escuela politÉcnica nacional - epn: página de...
TRANSCRIPT
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO DE UN HORNO PARA LA PRODUCCIÓN DE CAL VIVA Y
DE CAL HIDRATADA DE 120 TONELADAS DE PRODUCCIÓN
DIARIA
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENI ERO
MECÁNICO
EDISON RENÉ MONTALUISA MONTALUISA
HENRY GEOVANNY TIPÁN CHÁVEZ
DIRECTOR: ING. JAIME VARGAS
Quito, Febrero 2008
i
DECLARACIÓN
Nosotros, EDISON RENÉ MONTALUISA MONTALUISA y HENRY GEOVANNY
TIPÁN CHÁVEZ, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de
nuestra autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o
calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que
se incluyen en este documento.
__________________________ ________________________
EDISON R. MONTALUISA M. HENRY G. TIPÁN CH.
ii
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por los señores EDISON RENÉ
MONTALUISA MONTALUISA Y HENRY GEOVANNY TIPÁN CHÁVEZ, bajo
nuestra supervisión.
_________________________ _________________________
ING. JAIME VARGAS ING. ALVARO FLORES
DIRECTOR DE PROYECTO COLABORADOR DE PROYECTO
iii
AGRADECIMIENTO
Expresamos nuestra más sincera gratitud a todo el personal docente, de la
Escuela Politécnica Nacional, que desde el inicio de la carrera supieron brindar
sus, conocimientos, opiniones y sugerencias.
Queremos expresar nuestros agradecimientos de manera muy especial al
Ing. Jaime Vargas por su dirección y ayuda.
Agradecemos a todo el personal de la Empresa LUMOIL CLTDA ., que
brindaron un valioso aporte durante el desarrollo del presente Proyecto de
Titulación y a todos los amigos que nos entregaron sus ideas, consejos y apoyo,
durante toda la etapa de instrucción profesional.
Así también, al personal administrativo que de una u otra manera son
partícipes en la culminación de este proyecto.
EDISON M.
HENRY T.
iv
DEDICATORIA
♦ A Dios por haberme guiado por el sendero correcto, y darme la suficiente sabiduría para llegar hasta tan alto peldaño.
♦ A mis padres por haber dedicado una gran parte de su vida a mi formación, ya
que con su ejemplo y sus acertados consejos han hecho de mí un hombre de bien.
♦ A mi esposa Mirian, por todo el apoyo y amor que me ha brindado durante
todo este tiempo que estamos juntos. ♦ A mis hijos Sebastián y Nicolás, para que este trabajo sea una fuente de
inspiración para llegar más lejos en su vida profesional. ♦ A mis hermanos y cuñados por todo el apoyo y protección que me han
brindado durante toda mi vida y sobre todo en esta última etapa del camino. ♦ A Milton, Miguel, Leonardo, Pablo, Franklin, Jaime y Henry, que de alguna
manera se han visto involucrados en el transcurso de mi carrera de preparación profesional.
EDISON ♦ A Dios por haberme dado valor y perseverancia para alcanzar mis sueños.
♦ A mis queridos padres, Raúl Tipán y Ángela Chávez, por haberme brindado
todo su amor, dedicación y esfuerzo incesante para lograr mis metas. ♦ A mis hermanos, Mauricio, Gabriela, Santiago y Pedro, por el apoyo
incondicional, ya que han sido un pilar para el desarrollo del presente trabajo. ♦ A mi abuelo, por todos los consejos y sabiduría que me brindó. ♦ Al mejor grupo de amigos, Jaime, Alex, Franklin, Mauricio, Jorge, Pablo y
Edison, por haber estado presentes durante toda la vida de formación profesional.
♦ A toda mi familia por sus palabras de aliento.
HENRY
v
CONTENIDO
CAPÍTULO I ......................................... ................................................................ 17
GENERALIDADES ...................................... ........................................................ 17
1.1 LA PIEDRA CALIZA ............................................................................... 17
1.1.1 ORIGEN ............................................................................................. 18
1.1.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA ................................................................. 19
1.1.3 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS........................................................... 20
1.2 ESTUDIO DE LA CAL ............................................................................ 21
1.2.1 OBTENCIÓN DE LA CAL................................................................... 22
1.2.2 HIDRATACIÓN DE LA CAL VIVA ..................................................... 23
1.3 USOS DE LA CAL EN LA INDUSTRIA ................................................... 25
1.3.1 PRODUCCIÓN DE ACERO ............................................................... 25
1.3.2 PRODUCTOS DE ACERO................................................................. 25
1.3.3 INDUSTRIA ALIMENTICIA................................................................. 26
1.3.4 INDUSTRIA DEL PAPEL.................................................................... 27
1.3.5 INDUSTRIA MINERA ......................................................................... 28
1.3.6 INDUSTRIA DEL PETRÓLEO............................................................ 28
1.3.7 INDUSTRIA QUÍMICA........................................................................ 29
1.3.8 ESTABILIZACIÓN DE SUELOS......................................................... 30
1.4 PORCENTAJE DE CONSUMO DE LA CAL .......................................... 31
1.5 MANEJO ADECUADO DE LA CAL ........................................................ 32
1.6 PRINCIPALES PROBLEMAS EN EL MANEJO DE LA CAL .................. 33
CAPÍTULO II ........................................ ................................................................ 34
PRODUCCIÓN DE CAL E INFORMACIÓN TÉCNICA............ ............................ 34
2.1 ETAPAS DE PRODUCCIÓN DE LA CAL ............................................... 34
2.2 DIAGRAMA DE FLUJO EN LA MANUFACTURA DE LA CALIZA........... 37
2.3 HORNOS PARA LA PRODUCCIÓN DE CAL......................................... 38
2.4 COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS HORNOS ............................ 38
2.4.1 CIMIENTOS Y BASE DEL HORNO ................................................... 38
2.4.2 FORMA Y DIMENSIONES ................................................................. 38
vi
2.4.3 PAREDES ESTRUCTURALES. ......................................................... 39
2.4.4 REVESTIMIENTO .............................................................................. 39
2.4.5 COMBUSTIBLES ............................................................................... 39
2.4.5.1 MADERA..................................................................................... 39
2.4.5.2 CARBÓN DE LEÑA.................................................................... 40
2.4.5.3 COQUE ....................................................................................... 40
2.4.5.4 COMBUSTIBLES LÍQUIDOS ...................................................... 40
2.4.5.5 COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS............................................ 41
2.4.5.6 PRINCIPAL CARACTERÍSTICA DE LOS COMBUSTIBLES ..... 41
2.4.6 ESTUDIO DEL MATERIAL REFRACTARIO ...................................... 42
2.4.6.1 CARACTERÍSTICAS................................................................... 42
2.4.6.2 APLICACIONES.......................................................................... 42
2.4.6.3 TIPOS DE MATERIAL REFRACTARIO ...................................... 43
2.4.6.4 PRESENTACIÓN DEL MATERIAL REFRACTARIO................... 43
2.5 TIPOS DE HORNOS PARA LA PRODUCCIÓN DE CAL........................ 44
2.5.1 HORNO DE COLUMNA .................................................................... 44
2.5.2 HORNO DE COLUMNA DOBLE INCLINADO.................................... 46
2.5.3 HORNO DE COLUMNA DE MÚLTIPLES CÁMARAS........................ 47
2.5.4 HORNO REGENERDOR DE FLUJO PARALELO ............................. 47
2.5.5 HORNO ROTATORIO LARGO .......................................................... 49
CAPÍTULO III ....................................... ................................................................ 51
ESTUDIO DE ALTERNATIVAS............................ ............................................... 51
3.1 PLANTEAMIENTO DE LAS NECESIDADES ......................................... 51
3.2 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS GENERALES................................... 52
3.2.1 PARÁMETROS FUNCIONALES........................................................ 52
3.2.2 AMBIENTE DE TRABAJO.................................................................. 52
3.3 ESTUDIO DE ALTERNATIVAS.............................................................. 52
3.3.1 ALTERNATIVA Nº 1 ........................................................................... 53
HORNO REGENERATIVO DE FLUJO PARALELO CIRCULAR................. 53
3.3.1.1 PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS .......................................... 54
3.3.1.1.1 CANAL COLECTOR DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN......... 54
vii
3.3.1.2 VENTAJAS.................................................................................. 56
3.3.1.3 DESVENTAJAS .......................................................................... 56
3.3.2 ALTERNATIVA Nº 2 ........................................................................... 57
HORNO REGENERATIVO DE FLUJO PARALELO RECTANGULAR ....... 57
3.3.2.1 PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS .......................................... 58
3.3.2.1.1 TOLVA ........................................................................................ 58
3.3.2.1.2 TORRE........................................................................................ 58
3.3.2.1.3 ESTRUCTURA............................................................................ 58
3.3.2.1.4 LÍNEA DE ALIMENTACIÓN DE AIRE......................................... 58
3.3.2.1.5 LÍNEA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE........................ 58
3.3.2.1.6 QUEMADOR ............................................................................... 58
3.3.2.1.7 CÁMARA DE COMBUSTIÓN...................................................... 59
3.3.2.2 VENTAJAS.................................................................................. 59
3.3.2.3 DESVENTAJAS .......................................................................... 59
3.4 SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA A DISEÑARSE............................. 59
CAPÍTULO IV........................................ ............................................................... 62
DISEÑO DEL HORNO ......................................................................................... 62
4.1 CONSIDERACIONES DE DISEÑO........................................................ 62
