PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA SECCIÓN DE INGENIERÍA DE MINAS
LABORATORIO N° 2:
Proceso de calcinación
CURSO Y HORARIO:
Metalurgia extractiva
ALUMNO:
Espinoza Picoy, Frank Wilder
CÓDIGO:
20142291
PROFESOR DEL CURSO:
Ing. Alfaro Delgado, Edmundo Abdul
JEFES DE LABORATORIO: LABORATORIO:
Chang Estrada, Jacqueline Shishido Sanchez, Manuel
FECHA DE PRESENTACIÓN: 12 de septiembre del 2017
2017 – 2017 – 2 2
Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva
2017
ÍNDICE
Objetivos de la práctica..................................................
3
Abstract ........................................................................
3
Metodología de la práctica ………………………………….
4
Resultados
9
………………………………………………………
Discusión de resultados
…………………………………..…..
13
Conclusiones ……………………………………………………....
14
Resolución del cuestionario……………………………..........
14
Bibliografía
19
2
………………………………………………………
Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva
2017
1. OBJETIVOS DE LA PRACTICA Para el presente laboratorio se desarrollarán una serie de actividades con el fin de cumplir los objetivos planteados a continuación:
-
Analizar la eficiencia mediante el proceso de calcinación en la creación de productos de CaO - oxido de calcio por medio de caliza y de - oxido de sodio por medio de carbonato de sodio.
-
Realizar un análisis de la comparación de los valores teóricos y prácticos, que se obtendrán en la producción de óxidos de calcio y sodio.
-
Que el alumno sepa cuando y donde aplicar lo aprendido en la sesión de laboratorio en los diferentes procesos mineros industriales vinculados con la metalurgia extractiva.
-
Analizar si el parámetro de la temperatura influyen en el proceso de calcinación y su importancia en el tema del control de este en la industria minera – metalúrgica.
2. ABSTRACT In the nonmetallic mining is extracted enough materials such as coal, lime, magnesium, etc. In this laboratory will see the process of obtaining these last two important materials in the nonmetallic mining industry. The process to be analyzed is calcination which is a metallurgical process in which the material is subjected to high temperatures obtaining the corresponding oxide. MCO = MO + C
Based on this concept we analyzed the calcination process of limestone and sodium carbonate. It was observed that after the calcination process the lime on contact with a fluid will increase the pH of the latter as the reaction will generate calcium hydroxide which will make the solution become more basic. Therefore this material is very important to control the pH in the metallurgical processes that are carried out in the concentrating plants or at the time of the mineral leaching, as in the case of gold cyanuration.
3
Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva
2017
3. METODOLOGIA DE LA PRACTICA 3.1.
Fundamento teórico: Azufre lábil: Azufre que es desprendido de una reacción química en la cual se aplica calor.
Calcinación: En sentido metalúrgico, calcinar una sustancia mineral es descomponerla térmicamente (pirolisis) sin cambio de su estado y sin que, necesariamente, se produzca una reacción química con el aire o el gas de la atmosfera. El fin del proceso de calcinación es eliminar del mineral la materia estéril de naturaleza gaseosa, facilitando la posterior reducción o su asimilación por baños fundidos. Este proceso se aplica para la preparación de fundentes destinados a operaciones de alto nivel térmico en la producción de óxido de calcio o magnesio. Otras formas de usar los procesos de calcinación es en fines complementarios a la metalurgia como: -
Coquización de hullas
-
Grafitización de antracitas para electrodos
-
Destilación de sulfuros en especial de la pirita para recuperar el azufre lábil en forma de vapor
Este proceso de calcinación está representado por la siguiente reacción química:
MCO = MO + C Donde : -
M es un metal divalente
-
MO es óxido del metal divalente
-
C es dióxido de carbono
Los componentes de los minerales del grupo de los carbonatos son de alta importancia para los procesos metalúrgicos es por ello que se obtienen por medio de la calcinación. Entre los carbonatos que destacan tenemos: -
La calcita C Cal viva
-
La dolomita (C ) Magnesio
-
La magnesita MgC Materiales refractarios
Obtención de cal mediante el proceso de calcinación:
4
Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva
2017
Ya que se comprendió como se da el proceso de calcinación se dará un ejemplo de cómo se obtiene cal a partir de una roca caliza la cual contiene cierto porcentaje de calcita. Se cuenta con un carbonato de calcio el cual será sometido a altas temperaturas para realizar la calcinación. De esto se obtiene oxido de calcio (CaO) y C . Este proceso de calcinación suele darse en grandes hornos tipo mufla o cilíndricos.
