UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERÍA INSTITUTO DE INVESTIGACIONES METALÚRGICAS Y DE MATERIALES SOLUCIONARIO DEL PRIMER EXAMEN DE PIROMETALURGIA MET 220
Nombre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 de noviembre de 2016 1. La composición de un carbón seco se indica en la siguiente tabla.
%C 78 78,,0
%H 4, 8
%O 10 10,,3
%S 1,4
%N 1,8
%Cenizas 3,7
El carbón transporta transporta humedad humedad igual al 4, 4 ,2 % de su peso seco. Se quema en un horno de fusión con 60 % más de aire que el teóricamente requerido. Las cenizas del horno registraron 4, 4 ,3 % del carbón. El aire supuesto seco, está a 20 C y 740 mmHg . o
Calcular: Calcular:
a. b. c.
El poder calorífico calorífico del carbón, carbón, seco y húmedo, húmedo, si la fórmula fórmula de Dulong Dulong (para (para aire aire seco) seco) es: es: 3 Los m de aire usado para quemar el carbón por kg de carbón húmedo a las condiciones dadas. El volume volumen n y la composi composició ción n en en % de los gases del tragante como salen del horno. P C C = 8100 8100 C C + 3400 340000 (H (H
Respuesta a. Como el carbón transporta 4, 4 ,2 % de
1 Kg Carb Humd ×
O/8) O/8) + 220 22000 S
−
−
586 (9H (9H )
humedad, el cálculo es:
1 Kg Carb Seco = 0,9597 9597 Kg Kg Carb Seco (1 + 0, 0 ,042) Kg 042) Kg Carb Humd Kg Carb Seco es decir 0,9597 Kg Carb Humd 1
−
0,9597 = 0, 0,0403 0403 K K g H 2 O en el carbón
0,103 Kcal ) + 2200 × (0, (0,014) − 586 × (9 × 0,048) = 7289, 7289 ,90 8 Kg Carb Seco Kcal 0,9597 9597 Kg Kg Carb Seco Kcal P C = = 7289, 7289,90 × = 69 6996 96,,06 Kg Carb Seco Kg Carb Humd Kg Carb Humd
P C = = 8100 × (0, (0,78) + 34000 × (0, (0,048 −
Respuesta b. Para ésta respuesta se debe recalcular la tabla anterior considerando el peso de carbón seco y la
cantidad de agua 0, 0 ,0403 0403 K K g , el resultado se expresa en porcentaje 74, 74 ,856%, ordenado en la siguiente tabla: 0,9597 9597 Kg Kg Carb Seco %C 78 78,,0 74 74,,856
%H 4,8 4,607
%O 10 10,,3 9,885
×
78 78,,0 K g C = 0,74856 74856 K K g C 100 Kg 100 Kg Carb Seco %S 1,4 1,344
%N 1,8 1,727
%Cenizas 3, 7 3,551
%H 2 O
4.031
Con el anterior recálculo, el cálculo para todos los reactantes y productos de las reacciones consideradas es similar los cuales se ordenan en la siguiente tabla tomando en cuenta la cantidad de carbón no combustionado: 0,03551 03551 Kg Kg Cz ×
4,3 Kg C No Comb = 0,001595 001595 Kg Kg C No Comb (100 − 4,3) Kg 3) Kg Cz Kg C Comb 0,74856 − 0,0015 001595 95 = 0 ,74696 Kg C 3 22 22,,4 m O2 0,74696 74696 K K g C × = 1,3943 3943 m m 3 O2 12 12 K K g C 22 22,,4 m 3 O2 0,04607 04607 K K g H × = 0,2580 2580 m m 3 O2 4 K g H
1
Reacci´ Reaccion o´n qu´imica C + O2 = CO 2 H 2 + 1/2 O 2 = H 2 O S + O2 = SO 2 O2 N 2 H 2 O Total en m3
O2 1,3943 0,2580 0,0094 −0,0692
CO 2 1,3943
H 2 O
SO 2
N 2
−
−
−
−
0,5159
−