4.2 DESARROLLO DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA...................... 62
4.2.1 DESARROLLO DE LA CAPACIDAD DEL PROCESO...................... 62
4.2.2 DISTRIBUCIÓN DE LA CARGA......................................................... 64
4.2.3 ANÁLISIS ENERGÉTICO DEL HORNO ............................................ 67
4.2.3.1 EQUILIBRIO TÉRMICO EN EL HORNO..................................... 67
4.2.3.2 PROCESO DE COMBUSTIÓN EN EL HORNO.......................... 70
4.2.3.3 CONSUMO DE COMBUSTIBLE................................................. 73
4.2.4 DIMENSIONAMIENTO DEL HORNO................................................. 74
4.2.5 DISEÑO DE LOS COMPONENTES PRINCIPALES DEL HORNO.... 76
4.2.5.1 DISEÑO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN............................ 76
4.2.5.2 REQUERIMIENTOS DE LADRILLO REFRACTARIO EN LAS
ZONAS ENERGÉTICAS DEL HORNO ..................................................... 78
viii
4.2.6 DISEÑO ESTRUCTURAL DEL HORNO............................................ 95
4.2.6.1 DISEÑO DE LAS VIGAS PRINCIPALES .................................... 96
4.2.6.2 DISEÑO DE LAS COLUMNAS.................................................... 98
4.2.6.3 DISEÑO DE LAS PLACAS DE ANCLAJE................................. 100
4.2.6.4 DISEÑO DE LOS PERNOS DE ANCLAJE ............................... 105
4.2.6.5 CÁLCULO DE LA SOLDADURA DE LAS VIGAS ..................... 106
4.2.6.6 CÁLCULO DE LOS PERNOS EN LA VIGAS SECUNDARIAS . 110
4.2.6.7 CÁLCULO DE LA SOLDADURA DE LAS COLUMNAS............ 112
4.2.7 DISEÑO DEL SISTEMA DE TOLVAS.............................................. 114
4.2.7.1 DISEÑO DE LAS TOLVAS DE ALIMENTACIÓN.......................... 114
4.2.7.2 DISEÑO DEL CANAL DE ALIMENTACIÓN ................................. 119
4.2.7.3 DISEÑO ESTRUCTURAL DE LAS TOLVA DE ALIMENTACIÓN. 121
4.2.7.4 DISEÑO DE LA TOLVA DE DESCARGA ..................................... 122
4.3 SELECCIÓN DE EQUIPOS ................................................................. 124
4.3.1 SELECCIÓN DEL QUEMADOR....................................................... 124
4.3.1.1 ASPECTOS DE SELECCIÓN ................................................... 124
4.3.1.2 CÁLCULO DE LA POTENCIA CALÓRICA DEL QUEMADOR.. 126
4.3.2 SELECCIÓN DE LA BOMBA DE ALIMENTACION.......................... 128
4.3.3 SELECCIÓN DEL MOTOR ELÉCTRICO ......................................... 129
4.3.4 TANQUE DE COMBUSTIBLE.......................................................... 130
4.3.5 SELECCIÓN DE VIBRADOR ........................................................... 131
4.3.6 SELECCIÓN DEL EQUIPO DE HIDRATACIÓN .............................. 131
4.4 MANUAL DE OPERACIÓN .................................................................. 134
4.4.1 CÁMARA DE CARGA ...................................................................... 134
4.4.2 PROCESO DE COMBUSTIÓN. ....................................................... 135
4.4.3 DESCARGA DE LA CAL VIVA......................................................... 135
4.4.4 TANQUE DE COMBUSTIBLE.......................................................... 136
4.5 MANTENIMIENTO DEL HORNO ......................................................... 136
4.5.1 PREVENTIVO .................................................................................. 136
4.5.2 PREDICTIVO.................................................................................... 138
4.5.2.1 CAPA DE REFRACTARIO ........................................................... 138
4.5.2.2 SISTEMA DE COMBUSTIÓN....................................................... 139
4.5.2.3 SISTEMA DE CARGA Y DESCARGA .......................................... 139
ix
4.6 PROTOCOLO DE PRUEBAS .............................................................. 139
4.7 IMPACTO AMBIENTAL........................................................................ 141
CAPÍTULO V......................................... ............................................................. 144
COSTOS DE FABRICACIÓN .............................. .............................................. 144
5.1 ANÁLISIS DE COSTOS ................................................................... 144
5.1.1 ANÁLISIS DE COSTOS DIRECTOS................................................ 145
5.1.1.1 MATERIALES DIRECTOS............................................................ 145
5.1.1.2 ELEMENTOS NORMALIZADOS .................................................. 146
5.1.1.3 COSTOS DE MAQUINADO.......................................................... 146
5.1.1.4 COSTOS DE MONTAJE............................................................... 147
5.1.1.5 COSTO DIRECTO TOTAL............................................................ 147
5.1.2 ANÁLISIS DE COSTOS INDIRECTOS ............................................ 148
5.1.2.1 MATERIALES INDIRECTOS ........................................................ 148
5.1.2.2 COSTOS DE INGENIERÍA ........................................................... 148
5.1.2.3 GASTOS INDIRECTOS................................................................ 149
5.1.2.4 COSTO TOTAL INDIRECTO........................................................ 149
5.1.3 COSTO TOTAL DEL HORNO.......................................................... 149
CAPÍTULO VI........................................ ............................................................. 151
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.................................................. 151
6.1 CONCLUSIONES ................................................................................ 151
6.2 RECOMENDACIONES........................................................................ 153
BIBLIOGRAFÍA ....................................... .......................................................... 155
ANEXOS
x
ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO I
Figura 1.1 Piedra caliza................................................................................... 18
Figura 1.2 Piedra caliza de origen orgánico .................................................... 19
Figura 1.3 Productos de acero con el uso de la cal......................................... 26
Figura 1.4 Industria del papel .......................................................................... 28
Figura 1.5 Industria del petróleo...................................................................... 29
Figura1. 6 Estabilización de suelos a base de la cal ....................................... 31
CAPÍTULO II
Figura 2.1 Extracción de la piedra caliza......................................................... 34
Figura 2.2 Inspección de la cal obtenida ......................................................... 35
Figura 2.3 Almacenamiento de la cal .............................................................. 36
Figura 2.4 Diagrama de flujo de la caliza ........................................................ 37
Figura 2.5 Ladrillos refractarios para hornos de sección circular .................... 44
Figura 2.6 Horno de columna.......................................................................... 45
Figura 2.7 Horno de columna doble inclinado ................................................. 46
Figura 2.8 Horno regenerador de flujo paralelo............................................... 48
Figura 2.9 Horno rotatorio largo ...................................................................... 50
CAPÍTULO III
Figura 3.1 Horno regenerativo de flujo paralelo circular.................................. 53
Figura 3.2 Canal colector de gases de combustión......................................... 54
Figura 3.3 Horno regenerativo de flujo paralelo rectangular............................ 57
CAPÍTULO IV
Figura 4.1 Formación de CaO......................................................................... 65
Figura 4.2 Esquema de funcionamiento del horno .......................................... 66
Figura 4.3 Flujos de calor en el horno ............................................................. 67
xi
Figura 4.4 Esquema del horno ........................................................................ 74
Figura 4.5 Zonas energéticas del horno.......................................................... 76
Figura 4.6 Perfil de temperaturas en el horno ................................................. 77
Figura 4.7 Circuito térmico en la zona de precalentamiento ........................... 83
Figura 4.8 Circuito térmico en la zona de calcinación ..................................... 86
Figura 4.9 Circuito térmico en la zona de enfriamiento ................................... 91
Figura 4.10 Circuito térmico de la capa de acero .............................................. 93
Figura 4.11 Esquema de la estructura de soporte del horno............................. 96
Figura 4.12 Diagrama de cuerpo libre de la viga principal ................................ 96
Figura 4.13 Esquema y DCL de las placas de anclaje .................................... 101
Figura 4.14 Área de cálculo de la soldadura ................................................... 107
Figura 4.15 Ubicación de los pernos en la viga secundaria ............................ 110
Figura 4.16 Forma y dimensiones de la tolva de alimentación........................ 115
Figura 4.17 Diagrama de cuerpo libre de la tolva de alimentación.................. 115
Figura 4.18 Componentes de la carga en cada pared de la tolva ................... 116
Figura 4.19 Carga en las paredes laterales de la tolva de alimentación ......... 117
Figura 4.20 Componentes de la carga en el canal de alimentación ................ 119
Figura 4.21 Dimensiones de la tolva de descarga........................................... 123
Figura 4 22 Equipo de hidratación................................................................... 133
xii
ÍNDICE DE ANEXOS
ANEXO 1: PROPIEDADES DE ELEMENTOS Y COMPUESTOS QUÍMICOS
ANEXO 2: HOJAS TÉCNICAS
ANEXO 3: MATERIAL ESTRUCTURAL
ANEXO 4: GRÁFICOS
ANEXO 5: CÁLCULOS EN SAP 2000
ANEXO 6: EQUIPOS
ANEXO 7: PLANOS
xiii
SIMBOLOGÍA
A1 Área
CP Capacidad del proceso
Cprod Capacidad de producción
Cp Capacidad calórica del combustible
P Carga de compresión
∀& Caudal
h Coeficiente de transferencia de calor por convección; Altura
K Conductividad térmica
fρ Densidad del flujo
sρ Densidad de la caliza
φ Diámetro
Do Diámetro externo
Xc Distancia
Qmin Energía mínima de disociación
n Eficiencia térmica; Factor de Seguridad
t Espesor de la placa utilizada
fc´ Esfuerzo de compresión del concreto
[ ]σ Esfuerzo admisible
2,1σ Esfuerzos primarios
Fv Esfuerzo admisible en las soldaduras
Sy Esfuerzo de fluencia
ExxF Sut material depositado por electrodos
maxσ Esfuerzo máximo
τ Esfuerzo cortante.