3.2.
5
Equipo y materiales utilizado
Horno tipo mufla
Pinzas
Balanza
Crisoles y tapas
Espátula
Carbonato de calcio
Carbonato de sodio
Probeta de precipitado
Equipo de proteccion personal
Papel medidor de pH
Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva
2017
Procedimiento:
3.3.
Como se puede observar en el diagrama, en el presente laboratorio se realizarán las mediciones de los peso de los carbonatos antes de realizar el proceso de calcinación y después de realizar este proceso. Esto se realiza con la finalidad de hallar los rendimientos en la creación de productos de óxidos de calcio y sodio. El procedimiento a realizar en este laboratorio para obtener los datos mencionados fue el siguiente:
Primero se formó 4 grupos de alumnos del laboratorio con la finalidad de que cada grupo trabaje con los criterios expuestos en la gráfica de la parten arriba.
- Grupo 1 : Caliza sin tapa - Grupo 2 : Caliza con tapa - Grupo 3 : Carbonato de Sodio sin tapa - Grupo 4 : Carbonato de Sodio con tapa
Imagen 1-2: Materiales usados en la sesión de lab oratorio a la derecha carbonato de sodio y a la izquierda caliza
6
Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva
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Imagen 3: Materiales usados en la sesión de laboratorio crisoles, tapas y cucharilla
Luego en la mesa de laboratorio se contaba con muestras de caliza y carbonato de sodio. Se asignó la cantidad de caliza y carbonato de sodio a utilizar que fue de 3 gr y 1 gr respectivamente.
Se procedió a pesar los materiales e instrumentos utilizados en esta sesión. Esto se hizo con la finalidad de que al momento de sacar el crisol con el material ya calcinado se restaría el peso del crisol para calcular el nuevo peso del material que ahora estaría calcinado. Este procedimiento se realizó para los que requieren tapa y los que no requieren tapa.
Imagen 4-5: Pesado de carbonato de sodio (imagen 4) y crisol con carbonato de sodio mas la tapa (imagen 5)
Ya registrados los pesos se procedió a introducir todas las muestras en el horno tipo mufla. Para ello es necesario utilizar el equipo de protección personal que es el chaleco, los guantes y el casco para evitar accidentes como quemaduras.
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Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva
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Imagen 6-7: Introducción del crisol al horno (i magen 6) y las 4 muestras introducidas en el horno (imagen 7)
Luego se esperó 30 minutos a que las muestras empiecen a pasar por el proceso de calcinación a una temperatura de 900 °C.
Pasado los 30 minutos se procede a retirar las muestras para luego registrar sus pesos nuevamente.
Finalmente se vertió la cal y el óxido de sodio obtenido en un recipiente con agua cada uno por separado para luego medir el pH de estos materiales sometidos al proceso de calcificación y compararlos con el pH respecto a los mismos materiales que no fueron sometidos a este proceso.
