 ! m comb
kg
.
m comb 3082,846 =
día
= 18522753, 3 + 11973150
!
1m
3
1000 L
!
868 kg
1m
3
!
1gal 3, 7854 L
=
938,25
Costos de producción $comb
=
$CaCO3
=
51, 71
día
ton día
$55
$transporte
$TOTAL
gal
938,25
=
=
flete
!
$1,05
!
!
1gal
$985,166 =
$0,092
!
1kg
día 1000 kg 1ton
3 fletes
+
día
$165
CaCO3diario
$comb + $CaCO3
$4757,32 =
=
$transporte =
CaCO3diario $5907,49
día
Precio de venta: $CalP
39345 kg(calP ! 24) !
24
=
día
"
$0,21 1kg(calP ! 24)
$8262,45 =
día
Utilidad: Utilidad
=
Precio ! Costo
=
8262,45 ! 5907,49
$2354,96 =
día
gal día
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Maquinaria Diseño del refractario del horno: Tabla A5. Dimensiones del ladrillo refractario CARACTERÍSTICAS
DESCRIPCIÓN
Largo (m)
229
Ancho (m)
114
Alto (mm)
63-25
Material
Arcilla silico-aluminosa
Tipo
Cuña
Calculo del numero de anillos:
#a
L H
=
ea
14 m =
0,114 m
=
123anillos
Calculo del numero de ladrillos por anillo: P H
=
! ! D H
=
! !
1, 5 m 4,71m =
Para recubrir el interior del horno con una sola capa de material refractario:
# lad
P H
=
anchol
4712,39 mm =
=
67 mm
68
Calculo del numero de ladrillos totales: # lad tot
=
#a ! #l
=
123 ! 68
=
8364
Costo del refractario: $refractario
$6,00 =
ladrillo
!
8364 ladrillos
=
$50184
Costo del horno rotatorio: $horno
=
$20000
Los costos por adquisición de maquinaria se cancelaran en 24 meses
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Evaluación del personal: Tabla A6. Personal del planta CANTIDAD
CARGO
SUELDO (MES)
1 Gerente
SUELDO TOTAL (MES) 5000
5000
500
500
1 Técnico
2000
2000
4 Obreros
500
2000
1 Conserje
400
400
2 Guardia
600
1200
1 Secretaria
TOTAL
11100
Balance económico mensual mientras se cancela la maquinaria (2 años): Utilidad (ventas ) ! Sueldos ! Pago( maquinaria ) Ganancia (neta ) =
$2354,96 día
!
30días 1mes
"
=
$11100 mes
Ganancia(neta )
"
$50184 + $20000 24 meses
=
$56624,47
Balance económico mensual después de cancelada la maquinaria: Utilidad (ventas ) ! Sueldos
Ganancia (neta )
=
$2354,96 =
día
Ganancia(neta )
!
30días 1mes
"
$11100 mes
$59548,8 =
mes
mes