(TRS) Emisiones de gases sulfurados
f Factor de carga de material
B Factor de atiezamiento
cϑ Factor de resistencia del concreto
xiv
λ Factor de flujo en una cama de sólido
q Flujo de calor
F Fuerza
m& Flujo de masa
g Gravedad
L Longitud
Sxx Módulo de la sección
M Momento
xi Número de átomos
Re Número de Reynolds
NuD Número de Nusselt
NOx Óxidos de nitrógeno
Pai Peso atómico
W Peso molecular
Pa Presión máxima de trabajo permitida
i Radio de giro de la sección
R Reacción
dp Tamaño promedio de la piedra caliza
T Temperatura
HHV Valor calórico del combustible
µ Viscosidad dinámica
V Volumen; Fuerza cortante
xv
RESUMEN
La realización del Presente Proyecto de Titulación está destinada al
mejoramiento de la explotación de recursos minerales, en este caso la piedra
caliza. El trabajo se halla estructurado de la siguiente manera.
Capítulo I: Es una introducción al estudio de caliza y se tratan aspectos
como su origen, sus características y la forma como se presenta en la naturaleza.
Además contiene los principales usos de la cal en la industria y el manejo de la
misma.
Capítulo II: En este punto se presentan los pasos necesarios para la
industrialización de la producción de cal, y el estudio de los hornos como parte
principal para dicho desarrollo.
Capítulo III: Trata las condiciones de trabajo del horno y sus parámetros
funcionales, además se presenta el desarrollo de la factibilidad del proyecto
mediante el análisis y selección de la alternativa de solución.
Capítulo IV: En esta etapa se procede al desarrollo de la alternativa
seleccionada mediante la realización de los modelos matemáticos, la selección de
materiales y equipos. Además se presenta una introducción al impacto ambiental
que produce la implementación del horno.
Capítulo V: Se muestra un estudio del horno desde el punto de vista de
costos de los materiales utilizados en el proyecto.
Capítulo VI: Este capítulo comprende las conclusiones y las
recomendaciones para un diseño óptimo de un horno para la producción de cal.
xvi
PRESENTACIÓN
La gran variedad en la utilización de los productos de la cal y su gran
demanda sugiere la implementación de plantas de producción de gran salida que
pueda satisfacer las necesidades del cliente.
Debido a que en la actualidad en el país solamente se cuenta con un horno
para la producción de 120 toneladas de cal por día, es de vital importancia para
la industria nacional desarrollar un diseño óptimo de bajo costo y de mejor
eficiencia para la obtención de cal en la proporción indicada.
La falta de evolución de la industria minera de la cal afecta de manera
directa a los consumidores industriales de minerales y de sus productos
derivados, por tal motivo es necesario contribuir con la implementación de este
tipo de hornos de tal manera que sea factible una producción a bajo precio y con
índices de calidad competitivos.
Con el desarrollo del proyecto se busca ampliar la recopilación de
información de los procesos de exploración de los yacimientos de cal en el
Ecuador.
Establecer un proceso innovador de producción de la cal desde la
explotación de la piedra caliza hasta el almacenamiento de la cal viva e hidratada.
Analizar el tratamiento de la cal para optimizar la utilidad de la misma en
diferentes campos de aplicación como son: la construcción, la decoración y
aplicaciones médicas.
17
CAPÍTULO I
GENERALIDADES
La cal es el más ancestral y, al mismo tiempo, el más actual de los
productos químicos de origen natural conocidos y utilizados por el hombre en todo
el mundo.
La cal es el producto para la construcción más antiguo que se conoce; con la
utilización de cal se edificaron obras conocidas a nivel mundial que siguen en pie
a pesar del paso del tiempo.
1.1 LA PIEDRA CALIZA
La piedra caliza es una roca sedimentaria compuesta principalmente de
carbonatos de calcio, carbonatos de magnesio e impurezas.
El carbonato más abundante en la piedra caliza es el carbonato de calcio
(CaCO3) que se halla en diferentes formas como calcita, aragonita que es una
variación de la calcita formada a altas temperaturas de estructura cristalina es
diferente, como mineral metamórfico en forma de mármol y es a menudo parte del
cemento natural en las piedras areniscas.
Los minerales más importantes del grupo de los carbonatos son la
esmitsonita, la rhodocrosita (MnCO3), la magnesita (MgCO3) y la dolomita
(CaMg(CO3)2).
18
En la figura 1.1 se presenta la manera en la que se encuentra la piedra
caliza en la naturaleza.
Figura 1.1 Piedra caliza
1.1.1 ORIGEN
Tanto por su origen como por su estructura pueden diferenciarse varios tipos:
• De origen orgánico: Formada por acumulaciones de restos calizos de
seres vivos como conchas de moluscos, caparazones de foraminíferos,
esqueletos de corales, etc. En la figura 1.2 se visualiza la piedra caliza de
origen orgánico.
• De origen detrítico: Resultado de la acumulación y compactación de
barros calizos.
• De origen químico : Formada por la precipitación de carbonato de calcio
(CO3Ca).
19
Figura 1.2 Piedra caliza de origen orgánico
1.1.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA
La mayoría de los carbonatos a parte de los carbonatos de los metales
alcalinos son poco solubles en agua. Debido a esta característica son importantes
en geoquímica y forman parte de muchos minerales y rocas.
La caliza está formada de una serie de compuestos químicos, en el que la
presencia de los carbonatos de calcio y de magnesio es más significativa, a
continuación se presente los principales componentes de la caliza:
• Carbonato de calcio (CaCO3)
• Carbonato de magnesio (MgCO3)
• Sílice (SiO2)
• Alúmina (Al2O3)
• Óxido de hierro (Fe2O3)
• Óxido de potasio (K2O)
• Óxido de sodio (Na2O)
20
La piedra caliza en la industria es tratada como calizas de alto contenido
de calcio y calizas dolomíticas.
Las calizas con alto contenido de calcio contienen un porcentaje de
carbonato de calcio entre el 97 - 99% y un porcentaje de impurezas de entre el 1
al 3 %.
Las calizas dolomíticas contienen un 40 - 43 % de magnesita y un
porcentaje de impurezas de entre el 1 al 3 %.
1.1.3 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
Las características físicas están en función de los porcentajes de
carbonatos, impurezas, etc; presentes en la piedra caliza.
La tabla 1.1 presenta las características físicas de la piedra caliza.