Imagen 8: Medición de pH de la cal obtenida por calcinación
8
Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva
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4. RESULTADOS Pesos (g) Crisol N°
Muestra (gr)
Después del CaO Na2O Con mineral antes proceso (W Vacío (W) del proceso (W crisol + mineral crisol + mineral ) Obtenido Teórico Obtenido Teórico + calcinado )
1
CaCO3 con tapa
3.02
22.51
25.53
25.33
0.25
1.69
15.06
2
CaCO3 sin tapa
3.05
22.74
25.79
25.04
0.95
1.71
55.89
3
Na2CO3 con tapa
1.03
15.2
16.23
16.17
0.08
0.60
14.03
4
Na2CO3 sin tapa
1.05
16.97
18.02
17.97
0.07
0.61
11.47
Tabla 1: Resultados con balance de masas y rendimiento del proceso
Donde: -
Crisol 1: Mineral de caliza con crisol con tapa
-
Crisol 2: Mineral de caliza con crisol sin tapa
-
Crisol 3: Carbonato de sodio con crisol con tapa
-
Crisol 4: Carbonato de sodio con crisol sin tapa Crisol 1:
1
CaCO3
CaO
CO2
Peso atómico
100
56
44
Obtenido
3.02
0.25
0.2
Teórico
3.02
1.69
1.33
Tabla 2: Valores teóricos - prácticos de CaO y CO2 para el crisol 1
Se obtiene estos valores de la siguiente relación: Para los valores “obtenidos”:
CO b = 25.53 25.33 = 0.2 gr de CO CaOb = 0.2 gr x
56 mol de CaO/gr 44 mol de CO /gr
= 0.254 gr de CaO
Para los valores “Teóricos”:
CaOó =
CO ó =
9
% Rend.
3.02 ∗ 56 100 3.02 ∗ 44 100
= 1.69 gr
= 1.33 gr
Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva
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Crisol 2: 2
CaCO3
CaO
CO2
Peso atómico
100
56
44
Obtenido
3.05
0.95
0.75
Teórico
3.05
1.71
1.34
Tabla 3: Valores teóricos - prácticos de CaO y CO2 para el crisol 2 Se obtiene estos valores de la siguiente relación: Para los valores “obtenidos”:
CO b = 25.79 25.04 = 0.75 gr de CO 56 mol de CaO/gr
CaOb = 0.75 gr x
44 mol de CO /gr
= 0.95 gr de CaO
Para los valores “Teóricos”:
CaOó =
CO ó =
3.05 ∗ 56 100 3.05 ∗ 44 100
= 1.71 gr
= 1.34 gr
Crisol 3: 3
Na2CO3
Na2O
CO2
Peso atómico
106
62
44
Obtenido
1.03
0.08
0.06
Teórico
1.03
0.60
0.43
Tabla 4: Valores teóricos - prácticos de Na2O y CO2 para el crisol 3 Se obtiene estos valores de la siguiente relación: Para los valores “obtenidos”:
CO b = 16.23 16.17 = 0.06 gr de CO Na2Ob = 0.06 gr x
62 mol de CaO/gr 44 mol de CO /gr
= 0.08 gr de CaO
Para los valores “Teóricos”:
Na2Oó =
10
1.03 ∗ 62 106
= 0.6 gr
Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva CO ó =
1.03 ∗ 44 106
2017
= 0.43 gr
Crisol 4: 4
Na2CO3
Na2O
CO2
Peso atómico
106
62
44
Obtenido
1.05
0.07
0.05
Teórico
1.05
0.61
0.44
Tabla 5: Valores teóricos - prácticos de Na2O y CO2 para el crisol 4 Se obtiene estos valores de la siguiente relación: Para los valores “obtenidos”:
CO b = 18.02 17.97 = 0.05 gr de CO Na2Ob = 0.05 gr x
62 mol de CaO/gr 44 mol de CO /gr
= 0.07gr de CaO
Para los valores “Teóricos”:
Na2Oó =
CO ó =
1.05 ∗ 62 106 1.05 ∗ 44 106
= 0.61 gr
= 0.44 gr
Valores prácticos vs teoricos Obtenido 2.00
Teórico
1.71
1.69
1.50 0.95
1.00
0.61
0.60 0.50
0.25 0.08
0.07
0.00 1
2
3
Grafica 1: Valores teóricos - prácticos de CaO , Na2O
11
4
Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva
2017
Rendimiento de CaO de las reacciones: -
Para el crisol 1:
Rendimiento de CaO =
-
0.25 x 100 1.69
= 15.06 %
Para el crisol 2:
Rendimiento de CaO =
0.95 x 100 1.71
= 55.89 %
Rendimiento de Na2O de las reacciones: -
Para el crisol 3:
Rendimiento de Na2O =
-
0.08 x 100 0.60
= 14.03 %
Para el crisol 4:
Rendimiento de Na2O =
0.07 x 100 0.61
= 11.47 %
Rendimiento (%) 60.00 50.00 40.00 30.00
55.89
20.00 10.00
15.06
14.03
11.47
3
4
0.00 1
2
Grafica 2: Rendimiento de las sustancias CaO yNa2O
Medición del pH: Caliza Recipiente con agua antes de agregar el óxido de calcio (cal): pH = 6.5
12
Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva
2017
Recipiente con agua después de agregar el óxido de calcio (cal): pH = 12 (base)
Carbonato de sodio Recipiente con agua antes de agregar el óxido de sodio: pH = 6 Recipiente con agua después de agregar el óxido de sodio: pH = 11 (base)
