Ingeniería Metalúrgica y de Materiales
Pirometalurgia
Calcinación de la caliza
Aguilar Lara Flor Shirley
Ing. José Guerreros
30 de noviembre del 2017
OBJETIVOS
Calcinar una muestra de caliza para obtener oxido de calcio; a partir del carbonato de calcio contenido en esta (descomposición total de la caliza entrante).
Medir la cinética de descomposición de la caliza y obtener una curva de conversión versus tiempo para la calcinación de lecho fijo de caliza en un horno mufla de laboratorio.
INDICE
CONTENIDO INTRODUCCION ..................................................................................................................... 1
I.
MARCO TEORICO ............................................................................................................. 2
II. 2.1
CALCINACION ................................................................................................................ 2
2.1.1
OBJETIVOS DE LA CALCINACION ...................................................................... 2
2.1.2
FACTORES QUE AFECTAN LA CALCINACION ................................................. 2
2.2
CALCINACION DE CALIZA ......................................................................................... 3
2.3
APLICACIONES .............................................................................................................. 4 DESARROLLO EXPERIMETAL ...................................................................................... 5
III. 3.1
MATERIALES Y EQUIPOS ........................................................................................... 5
3.2
PROCEDIMIENTO .......................................................................................................... 5
3.3
DATOS EXPERIMENTALES ......................................................................................... 5 RESULTADOS OBTENIDOS ............................................................................................. 6
IV.
4.1 CALCULO DE LA TEMPERATURA TEORICA DE DESCOMPOSICION DE CALIZA ......................................................................................................................................... 6 4.2
DETERMINACION DEL RENDIMIENTO DE CALCINACION ............................. 6
4.3
GRAFICAS ........................................................................................................................ 6
V.
4.3.1
RENDIMIENTO RENDIMIENTO Vs. V s. TIEMPO ................................................................................... 6
4.3.2
%CaO FORMADO Vs. TIEMPO ............................................................................... 7
4.3.3
%CO2 ELIMINADO Vs. TIEMPO ............................................................................. 7
4.3.4
%CO2 NO ELIMINADO Vs. TIEMPO ..................................................................... 7
CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 8
VI.
RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 9
VII.
CUESTIONARIO ................................................................................................................ 10
VIII.
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................. 12
IX.ANEXOS ..................................................................................................................................... 13
I.
INTRODUCCION
Calcinación se le denomina al proceso de calentar una cierta sustancia a una temperatura elevada, por debajo de su punto de fusión, para provocar la descomposición térmica o un cambio de estado en su composición física o química. Dicho proceso se lleva a cabo generalmente en hornos. Se suelen someter a procesos de calcinación materiales como los fosfatos, la alúmina, el carbonato de manganeso, carbonato de calcio, el coque de petróleo y la magnesita marina. En esta práctica se realizará la calcinación del CARBONATO DE CALCIO(CaCO3), para lograr su descomposición completa a la temperatura de 900C° y lograr la obtención de OXIDO DE CALCIO(CaO).
1
II.
MARCO TEORICO
2.1 CALCINACION
Es la descomposición de un compuesto mediante el calor suministrado por un agente externo, el compuesto puede ser: carbonato, sulfato, óxidos o sulfuros dobles. El producto de este proceso generalmente es un oxido solido debido a que durante la calcinación no existe ni fusión ni volatilización. 2.1.1
OBJETIVOS DE LA CALCINACION
Eliminar el agua, presente como humedad absorbida, “agua “ agua de cristalización” o “agua de constitución ártica” 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. Para oxidar (calcinación 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 (calcinación reductora) metales a partir de sus menas (fundición)
2.1.2
FACTORES QUE AFECTAN LA CALCINACION
La NO óptima homogenización de las muestras de caliza con la sílice. Porcentaje de humedad de las muestras antes de ingresarlas al horno. Temperatura de los hornos al momento de ingresar y retirar muestras. Tiempo de las muestras previo a alcanzar la temperatura de 1050°C Tiempo el cual se demora en sacar la muestra, dejarla enfriar y luego pesarla.
2
2.2 CALCINACION DE CALIZA
La descomposición de la caliza se basa en la reacción (1), a temperatura de 855C° aproximadamente procede de acuerdo a la energía libre de Gibbs presentada: CaCO3 + Calor
CaO + CO2(gas),
ΔG°T = 42490 – 42490 – 37.70T 37.70T (cal/mol) ... (1)
La reacción (1) llega al equilibrio cuando cuand o la presión parcial del CO2 es igual a la constante de equilibrio. K eq eq = PCO2 La presión La presión de equilibrio es conocida como la presión de descomposición del carbonato de calcio. Si, a cualquier temperatura la presión parcial del CO2 es inferior a la del equilibrio, la caliza se descompon drá hasta que la presión de CO2 alcance el valor de equilibrio.