Tabla1.1 Características Físicas de la piedra cal iza
Característica físicas de la piedra caliza
Porosidad Dureza
(Moh´s)
Gravedad
específica
Densidad
(kg/m 3) Coloración
0.3%-12% 2 - 4 2.65 -2.75 2000-2800 Gris-color
canela
Fuente : SPIROPULOS J.Small Scale Production of Lime for Building
El estudio y análisis de las propiedades físicas son de gran importancia en
la obtención del producto final. Por ejemplo la caliza con alta porosidad produce
un rápido régimen de calcinación y se obtiene cal viva mucho más reactiva. 1
1 SPIROPULOS J.Small Scale Production of Lime for Building, Deutsche Gesellschaft, 1985.
21
1.2 ESTUDIO DE LA CAL
La cal es el producto que se obtiene de la calcinación de la piedra caliza
por debajo de la temperatura de descomposición del óxido de calcio. En este
estado se denomina cal viva u óxido de calcio.
Existen varios tipos de cal las cuales se presentan a continuación:
• CAL VIVA: Es el material obtenido de la calcinación de la piedra caliza que
al desprender anhídrido carbónico a 1000ºC aproximadamente, se
transforma en óxido de calcio. La cal viva debe ser capaz de combinarse
con el agua, para transformarse de óxido a hidróxido y una vez apagada
(hidratada), se aplique en la construcción, principalmente en la elaboración
del mortero de albañilería.
• CAL HIDRATADA: Se conoce con el nombre comercial de cal hidratada a
la especie química de hidróxido de calcio, la cual es una base fuerte
formada por el metal calcio unido a dos grupos hidróxidos.
El óxido de calcio al combinarse con el agua se transforma en hidróxido de
calcio.
• CAL HIDRÁULICA: Cal compuesta principalmente de hidróxido de calcio,
sílica (SiO2) y alúmina (Al2O3) o mezclas sintéticas de composición similar.
Tiene la propiedad de fraguar y endurecer incluso debajo del agua.2
2 www.quiminet.com.mx/sh9/sh_armRsDFarmaasd.htm
22
1.2.1 OBTENCIÓN DE LA CAL
La producción de cal está basada disociación de caliza con alto contenido
de calcio y la caliza dolomítica.
Para la obtención de la cal es necesario que la caliza pase por un proceso
termoquímico, el cual consta de combustión de combustible, transferencia de
masa y de calor y la transformación química de la materia prima
Las tablas 1.2 y 1.3 presentan los elementos químicos presentes en la
caliza y de alto contenido de calcio y la caliza dolomítica respectivamente.
A continuación se presenta las reacciones químicas necesarias para la
producción de cal de acuerdo a la naturaleza de la materia piedra caliza.
Primera reacción:
Obtención de cal con alto contenido calcio.
Reacción producida a 900°C aproximadamente, dependi endo del tipo de piedra
caliza
CaCO3+ calor → CaO + CO2
Tabla1.2 Elementos en presentes en la disociación d e la caliza
con alto contenido de calcio
Fuente : Propia
Elaborado por: Edison Montaluisa y Henry Tipán
Notación de los elementos presentes en la reacción
CaCO3 Carbonato de calcio (Piedra caliza)
CaO Cal viva
CO2 Dióxido de carbono
23
Segunda reacción
Obtención de cal dolomítica
Reacción producida a aproximadamente 750°C
Ca CO3 • MgCO3+ calor → CaO • MgO+2CO2
Tabla1.3 Elementos presentes en la disociación de l a caliza dolomítica
Fuente : Propia
Elaborado por: Edison Montaluisa y Henry Tipán
En las reacciones presentadas anteriormente generalmente están
presentes porcentajes de impurezas los cuales están en función del lugar de
explotación de los yacimientos de piedra caliza.3
1.2.2 HIDRATACIÓN DE LA CAL VIVA
Una vez obtenida la cal viva se la somete a un tratamiento con agua al cual
se denomina cal apagada, cal hidratada o hidróxido de calcio, esta es una
reacción es exotérmica, mostrada en la siguiente ecuación:
CaO + H2O → Ca(OH)2+ calor
3 ces.iisc.ernet.in/energy/HC270799/HDL/spanish/sk01ms/sk01ms09.htm
Notación de los elementos presentes en la reacción
CaMgCO3 Piedra caliza dolomítica
CaCO3 Carbonato de calcio ( Producto de la reacción)
MgO Oxido de magnesio
CO2 Dióxido de carbono
24
Las cales vivas puras reaccionan vigorosamente desprendiendo calor
considerable, mientras que las cales impuras se hidratan lentamente, o solo
después que los terrones son triturados.
Comúnmente se producen tres formas de cal hidratada:
• Hidrato seco: Un polvo fino seco formado añadiendo agua suficiente para
apagar la cal, que es secada por el calor generado.
• Lechada de cal: Hecha de cal viva apagada con agua en exceso y
agitándola bien, formando una suspensión lechosa.
• Pasta de cal: Una masa viscosa formada por el asentamiento de los sólidos
de la lechada de cal.
La forma más común es el hidrato seco, que es muy adecuado para
almacenar en silos o bolsas herméticas y fáciles de transportar. La pasta de cal,
que es un excelente material de construcción, puede ser guardada
indefinidamente bajo condiciones húmedas. La lechada de cal generalmente es
producida conjuntamente con otras industrias de procesamientos.
En pequeñas fábricas de cal, el apagado usualmente se realiza a mano,
sobre plataformas para producir un hidrato seco o tanques pocos profundos para
hacer pasta de cal.
Aunque la hidratación de la cal viva es un proceso simple, debe realizarse
con especial cuidado, por ejemplo, ver que toda la cal viva esté completamente
apagada. Las piezas que se hidratan muy lentamente y que no se detectan,
pueden causar serios problemas posteriormente.
Si el agua es añadida muy lentamente, la temperatura de la cal puede
incrementarse demasiado rápido, formando un compuesto arenoso blanco
25
inactivo (cal de «agua quemada»). Si el agua es añadida muy rápidamente, puede
formarse una capa de hidróxido, evitando una mayor hidratación (cal «ahogada»).
1.3 USOS DE LA CAL EN LA INDUSTRIA
1.3.1 PRODUCCIÓN DE ACERO
En el campo metalúrgico, la cal "viva" encuentra su usos más extensos
como fundente en la purificación del acero, y en la oxigenación básica de hornos,
tanto en los de corazón abierto, como en los hornos eléctricos, por lo que es
empleada exclusivamente como un fundente en la oxigenación básica y también
usualmente en hornos eléctricos en lugar de piedra caliza.
La cal es particularmente efectiva en remover fósforo, azufre y sílice y, en
menor proporción, manganeso. Generalmente, como el contenido de fósforo del
mineral de hierro aumenta, el consumo de cal viva para extraer el fósforo como
fosfato de calcio de la escoria, también se incrementa en forma proporcional.
1.3.2 PRODUCTOS DE ACERO
En los productos del acero la cal se usa para el alambre estirado, actuando
como lubricante cuando las varillas de acero son estiradas por medio de dados en
la fundición de lingotes y escorias de altos hornos, donde un revestimiento
encalado sobre los moldes previene adherencias. También es empleada en la
neutralización de ácido sulfúrico basado en licores de desecho, en los que las
sales de hierro también son precipitadas para prevenir la contaminación de aguas.
Después de un lavado con ácido, los productos de acero frecuentemente son
sometidos a un baño de cal para neutralizar los últimos rastros del ácido adherido
al metal. La figura 1.3 presenta los productos de acero obtenidos con el uso de la
cal.
26
Figura 1.3 Productos de acero con el u so de la cal
1.3.3 INDUSTRIA ALIMENTICIA
• Industrias Lechera.- En la industria lechera, se usa tanto la cal hidratada
como la cal viva, en varios procesos. Cuando la crema es separada de
toda la leche, frecuentemente se añade agua de cal para neutralizar o
reducir la acidez antes de la pasteurización si se va a producir mantequilla.
• Industria Azucarera.- En la producción tanto de azúcar de caña como de
remolacha, el crudo de los jugos de azúcar son reactivados con cal. Esto
forma un sucrato de calcio insoluble, el cuales filtrado para remover los
materiales fosfáticos y ácidos orgánicos indeseables.
• Industrias de Gelatina y Gima Animal.- Los desperdicios provenientes
de obradores y rastros, consistentes en huesos y vísceras son tratados con
cal en forma de lechada. Este proceso dilata el colágeno, facilitando por
tanto su subsecuente hidrólisis. Después de alcalinizado, el material, se
lava para quitar la cal, la alúmina y la mucina. El material lavado es secado
y el producto final es vendido como goma o gelatina.