5. DISCUSION DE RESULTADOS 5.1.
Se puede notar de la gráfica 2 que los resultados de rendimiento no completan al 100% esto se debe a que el tiempo no fue suficiente para que reaccione. Además, el crisol 1 tiene un menor rendimiento que el crisol 2 esto se debe a que el segundo se expuso al horno sin tapa la cual le permitía una mayor liberación de CO2.
5.2. 5.3.
No reacciono todo el carbono de calcio debido a que la caliza es un mal conductor de calor por lo cual es un factor muy importante en la cual interviene para la poca creación de óxidos de calcio. Además de ello va a depender también del tamaño de partícula de la caliza. Esto quiere decir que a mayor tamaño de la partícula el núcleo sin reaccionar de esta será mayor y con ello se obtendrá menor oxido de calcio.
5.4.
No se trabajó con termocupla
5.5.
Luego de realizar la calcinación del carbonato de sodio se obtuvo como resultado Cal viva. Se obtuvo esta cal debido a que la caliza fue calcinada a bajas temperatura 900°C, sin embargo se notó sinterizacion ya que las partículas al momento de sacarlas del horno se vieron aglomeradas.
5.6.
Volumen teórico de CO2 emitido Caliza sin tapa
=
0.75
= 0.017 ∗
13
44
= 0.017
22.4 1
∗
1 1000
= 3.81910−
Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva
2017
Caliza con tapa
=
0.2
= 0.004555
44
= 0.0045 ∗
22.4 1
∗
1 1000
= 1.0210−
Na2CO3 con tapa
=
0.06 44
= 0.00136 ∗
= 0.00136
22.4 1
∗
1 1000
= 3.05510−
Na2CO3 sin tapa
=
0.05 44
= 0.00113 ∗
= 0.00113
22.4 1
∗
1 1000
= 2.54510−
6. CONCLUSIONES -
De los datos obtenidos en este laboratorio se llega a la conclusión que cuando se cuenta con un recipiente tapado y se somete a calor se genera una saturación de dióxido de carbono lo que hace que la muestra no reaccione de manera rápida, por otro lado si el recipiente no cuenta con tapa la reacción se dará de manera más rápida liberando mayor CO2 hacia la superficie.
-
Se concluye que la temperatura en el proceso de calcinación es un factor muy importante ya que de ello dependerá si se obtiene cal viva o cal apagada, por otro lado si el proceso de calcinación se da a muy altas temperaturas la reacción no se dará ya que quemará al material a calcinar.
-
Se observó que después de realizar el proceso de calcinación la cal al entrar en contacto con un fluido aumentara el pH de este ya que al reacción se generara hidróxido de calcio la cual hará que la solución se vuelva más básica.
7. RESOLUCION DEL CUESTIONARIO 7.1.
Si sabemos que por cada 100cc de agua la solubilidad del carbonato de calcio es de 0.0014 g y la del óxido de calcio es de 0.131 g, entonces, diseñe un experimento que le permita comprobar que efectivamente el producto obtenido es óxido de calcio, esto debe incluirlo en el esquema a presentar.