−
−
−
0,0094
−
−
−
−
−
−
−
−
−
0,01382
−
−
1,3943
0,05016 0,5661
0,0094
0,01382
−
1,5925
100 m 3 Aire 100 m = 7,5834 5834 m m 3 Aire teórico 21 21 m m 3 O2 7,5834 5834 m m 3 Aire × 0,6 0 = 4, 4 ,5500 5500 m m 3 Aire en exceso 1,5925 ×
12 12,,1334 1334 m m 3 Aire total a 0 C y 760 76 0 mm Hg o
12 12,,1334 1334 m m 3 ×
293 273
×
760 = 13 13,,3743 3743 m m 3 Aire total a 20 C y 740 74 0 mm Hg 740 o
Respuesta c. El cálculo del volumen y la composición de los gases del tragante es:
Gas CO 2 SO 2 H 2 O O2 N 2
= = = 4,550 × 0,21 = 0,013 01382 82 + 12, 12,1334 × 0,79 = Total en m3
m3 1,3943 0,0094 0,5661 0,9555 9,5992 12 12,,5246
Distr % 11,13 % 0,075% 4,52 % 7,63 % 76,64 % 100,00 %
12 12,,5246 5246 m m 3 Gas a 0 C y 760 76 0 mm Hg o
12 12,,5246 5246 m m 3 ×
1273 273
×
760 = 59 59,,9805 9805 m m 3 Gas a 1000 C y 740 74 0 mm Hg 740 o
2. En
un horno Wedge se tuestan concentrados de cobre de la siguiente composición; 32 %CuFeS 2, 7 %Cu 2 S , 35 %F eS 2 , 18 %SiO 2 , 8 %H 2 O. Asumir que todo el hierro se oxida a F e2 O3 y la mitad del cobre a CuO , permaneciendo el resto como Cu 2 S . Los gases analizan 12 %O2 los que salen del horno a 400 C y la calcina a 500 C . Asuma que el aire y los concentrados ingresan a 0 C . No se usa combustible. o
o
Calcul Calcular: ar:
o
a. b. c. d. e.
El peso del min minera erall tost tostado ado por ton ton de de conce concent ntrad radoo El % de azufre en el mineral tostado y el % de azufre eliminado del peso original El volume volumenn de aire usado por ton ton de concentr concentrado. ado. El % de exceso de aire sobre el requerimiento teórico. La compo composic sición ión en porce porcent ntaje aje de los los gases gases..
Solución. El
cálculo se resume en la siguiente tabla, considerando 1000 Kg de concentrado, para lo cual se muestra un modelo de cálculo:
1000 Kg 1000 Kg Conc
×
32 32 Kg Kg CuFeS 2 100 Kg 100 Kg Conc
×
159,70 159, 70 Kg Kg Fe 2 O3 = 139 139,23 23 Kg Kg Fe2 O3 2 × 183 183,,52 52 Kg Kg CuFeS 2
Resumiendo los cálculos en la siguiente tabla, se tiene:
2
Reacci´ Reaccio´n 2CuFeS 2 + 13/ 13 /2O2 = F = F e2 O3 + 2CuO 2 CuO + + 4SO 4SO 2 Cu 2 S + + 2O 2 O2 = 2CuO + CuO + SO 2 2F eS 2 + 11/ 11 /2O2 = F = F e2 O3 + 4SO 4 SO 2 Total en Kg
K g F e2 O3 139,,23 139
Kg Cu 110,81 55 55,,90
−
232,95 232, 372,,19 372
−
166,71
Kg S 111,80 14,10 187,,06 187 312,97
La composición del mineral tostado será: C omp. F e2 O3
Kg = 372 372,19
CuO Cu 2 S
SiO 2
79 79,,55 = 63 63,,55 159,,16 159 (166, (166,71)/ 71)/2 × = 2 × 63 63,,55 = T otal otal Kg min. min. tostado tostado (166, (166,71)/ 71)/2 ×
Distr % 48,91 %
104 104,34
13,71 %
104 104,38
13,72 %
180 180,00 760,,91 760
23,66 % 100,00 %
El azufre en el mineral tostado se determina determina de la siguiente siguiente manera: 32 32,,06 06 K K g S = 21 21,,03 03 K K g S 159,,16 159 16 Kg Kg Cu2 S 21 21,,03 03 K K g S × 1 0 0 = 2, 2 ,76 %S en el mineral tostado 760,,91 760 91 Kg Kg min. tostado