• Industria Panificadora.- En la preparación de un tipo común de "polvo
para hornear" se requiere fosfato monocálcico como un ingrediente. Este
27
se hace mediante la reacción de ácido fosfórico puro, con una cal de muy
alto contenido de calcio.
• Industria Harinera de Maíz.- Su aplicación se remonta a la época
precolombina, que ya utilizaban la cal en nixtamalización (Maíz hervido en
agua) que después de ablandarse se muele para obtener masa, la cual
sirve para elaborar tortillas, tamales y antojitos mexicanos.
• Control atmosférico en el almacenaje de frutas y le gumbres.- En el
control atmosférico de almacenaje de frutas y legumbres, se colocan
bolsas de cal hidratada sobre ganchos en el cuarto de almacenaje, para
absorber el CO2 exudado que produce el madurado fresco. De esta
manera, se mantiene una alta relación de oxígeno y dióxido de carbón,
permitiendo a las frutas y vegetales permanecer frescos más largos
períodos de almacenaje.
1.3.4 INDUSTRIA DEL PAPEL
En la figura 1.4 se presenta la tendencia de la industria del papel de usar
procesos alcalinos en lugar de procesos ácidos, el carbonato de calcio precipitado
(CCP), está siendo empleado cada vez más como agente saturador para
aumentar la calidad del papel revestido y sin revestir. El CCP se hace agregando
agua a la cal viva de alto contenido de calcio, haciendo reaccionar la lechada
mediante la aplicación de dióxido de carbonos soplado. La tendencia es producir
CCP en forma de lechada en plantas satélites localizadas cerca de los molinos de
papel, usando cal viva comercial. El CCP también es usado para regular la
brillantez, el color, y la tersura del papel.
28
Figura 1.4 Industria del papel
1.3.5 INDUSTRIA MINERA
Las cales son muy usadas en la flotación, o para la recuperación de
muchos metales no ferrosos, en especial la flotación de minerales de cobre,
donde la cal actúa como sedimentador (activo asentador), manteniendo una
apropiada alcalinidad. En la recuperación del mercurio proveniente de la mezcla
de zinc natural cristalizado, la cal es usada para remover el sulfuro. De igual
manera, en la flotación de zinc, níquel y metales antifriccionantes de mineral de
plomo. Así también, frecuentemente es usada como un agente conservador para
ayudar a la recuperación de xanatos, que es otra flotación química.
La cal también se usa mucho en la recuperación de oro y plata, en el
proceso con cianuro, para aminorar la pérdida de cianuro, un costoso reactivo en
la flotación, y para el control del potencial hidrógeno (ph).
1.3.6 INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
La cal se usa en el refinado de petróleo para neutralizar el azufre orgánico.
Los gases nocivos de H2S y SO2 son pasados a través de unas torres de
absorción conteniendo una lechada de cal, donde esos gases sulfúricos son
absorbidos, para evitar contaminación atmosférica y la corrosión de los equipos.
29
La cal también es usada para hacer aditivos del aceite de motores a base
de sulfonato de calcio. El tipo más común de grasas lubricantes es una grasa a
base de cal hecha mediante la saponificación de aceites de petróleo con cal, en
un proceso relacionado con la fabricación de jabón. En la perforación de petróleo,
la cal hidratada es una de las materias primas frecuentemente usadas para
condicionar el barrenado de lodos.
Debida a la gran cantidad de agua requerida en el refinamiento del
petróleo, la cal se usa con frecuencia para controlar el ablandamiento, la
coagulación y la corrosión. Así mismo, se ha usado para romper las emulsiones
de aceite en el tratamiento de desperdicios de petróleo. En la recuperación
secundaria de petróleo de los campos de petroleros a través de un proceso
conocido como "flotado de agua", la cual es frecuentemente usada para
condicionar el agua, la cuales inyectada dentro de los asientos de petróleo. La
figura 1.5 presenta la extracción de petróleo utilizando la cal.
Figura 1.5 Industria del petróleo
1.3.7 INDUSTRIA QUÍMICA
• Petroquímicos.- La cal es requerida en la producción de etilenglicol o
propilenglicol por el proceso "Chlorohidrine". El gas etileno obtenido
30
fácilmente por las refinerías de petróleo, es clorinatado para formar etileno
diclorado.
• Blanqueadores.- Las formas más comunes de cloro seco son: el cloruro
de cal con un contenido disponible de cloro de 25 a 30 %, y por otra parte,
el hipoclorito de calcio (70 % disponible de cloro) de alta prueba. Ambos
tipos de productos se hacen mediante la intervención de cloro gaseoso y
cal hidratada de alto contenido de calcio, a través de varios procesos
diferente. En todos ellos, la cal juega el papel de un absorbente y un
portador de cloro.
• Tintas y Colorantes Intermedios .- En la producción de colorantes
azoado, la cal puede ser usada para proveer de un medio alcalino para los
reactantes y para acelerar la proporción de la reacción, removiendo el
cloruro hidrogenizado conforme se va formando durante el proceso.4
1.3.8 ESTABILIZACIÓN DE SUELOS
La cal es muy utilizada en la estabilización de suelos, como se muestra en
la figura 1.6, ya que la adición de la misma aumenta su resistencia en forma
permanente ya sea para los efectos de la acción del agua o de otros agentes
dañinos.
La cal puede estabilizar permanentemente el suelo fino empleado como
una subrasante o subbase, para crear una capa con un valor estructural
significativo en el sistema del pavimento. Los suelos tratados pueden ser del lugar
(subrasante) o bien, de materiales de préstamo.
La estabilización de la subrasante por lo general implica mezcla en el lugar
y generalmente requiere la adición de cal de 3 a 6 por ciento en peso del suelo
seco.5
4 www.calhidra.com.mx/Lsosindustriales.html#acero 5 Manual de Estabilización del Suelo Tratado con Cal, Nacional Lime Association, 2004, pp 11-16.
31
Figura 1.6 Estabilización de suelos a base de la ca l
1.4 PORCENTAJE DE CONSUMO DE LA CAL
La cal producida a nivel industrial es utilizada en varios sectores
productivos, ya sea como producto necesario para procesos industriales, (caso de
la siderurgia), o bien como componente del producto final fabricado, (caso de la
construcción).
En este sentido los principales porcentajes consumo en la industria se
presentan a continuación:
• 61% Para la industria siderúrgica y metalúrgica no férrea.
• 13% Para la industria química.
• 10% Para la construcción.
• 9% Para el tratamiento de aguas, gases, y depuración de aguas y suelos.
32
• 1% Para tratamiento de suelos en agricultura.
• 6% Para exportación (En los países donde la industria de la cal está
desarrollada).
Es decir la cal es un material versátil, necesario en múltiples sectores industriales.
1.5 MANEJO ADECUADO DE LA CAL
El manejo de la cal tiene una incidencia de manera directa en la utilidad de
la misma como por ejemplo:
• El tiempo para el curado de suelos estabilizados con cal puede reducirse
empleando cales hidráulicas o añadiendo una puzolana a las cales no
hidráulicas.
• La cal viva tiene que ser hidratada antes de emplearse en obras de
construcción, por ello esto debe hacerse tan pronto como sale del horno,
ya que la cal hidratada es mucho más fácil de guardar y transportar.
• Para evitar un rápido deterioro de la cal hidratada seca, debe ser guardada
en bolsas herméticas.
• Es ventajoso guardar la cal en forma de pasta. Esto puede hacerse
indefinidamente, ya que la calidad de la pasta de cal mejora mientras más
tiempo esta guardada. Con este método, son apagadas incluso las
partículas de cal viva de más lenta hidratación, evitando así el
hinchamiento de la cal en una etapa posterior.
• Se necesitan esfuerzos similares para reivindicar la cal como uno de los
materiales de construcción más importantes.
33
1.6 PRINCIPALES PROBLEMAS EN EL MANEJO DE LA CAL
En el manejo de la cal existen una serie problemas que surgen debido al
mal manejo de la misma, como por ejemplo:
• La estabilización de suelo con cal requiere más de dos veces el tiempo de
curado necesario para el suelo estabilizado con cemento.
• Si la cal viva es guardada en condiciones húmedas (incluso con aire
húmedo), se hidratará.
• La cal hidratada, guardada por mucho tiempo, reacciona gradualmente con
el dióxido de carbono en el aire y se vuelve inservible.
• El hinchamiento de la cal (hidratación de los nódulos de cal viva restantes)
puede tener lugar mucho tiempo después de que el componente se haya
secado, causando ampollas, grietas y superficies feas.
• La lechada de cal ordinaria tardan en endurecerse, y son fáciles de retirar
frotándolos.