7.2.
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En el proceso de calcinación de la dolomita MgCa(CO 3 )2, el cual se lleva a cabo sometiendo este mineral a 1200°C, se produce el desprendimiento del gas anhídrido carbónico (CO 2 ) y un concentrado de óxido de calcio y magnesio (CaO.MgO). Considerando que se tiene 100kg de este mineral puro el cual Ud.
Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva
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someterá a calcinación. Escriba la ecuación química respectiva del proceso pirometalúrgico de calcinación de la dolomita. Determine: a. La ley de MgO antes de la calcinación y posterior a la calcinación, considere que la eficiencia de la reacción es del 100%. b. El peso de la calcina (producto de la calcinación) obtenida. c. El volumen en m 3 del CO2 liberado a condiciones normales. Datos necesarios: Pesos Atómicos: Ca = 40, Mg = 24.3, C = 12, O = 16 Cualquier gas ocupa 22.4L/mol a condiciones normales. Sabemos que la ecuación química de la dolomita es:
MgCa(CO ) ↔ 2CO + CaO.MgO Pesos moleculares:
Peso molecular de MgCa(CO ) = 184.3 gr/mol
Peso molecular de CaO. MgO = 96.3 gr/mol
Peso molecular de MgO = 40.3 gr/mol
Con esta información se procede a realizar los cálculos respectivos: a.
Ley antes de la calcinación con eficiencia 100%:
Ley de MgO =
40.3 x 100 184.3
= 21.87 %
Ley después de la calcinación con eficiencia 100%:
Ley de MgO =
40.3 x 100 96.3
= 41.85 %
b. Peso de la calcina producto de la calcinación: Primero se transforma los 100 kg a moles
1000 gr 1 kg = 542.59 mol 184.3 gr/mol
100 kg x moles MgCa(CO ) = Luego se calcula el peso de la calcina:
Peso = 542.59 mol x 96.3
gr mol
= 52251.76 gr
Peso de calcina = 52.25 kg
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Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva c.
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Volumen de CO2 Determinamos el peso de CO2:
Peso de CO = 100 52.25 = 47.75 kg de CO Luego pasar a moles:
1000 gr 1 kg = 1085.2 mol de CO 44 gr/mol
47.75 kg x moles totales de CO = Finalmente calcular el volumen:
x = 24.30 m de CO mol 1000 L Se tiene una muestra de 2.5 TM de magnesita la cual es sometida a proceso de calcinación. Si la reacción alcanzo un rendimiento de solo el 90% determine: Volumen de CO = 1085.2 mol x 22.4
7.3.
1 m
L
a. La cantidad de magnesita sin reaccionar 2.5 TM x ∗ (1 90%) = 0.25 TM
b. La cantidad de MgO formado gr MgO mol 2.5 TM de MgCO ∗ 90% ∗ = 1.08 TM gr MgCO 84.3 mol 40.3
c.
Determine el volumen en m3 del CO2 liberado a condiciones normales gr CO mol 2.5 TM de MgCO ∗ 90% ∗ = 1.17 TM de CO gr MgCO 84.3 mol 44
Calculo de los moles de acuerdo al peso
1174.38 kg de CO ∗
1 mol 44 gr
∗
1000 gr 1 kg
= 26690.39 moles de CO
Finalmente cálculo de moles a litros:
Volumen de gas = 26690.39 moles de CO ∗ 22.4
7.4.
-
L mol
∗
1 m 1000 L
= 597.87 m de CO
Investigue que tipos de hornos se utilizan para la calcinación de la piedra caliza e incluya una foto o figura del mismo y una breve descripción de estos. Hornos rotativos El horno es de construcción metálica, electro soldado, a partir de chapas y perfiles de acero con un tratamiento especial anticorrosivo, de gran robustez, con avanzado diseño y protección con imprimación fosfocromatante y pintura epoxídica de agradables tonos, lo que le confiere una larga vida y un acabado estéticamente agradecido. El horno consta de la parte rotativa, con una zona de entrada de
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Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva
2017
residuos y salida de humos y una zona de evacuación donde se i nstala el quemador. La cal cae a una tolva para su posterior evacuación. La rotación se consigue mediante una moto reductora.