104,,38 104 38 Kg Kg Cu 2 S ×
El azufre eliminado: 312,,97 312 97 Kg 21,,03 03 Kg 291,94 94 Kg Kg S del conc − 21 Kg S del min tost = 291 Kg S eliminado 291,,94 291 94 Kg Kg S elim × 100 = 93, 93,28 %S eliminado 312,,97 312 97 Kg Kg S del conc
El oxígeno requerido. Para formar S O2
∴
Para formar F e2 O3
∴
Para formar C uO
∴
22 22,,4 m 3 O2 291,,94 291 94 K K g S × = 203 203,98 98 m m 3 32 32,,06 06 K K g S 3/2 × 22 22,,4 m 3 O2 372,,19 372 19 Kg Kg Fe2 O3 × = 78 78,,31 31 m m 3 159,,70 159 70 Kg Kg Fe2 O3 1/2 × 22 22,,4 m 3 O2 104,,34 104 34 Kg Kg CuO × = 14 14,,69 69 m m 3 179,,55 179 55 Kg Kg CuO Total oxígeno requerido 296 296,,97 97 m m 3
O2 O2 O2 O2
El aire teórico requerido. 296,,97 296 97 m m 3 O2 ×
100 m 3 Aire 100 m = 14 1414 14,,16 16 m m 3 Aire 21 21 m m 3 O2
Según las condiciones del problema, los gases analizan 12 %O2, lo que indica que: 12 12 m m 3 O2 ×
100 m 3 Aire 100 m = 57 57,,14 14 m m 3 Aire en exceso = 57 57,,14 % Aire en exceso en los gases 21 21 m m 3 O2
El % de gases sin exceso de aire: aire: 100
−
57 57,,14 = 42, 42,86 %
El volumen de gases sin exceso de aire:
3
SO 2
∴
N 2
∴
H 2 O
=
203,98 98 m m 3 SO 2
1414,,16 × 0,79 = 1117 1414 1117,,19 19 m m 3 N 2 22 22,,4 m 3 H 2 O 80 80 K K g H 2 O × = 99 99,,56 56 m m 3 H 2 O 18 18 K K g O2 Total 1420, 1420,72 72 m m 3 Gases sin O2
∴
Gases que incluyen el exceso de aire 1420,,72 1420 72 m m 3 Gases sin Aire ×
100 m 3 Gases con exc de aire 100 m = 33 3315 15,,01 01 m m 3 Gases con exceso de aire 3 42 42,,86 86 m m Gases sin Aire
El exceso de aire será: 3315,,01 3315
−
1420, 1420,72 = 1894 1894,,29 29 m m 3 exceso de aire
Aire te´ teorico o´rico = 1414 1414,,16 16 m m 3 Aire por ton de conc 3308, 3308,46 46 m m 3
El % de exceso exceso de aire utilizado utilizado 1894,291 1894, = 133 133,95 % 1414,,16 1414
La composición de los gases: 203,98 98 m m 3 SO 2 =
SO 2
∴
=
O2
∴
1894, 1894,29 × 0,21 =
397,80 80 m m 3 O2
=
12 12,,00 %
N 2
∴
3308,46 × 0,79 = 2613 3308, 2613,,68 68 m m 3 N 2
=
78 78,,84 %
H 2 O
∴
99 99,,56 56 m m 3 H 2 O =
3,00 %
=
Total gases 3315, 3315,01 01 m m 3
6,15 %
= 100 100,00 %
3. En el diagrama explicar la regla de fases en todas las áres de predominancia, lineas y punto de intersección.
La regla de fases esta definida por: ′
V = C + 1
−
φ
C (componentes) en un área, línea e intersección es: ′
′
C = 3
(Me, O, S )
En un área de predominancia predominancia φ y V es: φ = 2 (MeO, Gas) Gas) Fases V = 3 + 1
−
2 = 2
En una línea de equilibrio φ y V es: φ = 3 (MeO, MeS, Gas) Gas) Fases V = 3 + 1
−
3 = 1
En una intersección de equilibrio φ y V es: φ = 4 (MeO, MeS, MeSO4, Gas) Gas) Fases V = 3 + 1 AT X2ε M.Sc. Ing. Luis Chambi Viraca Escrito en L E
4
−
4 = 0