Fig.1 Diagrama ellingham Para la descomposición de carbonatos
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2.3 APLICACIONES Cal viva de alto contenido de calcio: Aquella que está constituida por alrededor de 95% de óxido de calcio (CaO) y menos de 5 % de óxido de magnesio (MgO). La producción de cal viva de alto contenido de calcio requiere de una roca caliza de alto contenido de calcio y una eficiente calcinación. Su producción sigue la siguiente secuencia química:
CaCO3 + Calor
CaO + CO2(gas)
La cal en la ecología: Los usos medioambientales de la cal están vinculados al tratamiento de agua potable e industrial, recuperación de suelos contaminados con hidrocarburos y solventes químicos, desulfuración de los gases de la combustión, tratamiento de los residuos sólidos y sus lixiviados e indirectamente la estabilización o transformación de suelos inestables y expansivos en suelos aptos p ara servir de base de pavimentos.
La cal, a muy bajo costo permite aumentar el pH, precipitar los metales pes ados y convertir los peligrosos lodos de las aguas del alcantarillado, en un valioso producto para la agricultura. Tiene aplicaciones en la construcción vial, co nstrucción de viviendas y edificios, agroindustria, minería metálica no ferrosa, producción de acero, etc. La cal como aglomerante: Ladrillos de silicio-calcáreos, mezclas de albañilería. La cal como materia prima: Abrasivos, concretos, insecticidas, caucho, vidrio. La cal como hidrolizador: Grasas lubricantes, químicos orgánicos, amoniaco. La cal como floculante: Flotación de minerales, tratamiento de aguas residuales. La cal como fundente: Producción de acero, fundición de metales no ferrosos, producción de alúmina. La cal como lubricante: Perforaciones petrolíferas, trefilación de alambre. La cal como caustificante: Sosa cáustica, lavados alcalinos.
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III.
DESARROLLO EXPERIMETAL
3.1 MATERIALES Y EQUIPOS
Crisol de porcelana o copelas Pinzas metálicas Horno eléctrico de mufla (hasta 1500c°) Guantes de asbesto Balanza analítica Mineral de caliza clasificada a diferentes tamaños
3.2 PROCEDIMIENTO
Obtener muestra de caliza clasificada al 100% a -65 +100# Calentar el horno a 900C° Tomar cuatro copelas y pesar las muestras clasificadas con anterioridad Introducir las copelas al horno y sacar de ella una coplea cada 15 minutos Finalmente pesar el contenido de las copelas
3.3 DATOS EXPERIMENTALES
TIEMPO(min)
PESO INICIAL(g)
PESO FINAL(g)
0
142
139
15
150
143
30
151
117
45
156
138
5
IV.
RESULTADOS OBTENIDOS
4.1 CALCULO DE LA TEMPERATURA TEORICA DE DESCOMPOSICION DE CALIZA
Siendo: CaCO3 + Calor
CaO + CO2(gas)
ΔG°T = 42490 – 42490 – 37.70T 37.70T 0 = 42490 – 42490 – 37.70T 37.70T 37.70T = 42490 T = 1127K° T= 854C°
4.2 DETERMINACION DEL RENDIMIENTO DE CALCINACION
PESO INICIAL(g) PESO FINAL(g) LEY DE CaCO3 CaCO3 (%) PESO INAL. PESO TRANSF. PESO FORM. PESO ELIM. %CaO FORM. FORM. %CO2 ELIMN. RENDIMIENTO% RENDIM IENTO% 142 139 100 135.18 6.82 3.82 3 4.80 4.80 2.69 150 143 100 134.09 15.91 8.91 7 10.61 10.61 5.94 151 117 100 73.73 77.27 43.27 34 51.17 51.17 28.66 156 138 100 115.09 40.91 22.91 18 26.22 26.22 14.69
4.3 GRAFICAS
4.3.1
RENDIMIENTO Vs. TIEMPO
6
4.3.2
%CaO FORMADO Vs. TIEMPO
%CaO FORM.VsTIEMPO.
60.00
40.00 O a C
% 20.00
0.00 0
4.3.3
20 Tiempo 30
10
40
50
%CO2 ELIMINADO Vs. TIEMPO %CO2 ELIMN VS TIEMPO.
60.00 40.00
2 O C
20.00 0.00 0
10
20
30
40
50
Tiempo
4.3.4
%CO2 NO ELIMINADO Vs. TIEMPO
%CO2 NO ELIMN VsTIEMPO. 100.00 80.00 2 O C
60.00 40.00 20.00 0.00 0
10
20
30
Tiempo
7
40
50
V.