Imagen 9: Horno rotativo para la obtención de cal
-
Hornos verticales Este tipo de horno se fabrica in situ, envolviendo (mediante hormigón, albañilería o barro) los refractarios interiores que se entregan listos para ensamblar. La carga del material, de realiza a través de una boca de carga situada en la parte superior de este horno. Además, consta de un cuerpo central, una chimenea abatible con boca de carga, una parrilla removible para soporte de las piezas de caliza y un hogar para quemar los materiales que calcinaran la carga. El control de temperatura se consigue mediante uno (o más) equipos pirométricos, con visualizador digital y sendos termopares incorporados al horno. La cantidad de pirómetros depende del alto del horno para poder controlar toda la carga. El calentamiento se realiza por combustión. La cámara de combustión está construida mediante hormigones refractarios de alta resistencia mecánica para garantizar una larga vida. Unas compuertas permiten ajustar la entrada de aire para favorecer el proceso. Estos hornos funcionan en continuo, llenando el horno de trozos de caliza y procediendo a su calcinación utilizando como combustible plásticos de desecho, neumáticos usados, leña u otros combustibles alternativos con un costo de obtención muy bajo. A medida que se carga por arriba la piedra caliza, en trozos de 80 – 120 mm, se descarga por debajo la cal obtenida.
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Imagen 10 -11: Horno vertical para la obtención de cal
-
Los hornos anulares Según la página de la empresa Lhoist, empresa encargada de la mayor producción de cal, dolomía calcinada y minerales de todo el mundo, los hornos anulares son “una variante más evolucionada de los hornos verticales. Incorporan cámaras de
combustión a dos niveles para permitir la inyección alterna de combustibles en su interior. Cada nivel tiene 4 o 5 cámaras de combustión, dependiendo de la capacidad del horno. En estos hornos, un c ilindro interno crea una especie de pasillo anular a través del cual pasa la carga; de ahí la denominación de ‘horno anular’.”
Imagen 12: Horno anular
-
Hornos regenerativos de flujo paralelo (PFR por sus siglas en inglés, Parallel Flow Regenerative) La empresa Lhoist define a estos maquinas como hornos verticales de muy bajo consumo. Además están compuestos por 2 o 3 ejes conectados entre si a través de un canal central. Lo que resalta en estos hornos es que funcionan en una modalidad alterna: un ciclo de incineración seguido de un ciclo de precalentamiento, y así sucesivamente. Estos hornos tienen la capacidad de producir un mayor tonelaje que los demás llegando hasta unas 800 toneladas por día.
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Laboratorio 2 – Metalurgia Extractiva
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Imagen 13: Horno PFR
8. BIBLIOGRAFIA
-
2016 Constante de equilibrio. Consulta: 2 de setiembre del 2017. Disponible en:
http://www.hiru.eus/quimica/la-constante-de-equilibrio -
2016 Concepto de pH. Consulta: 2 de setiembre del 2017. Disponible en :
http://conceptodefinicion.de/ph/ -
2016 Tipos de hornos. Consulta: 12 de setiembre del 2017. Disponible en: http://www.lhoist.com/es/transformaci%C3%B3n-de-la-piedra-en-cal-odolom%C3%ADa-calcinada
-
-
2016 Proceso de calcinacion. Consulta: 12 de setiembre del 2017. Disponible en: http://es.made-in-china.com/co_dfyaolu/image_NewlyAdvanced-Limestone-Calcination-Kiln-Industrialfurnace_euuyohghy_VSTQejUhvIrg.html 2016 Hornos verticales. Consulta: 12 de setiembre del 2017. Disponible en: http://www.emison.com/hornos%20verticales%20para%20cal.htm
-
2014 Calcinación y sus actividades. Consulta: 12 de setiembre del 2017. Disponible en:
http://www.caleras.com/actividades/calcinacion.html
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