• La cocción tradicional de la cal en hornos intermitentes desperdician mucho
combustible (generalmente leña) y a menudo producen cales no uniformes,
de baja calidad (sobre o subcocidas).
• El valor de la cal esta muy subestimado, especialmente desde que el
cemento se ha convertido en una clase de aglomerante «milagroso» en
casi todas partes.
34
CAPÍTULO II
PRODUCCIÓN DE CAL E INFORMACIÓN TÉCNICA
2.1 ETAPAS DE PRODUCCIÓN DE LA CAL
Los procesos para la obtención de la cal, están descritos brevemente a
continuación:
• Extracción: Se desmonta el área a trabajar y se lleva a cabo el descapote,
posteriormente se barrena aplicando el plan de minado diseñado, se
realiza la carga de explosivos y se procede a la voladura primaria,
monitoreo, tumbe y rezagado, carga y acarreo de la piedra caliza extraída
hacia la planta de trituración. La figura 2.1 muestra la manera como se
extrae la piedra caliza desde las minas.
Figura 2.1 Extracción de la piedra caliza
• Trituración: Posteriormente es sometida a un proceso de trituración que
arrojará como producto trozos de menor tamaño que serán calcinados en
hornos verticales. También puede realizarse una trituración secundaria
35
cuando se requieren fragmentos de menor tamaño y se tienen hornos
rotatorios para calcinar.
• Calcinación: La cal es producida por calcinación de la caliza o de las
dolomita trituradas por exposición directa al fuego en los hornos. En esta
etapa las rocas sometidas a calcinación pierden dióxido de carbono y se
produce el óxido de calcio (cal viva).
• Enfriamiento: Posteriormente se somete a un proceso de enfriamiento
para que la cal pueda ser manejada y los gases calientes regresan al horno
como aire secundario.
• Inspección: Se inspecciona cuidadosamente las muestras para evitar
núcleos o piezas de roca sin calcinar. La figura 2.2 muestra como se
realiza la inspección tanto de la materia prima, caliza, y de los cal viva.
Figura 2. 2 Inspección de la cal obtenida
• Cribado: Se somete al cribado con el fin de separar la cal viva en trozo y
en guijarros (piedra pequeña, redondeada y lisa) de la porción que pasará
por un proceso de trituración y pulverización.
36
• Trituración y pulverización: Se realiza con el objeto de reducir aún más
el tamaño y así obtener cal viva molida y pulverizada, la cual se separa de
la que será enviada al proceso de hidratación.
• Hidratación: Consiste en agregar agua a la cal viva para obtener la cal
hidratada. A la cal viva dolomítica y alta en calcio se le agrega agua y es
sometida a un separador de residuos para obtener cal hidratada normal
dolomítica y alta en calcio. Únicamente la cal viva dolomítica pasa por un
hidratador a presión y posteriormente a molienda para obtener cal
dolomítica hidratada a presión.
• Envase almacenamiento y embarque: La cal es llevada a una tolva de
envase e introducida en sacos y transportada a través de bandas hasta el
medio de transporte que la llevará al cliente.6
La figura 2.3 muestra como se realiza el almacenamiento de la cal viva y de
la cal hidratada.
Figura 2.3 Almacenamiento de la cal
6 http://calalbors.com.ar/historial.htm
37
2.2 DIAGRAMA DE FLUJO EN LA MANUFACTURA DE LA
CALIZA
Para la obtención de cal viva y de cal hidratada a partir de la caliza es
necesario seguir un proceso de manufactura controlado, como el que se presenta
en la figura 2.4.
Piedra caliza
Cantera y minas (Extracción de caliza)
Almacenamiento del material en bruto
Trituración primaria
Filtrado y clasificación
Trituración secundaria
Filtrado y clasificación
Pulverización
Filtrado y clasificación
Productos de la caliza
Piedra fina
Piedra gruesa
Productos de la cantera
Calcinación
Enfriamiento
Inspección
Filtrado
Terrones de cal viva
Hidratadores
Moliendas
Almacenamiento de cal hidratadaempaquetamiento y distribución
Pulverizado de cal viva
Hidratadores
Separadores
Cal de alta calidadalmacenamiento y distribución
Triturado y pulverizado
Piedra pulverizada
Figura 2.4 Diagrama de flujo de la caliza Fuente: Midwest Research Institute, Sección 11.15, Manufactura de la cal.
38
2.3 HORNOS PARA LA PRODUCCIÓN DE CAL
Un horno de cal es una construcción en la cual la piedra caliza es
calentada a una temperatura tal que libere el CO2, convirtiendo la piedra caliza en
cal viva. El calor es proporcionado por combustibles adecuados que pueden ser
colocados en capas entre la piedra caliza o mezclados con ésta. Los combustibles
gaseosos o líquidos son inyectados por los lados del horno o quemados en
cámaras adyacentes, desde las cuales los gases calientes ingresan al horno.
Es necesario un control cuidadoso para mantener la temperatura correcta
el tiempo suficiente como para quemar completamente la piedra para la correcta
manufactura posterior que es la cal hidratada.
La piedra caliza subhorneada no se hidratará, mientras que el material
sobrehorneado es muy duro y denso para apagarse, o se hidrata muy lentamente.
2.4 COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS HORNOS
2.4.1 CIMIENTOS Y BASE DEL HORNO
El terreno debe ser firme y con las dimensiones adecuadas para soportar
al cuerpo del horno y al contenido del mismo, las cimentaciones deben ser
diseñadas con un criterio adecuado desde el punto de vista de ingeniería.
2.4.2 FORMA Y DIMENSIONES
El área de la sección transversal está relacionada a la producción deseada,
una planta circular proporciona una mejor distribución del calor; la relación entre
altura y diámetro debe ser al menos de 4:1 para un flujo de gas óptimo; la altura
debe estar relacionada al tipo de piedra caliza, ya que las piedras suaves tienden
a molerse bajo la presión, restringiendo así el flujo del gas, los fustes que se
adelgazan hacia la parte superior (a un ángulo aproximadamente de 3° )
39
minimizan las «piezas colgantes» (piedras que se adhieren a los lados y forman
arcos).
2.4.3 PAREDES ESTRUCTURALES.
Las paredes deben soportar la presión lateral de la piedra caliza,
proporcionando un mayor grosor de la pared en la base, o contrafuertes, o
mediante bandas de tracción de acero a intervalos de 800 mm, deben resistir el
agrietamiento que podrían ocasionar la expansión del calor (empleando pequeños
ladrillos en lugar de bloques grandes, mortero de arena y cal en juntas angostas);
el espesor de la pared debe tener 500 mm como mínimo para un buen
comportamiento térmico y debe ser un material resistente a los agentes
atmosféricos.
2.4.4 REVESTIMIENTO
El revestimiento debe tener un espesor de 220 mm como mínimo, en la parte
superior del horno, resistente a la erosión (ejem. piedra dura o ladrillos azules
especiales); en la zona de cocción y debajo, resistente al calor y a la acción
química (ladrillos refractarios duros, de textura fina colocados con juntas muy
finas de mortero de arcilla cocida).
2.4.5 COMBUSTIBLES
2.4.5.1 Madera
La cocción con madera produce algunas de las cales de mejor calidad, ya
que éstas se hornean con llamas largas y uniformes que generan vapor (por el
contenido de humedad de la madera), lo cual ayuda a disminuir la temperatura
necesaria para la disociación (separación del CO2 de los carbonatos), reduciendo
así el peligro de cocción excesiva.
40
El abastecimiento de madera debería estar cercano al horno para evitar
altos costos de transporte. Para la producción de cada tonelada de cal hidratada
se necesita aproximadamente. 2 m3 de madera. Esto es un problema, en vista de
la rápida depredación de las fuentes de madera, pero una posible solución es
fomentar plantaciones de madera combustible.
2.4.5.2 Carbón de leña
El carbón de leña da una eficiencia mayor, pero la cal producida no es tan
buena como la horneada con madera.
2.4.5.3 Coque
El coque es preferible debido a su bajo contenido volátil (hidrocarburos que
se puedan evaporar), pero es difícil de prender y, por lo tanto, a menudo es
mezclado con carbón de piedra.
2.4.5.4 Combustibles líquidos
Los combustibles líquidos y gaseosos, aunque más caros, son más fáciles
de manipular que los combustibles sólidos, y se queman sin producir cenizas que
contaminen la cal.
Los tipos principales son los aceites combustibles pesados, a menudo
mezclados con aceite usados en motores. El combustible es vaporizado,
mezclado con aire y prendido en cámaras ubicadas alrededor del horno,
produciendo llamas grandes antes de hacer contacto con la piedra caliza.