CONCLUSIONES
No se logró la descomposición completa de la caliza, esto debido a la pérdida de masa en la muestra debido a la emisión de C02 (conversión de CaCO3 en CaO).
Se logró estudiar la cinética de calcinación de la caliza en cuanto al tiempo óptimo de calcinación.
No se lograron obtener datos correctos con la termo balanza debido a fallas en la balanza analítica. Se pudo ver que una vez que le horno sube a más de 855 C es muy fácil realizarla descomposición, que se logra a partir de los 15 minutos, donde ya existía una descomposición muy elevada.
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VI.
RECOMENDACIONES
Tomar en cuenta el tiempo de calcinación ya que como se vio en el experimento un tiempo excesivamente largo no produce mejoras en el rendimiento del proceso lo que significaría en términos industriales una perdida insulsa de energía y tiempo. Las partículas deben ser de tamaño uniforme, u niforme, ya que, al introducir partículas pa rtículas de distinto tamaño, las partículas pequeñas se tostarían primero y las grandes tardarían más y no sería un proceso uniforme. En un proceso industrial habría que hacer un tratamiento de los gases ya que se echa todo el CO2 y de alguna manera habría que tratar ese gas y no soltarlo al medio ambiente. Sería interesante haber hecho un análisis an álisis químico de la muestra resultante para poder apreciar realmente cuanto fue la composición del material que se formó, que no se transformó, etc.; Para tener datos más precisos de lo ocurrido en el laboratorio la boratorio y además ver el efecto de las impurezas en la muestra. Realizar las lecturas en la balanza de manera veloz una vez la muestra haya salido del horno, porque la humedad del ambiente incrementa el peso de la muestra introduciendo un error en los cálculos siguientes.
9
VII.
CUESTIONARIO
7.1 ¿Si la caliza tiene además MgCO3 como es la influencia de d e este compuesto en la calcinación?
La influencia de MgCO3 (dolomita) en la calcinación de caliza será el de reducir la temperatura de calcinación. 7.2 En base a datos termodinámicos para la calcinación de caliza, grafique: Pco2=f(T)
7.3 ¿Cómo se podría favorecer la formación de CaO?
Para favorecer de alguna manera la formación de CaO se debe cuidar que no suceda Keq = PCO2 ya que cuando la constante de equilibrio iguala la presión deCO2 la reacción se detiene, por lo que se tiene que mantener el CO2 bajo y llegar a la temperatura tempe ratura de inversión de 855 ªC. 7.4 ¿El proceso de calcinación del CaCO3 es un proceso exotérmico o endotérmico?, explique con datos termodinámicos su respuesta
Es un proceso endotérmico, con los datos de HSC se puede obtener esta tabla delas entalpias, y como sabemos si la entalpia es positiva, la reacción será endotérmica, si la entalpia es negativa la reacción será exotérmica.
10
CaCO3 = CaO + CO2(g)
Las entalpias siempre son positivas, entonces la reacción es endotérmica. 7.5 ¿Cree usted que es necesario agregar carbón para realizar la calcinación?, ¿si es necesario calcule cuantos moles son necesarios, suponiendo que el aire de combustión ha sido recalentado a 500C°, y si no es necesario diga el por qué?
Si es necesario añadir C para que garantice la formación de CO por la ecuación de Bouduard, de esa manera se eliminara el CO2. CaCO3 + calor = CaO + CO2
150g CaCO3
CO2 + C = 2CO
442
100CaCO3
12 442
= 18g C
7.6 Si la reacción empírica que gobierna la cinética del proceso es: LogR = 0.003145T -3.3085 Dónde: R= radio de avance de la interface de calcinación(cm/hr). Determinar el tiempo de calcinación total para partículas p artículas de c/u de las granulometrías empleadas en la realización de la práctica. DATO: Para partículas de ¼” (0.3125cm) y una T°= 900 °C o 1173K
Log R = 0.03145T-3.3085 Log R = 0.03145(1173)-3.3085 Log R = 0.3806 R= 2.4021cm/hr
TIEMPO= 0.3125cm X
1ℎ
2.4
60 1ℎ
11
= 7.81min
VIII.
BIBLIOGRAFIA
Guía de Laboratorio de Pirometalurgia; Ing.Luis Servando Chambi; 2 012; La Paz Bolivia. http://www.wikipedia.org/wiki/ Calcinación
http://www.todoexpertos.com/categorias/cienciasingenieria/quimica/respuestas/113 1708/calcinacion http://www.academia.edu/19547445/CALCINACION_DE_LA_CALIZA_2014
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IX.ANEXOS
Calentamiento del horno hasta 900C°
Calcinación de las muestras
Colocar las muestras en el horno
Peso de las muestras calcinadas
13