Los gases de petróleo licuados, principalmente propano (C3H8) y butano
(C4H10), son otros combustibles líquidos empleados. Igualmente se emplea el
gas natural, como el metano (CH4), y el gas producido, hecho de madera, material
vegetal o carbón de piedra.
41
2.4.5.5 Combustibles alternativos
• Si se emplean aceites o gases, los hornos necesariamente deberán ser
más sofisticados que los empleados con combustibles sólidos.
• Los posibles combustibles alternativos son la turba, los esquistos y la
biomasa, derivados de materiales vegetales incluyendo residuos forestales
y agrícolas. Pueden emplearse de diferentes maneras.
• La energía solar y eólica son poco probable de emplearse en un futuro
cercano.7
2.4.5.6 Principal característica de los combustibles
La principal característica de un combustible es su poder calorífico, que es
el calor desprendido por la combustión completa de una unidad de masa
(kilogramo) de combustible. Este calor o poder calorífico, también llamado
capacidad calorífica, se mide en Joule, caloría o BTU, dependiendo del sistema
de unidades.
La tabla 2.1 presenta el poder calórico de los principales combustibles
utilizados en los hornos para la producción de cal.
7 www.ces.iisc.ernet.in/energy/HC270799/HDL/spanish/sk01ms/sk01ms09.htm
42
Tabla2.1 Poder calórico de combustibles
Combustible MJ/kg kcal/kg
Gas natural 53,6 12 800
Acetileno 48,55 11 600
Propano, Gasolina, Butano 46,0 11 000
Gasoil 42,7 10 200
Fuel oil 40,2 9 600
Coque 32,6 7 800
Fuente : Propia
Elaborado por: Edison Montaluisa y Henry Tipán
2.4.6 ESTUDIO DEL MATERIAL REFRACTARIO
Son refractarios aquellos materiales capaces de soportar elevadas
temperaturas. Los materiales refractarios por excelencia son los cerámicos.
2.4.6.1 Características
Los refractarios deben soportar altas temperaturas sin corroerse o
debilitarse por el entorno. Los refractarios típicos están compuestos por diversas
partículas gruesas de óxido aglutinadas con un material refractario más fino.
2.4.6.2 Aplicaciones
El material refractario, se utiliza en todos los hornos industriales que se
usan en industria siderúrgica y metalúrgica, (en los cuales se incluyen los hornos
para la obtención de cal), refinerías de petróleo, industria química, cementeras,
ladrilleras, cerámicas, industrias del vidrio, etc.
43
2.4.6.3 Tipos de material refractario
Los materiales refractarios se dividen en cuatro grupos:
• Refractarios Ácidos : Normalmente incluyen la arcilla de sílice, arcilla de
alúmina y refractarios de arcilla. La sílice pura a veces se utiliza para
contener metal derretido. Contenidos de alúmina por arriba de
aproximadamente 50% constituyen los refractarios de alta alúmina. Los
refractarios de arcilla por lo general son relativamente débiles, pero poco
costosos.
• Refractarios Básicos : Varios refractarios se basan en el MgO (magnesia
o periclasa). El MgO puro tiene un punto de fusión alto, buena
refractariedad buena resistencia al ataque por los entornos que a menudo
se encuentran en los procesos de fabricación de acero. Típicamente, los
refractarios básicos son más costosos que los refractarios ácidos.
• Refractarios Neutros : Normalmente incluyen la cromatina y la magnesita,
pueden ser utilizados para separar refractarios ácidos de los básicos,
impidiendo que uno ataque al otro.
• Refractarios Especiales : El carbono, el grafito, son materiales utilizados
en muchas aplicaciones refractarias, particularmente cuando no hay
oxígeno fácilmente disponible. Estos materiales refractarios incluyen la
zirconia (ZrO2), el zircón (ZrO2.SiO2) y una diversidad de nitruros,
carburos y boruros.
2.4.6.4 Presentación del material refractario
• Mortero refractario Se utiliza como material de agarre, revestimiento de
paredes, y para tomar las juntas entre hiladas de ladrillo refractario.
44
• Ladrillo refractario : El ladrillo refractario tiene sus caras lisas, lo que
disminuye la adherencia con el mortero, resiste bien las altas temperaturas
y la abrasión, es buen aislante térmico y es relativamente caro
(actualmente el precio de un ladrillo refractario equivale aproximadamente
al precio de diez ladrillos comunes). La figura 2.5 presenta la forma típica
de los ladrillos refractarios.
Figura 2.5 Ladrillos refractarios para hornos de se cción circular
2.5 TIPOS DE HORNOS PARA LA PRODUCCIÓN DE CAL
2.5.1 HORNO DE COLUMNA
Este tipo de hornos utiliza la piedra caliza con un rango de 50 a 150 mm
de longitud y un radio aproximado de 2 a 1 con lo respecta a su longitud. El
combustible más ampliamente utilizado es de un grado denso de coque con baja
reactividad y bajo contenido de ceniza, dicho combustible es más liviano y
pequeño que la caliza y se mueve goteando entre los intersticios.
La calidad de la cal tiende a ser moderada, con una reactividad baja. La
retención de azufre del combustible es alta.
Las zonas de trabajo en este tipo de horno son las siguientes:
a) Zona de precalentamiento: La piedra caliza es precalentada desde la
temperatura ambiente hasta 800°C por el contacto di recto con los gases
provenientes de la zona de calcinación, es decir los gases de combustión.
45
b) Zona de calcinación: El combustible se quema en aire precalentado de la
zona de enfriamiento y (dependiendo del diseño) en el aire adicional de la
“combustión” agregado con el combustible. Esto produce una temperatura
sobre los 900 °C y causa la disociación de la pied ra caliza en el bióxido de
la cal viva y de carbono.
c) Zona de enfriamiento. La cal viva que sale de la zona de calcinación a
900 °C, es enfriada por el contacto directo con ai re que entra por la parte
inferior del horno.
En la figura 2.6 se presenta el horno de columna y sus elementos principales.
Figura 2.6 Horno de columna
46
2.5.2 HORNO DE COLUMNA DOBLE INCLINADO
Este es esencialmente rectangular en su sección transversal, pero
incorpora dos secciones en la zona de calcinación. Los arcos fuera de lugar
crean espacios en los cuales el combustible y el aire precalentado de combustión
son quemados vía la cámara de combustión.
El aire frío es arrastrado a la base del horno donde es precalentado,
secado y reinyectado vía la cámara de combustión. La carga y el combustible son
quemados desde ambos lados, asegurándose una distribución de calor eficiente.
La figura 2.7 presenta la distribución de los flujos de aire de enfriamiento,
de combustible, de piedra caliza y de la cal viva en los hornos de columna doble
inclinado.
Figura 2.7 Horno de columna doble inclinado
47
2.5.3 HORNO DE COLUMNA DE MÚLTIPLES CÁMARAS
Es un desarrollo del horno doble inclinado. Consiste de 4 o de 6 secciones
inclinadas en la zona de calcinación, opuesta cada una en el arco. El arco sirve
para el mismo propósito del horno doble inclinado.
El aire frío es precalentado por la cal en la zona de enfriamiento y es
llevado, desempolvado y reinyectado vía la cámara de combustión.
Una de las características es que la temperatura de las cámaras de
combustión bajas puede ser variada para controlar la reactividad de la cal en un
amplio rango.
2.5.4 HORNO REGENERDOR DE FLUJO PARALELO
La principal característica de este horno es que cuenta con dos columnas
interconectadas. El lote de caliza es cargado alternadamente a cada columna, se
distribuye por gravedad hacia abajo a través de la zona de precalentamiento o
intercambiador de calor regenerativo, atraviesa el lanzado de combustible en la
zona de calcinación, se produce la disociación del carbonato de calcio en óxido de
calcio (cal viva) y dióxido de carbono, finalmente la cal viva pasa a través de la
zona de enfriamiento y es descargada del horno.
La operación del horno consiste en dos períodos iguales, el primer período,
el combustible es inyectado a través de los quemadores en la columna 1 y
quemado en el aire de combustión soplado hacia debajo de esta columna, los
gases pasan a la columna 2 por el canal, precalienta la su carga y salen del
horno, luego de un tiempo prudente ocurre lo inverso, se produce la combustión el
la columna 2 y los gases de escape pasan por el canal, precalientan la carga y
son evacuados hacia la atmósfera.
El método de operación anteriormente incorpora dos principios
importantes: El paquete de piedra en la zona de precalentamiento en cada
48
columna actúa como un intercambiador de calor regenerativo además,
precalienta la piedra a la temperatura de calcinación. Este es luego recobrado
desde la piedra al aire de combustión en la segunda columna. Como resultado,
el aire de combustión es precalentado hasta 800ºC.
La calcinación es completada a nivel del canal transversal de comunicación
entre las columnas a una temperatura sobre los 1100ºC, ésto favorece la
producción de cal viva altamente reactiva, que puede ser producida con un bajo
contenido de CaCO3, debido a que el horno es diseñado para operar con un alto
exceso de aire (nada de aire de enfriamiento es requerido para la combustión), el
nivel de CO2 por volumen es bajo, alrededor del 20%. La figura 2.8 se presenta
un esquema de las principales secciones que conforman el horno regenerativo de
flujo paralelo.
Figura 2.8 Horno regenerador de flujo paralelo
49
2.5.5 HORNO ROTATORIO LARGO
El tradicional horno rotativo consiste en un cilindro giratorio (sobre los
140m de largo). Inclinados en un ángulo de 1 a 4º, la caliza es alimentada por la
parte superior, mientras que el aire y el combustible son quemados en la parte
interna. La cal viva es descargada en un enfriador, el cual es usado para
precalentar el aire de combustión, son usados varios diseños de enfriadores,
incluyendo el planetario que es un conjunto de unidades montadas en la periferia
del horno, viajando por mallas y varios tipos de enfriadores de columnas de
contra flujo. La figura 2.9 muestra un esquema del horno rotatorio largo.
Muchos hornos de este tipo tienen características internas para recobrar
el calor desde los gases del horno y precalentar la caliza, como los siguientes:
1.- Cadena (en hornos alimentados con todo el carbonato de calcio).
2.- Divisiones metálicas y láminas refractarias que efectivamente dividen el
horno en tubos pequeños.
3.- Elevadores que hacen que la piedra caiga como cascada a través de los
gases.
4.- Represas refractarias internas que permiten incrementar el tiempo de
residencia de la carga.
Este horno puede aceptar un rango amplio de medidas de caliza desde
60mm hasta polvo.
Una interesante característica es que las piedras grandes en el avance de
la cama migran hacia fuera de ésta, mientras que las pequeñas se concentran en
el centro de estas, como resultado las piedras grandes están expuestas a más
altas temperaturas que las pequeñas, como resultado la sobre calcinación de las
fracciones finas pueden ser evitadas.
50
Figura 2.9 Horno rotatorio largo
Existen hornos provistos con precalentadores, son más pequeños que los
hornos rotatorios convencionales, el calor usado decrece debido a la reducción de
pérdidas por convección y radiación, así como el incremento del calor recobrado
desde los gases de combustión.
Un número de diseño de precalentadores ha sido desarrollado, incluyendo
el horno vertical y viaje por malla. El precalentador debería ser seleccionado de
acuerdo a los tamaños de la piedra y basado en las propiedades de la caliza.
La eliminación de azufre es difícil en los hornos precalentados. Hay un sin
número de formas para poder eliminarla, las cuales se describen a continuación:
• Establecer purgas de SO2 con alguna toma para gases del horno
alrededor del precalentador.
• Operando el horno bajo condiciones reducidas e introduciendo aire
adicional en la salida.
51
CAPÍTULO III
ESTUDIO DE ALTERNATIVAS
3.1 PLANTEAMIENTO DE LAS NECESIDADES
La necesidad del desarrollo de un horno para la producción de cal está
basada en el crecimiento de la industria minera y la disminución de los costos de
producción de la misma.
Varios aspectos son los limitantes del desarrollo en esta área, ya sean
aspectos económicos, es decir falta de inversión para la construcción de un
horno, aspectos estratégicos como lo son la falta de visión para una producción
rentable y el estudio de oportunidades y debilidades frente a la competencia.
El país únicamente cuenta con un horno de producción de cal a nivel
industrial, que no satisface las necesidades nacionales en el consumo de cal.
En la actualidad el proceso de la obtención de cal viva y cal hidratada en el
Ecuador, es un proceso poco tecnificado, es por eso que para el planteamiento
de alternativas, se considerará mejorar los niveles de producción y mejorar las
condiciones laborales del trabajador en la etapa de la recolección de la cal.
52
3.2 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS GENERALES
3.2.1 PARÁMETROS FUNCIONALES
Los parámetros funcionales son proporcionados por la empresa auspiciante
LUMOIL LTDA, los cuales satisfacen la necesidad de la implementación de un
horno para la producción de cal, debido a la existencia de dicho recurso natural
presente en la Provincia de Manabí, en la ciudad de Manta.
• Tipo: Horno regenerativo de flujo paralelo.
• Capacidad nominal: 120 toneladas por día
• Combustible utilizado: Fuel oil Nº 6 (Bunker C)
• Tamaño del material cargado: De 60 a 100 mm de diámetro equivalente
de la caliza.
3.2.2 AMBIENTE DE TRABAJO
• Lugar de operación: Exposición directa al medio ambiente.
• Temperatura de trabajo: En un rango 20ºC a 35 ºC.
• Humedad relativa: En un intervalo de 30% a 50%.
3.3 ESTUDIO DE ALTERNATIVAS
El desarrollo de las alternativas se basa en dos hornos de similar
funcionamiento pero con diferencias marcadas en varios puntos de vista como
son:
� Su forma
� Consumo energético
� Restricciones constructivas
� Distribución de material
� Distribución de calor
53
Es necesario acotar que las dos alternativas constan del mismo sistema de
distribución de materia prima y del mismo sistema de descarga del producto final.
A continuación se presenta un análisis de las dos alternativas de diseño:
3.3.1 ALTERNATIVA Nº 1
HORNO REGENERATIVO DE FLUJO PARALELO CIRCULAR
La figura 3.1 presenta los principales componentes del horno regenerativo de flujo
paralelo de sección circular.
Figura 3.1 Horno regenerativo de flujo paralelo cir cular
54
3.3.1.1 Principales características
3.3.1.1.1 Canal colector de los gases de combustión
El horno circular cuenta con un canal el cual toma los gases de combustión
y asegura la entrada de gas de forma radial en las cámaras para el
precalentamiento de la carga de materia prima.
En la figura 3.2 se presenta la distribución de los flujos de trabajo en el
canal colector de gases de combustión.
Figura 3.2 Canal colector de gases de co mbustión
3.3.1.2.1 Facilidad de construcción
Debido a su geometría circular, es necesario realizar procesos de manufactura
relativamente complejos para la obtención de las formas deseadas.
55
3.3.1.2.2 Alimentación de la materia prima
Consta de una tolva giratoria, la que permite una mejor distribución de la
materia prima.
3.3.1.2.3 Características de la cal obtenida
La cal viva obtenida en este horno es la de mayor calidad posible en
referencia a todos los hornos existentes, debido a que la carga de material, la
distribución del flujo de calor y el suministro de combustible son completamente
uniformes, la cal tiene un alto grado de reactividad.
3.3.1.2.4 Ubicación de los quemadores
Los quemadores están ubicados en la zona de precalentamiento, es
necesario que la llama se propague de forma vertical a la largo del horno con el
fin de evitar el contacto entre la llama y la capa de refractario y evitar los efectos
de sobrecalentamiento en las paredes del horno.
3.3.1.2.5 Requerimiento de combustible
El combustible más utilizado en este tipo de hornos es el de naturaleza
líquida, debido a que se genera menor cantidad de ceniza en relación con los
combustibles sólidos y su almacenamiento es más fácil en comparación con los
combustibles gaseosos.
3.3.1.2.6 Distribución de los gases de combustión
Los gases de combustión entran en forma radial a la cámara donde se
producirá el precalentamiento de la caliza, con lo cual se logra una mejor
distribución de de calor.
56
3.3.1.2 Ventajas
� Mejor distribución de material cargado en el horno.
� Excelente distribución del calor.
� Menor cantidad de concentradores de esfuerzos térmicos.
� Buena distribución de los gases de escape.
� No se generan turbulencias por tanto la calidad de la cal obtenida es
uniforme y excelente.
� Debido a su sección circular se tiene menor cambios de sección por tanto
se tiene menor concentradores de oxidaciones.
3.3.1.3 Desventajas
� La colocación del ladrillo refractario en las paredes del horno es
complicada ya que se necesita trabajar en superficies curvas.
� La colocación de refractario en el canal del colector de los gases de
combustión requiere formas constructivas difíciles de obtener por lo que se
produce mucho desperdicio, con lo cual aumenta los costos de
implementación de la capa de aislamiento.
� Debido a la geometría del canal es necesario colocar un sistema de
anclajes en V en secciones variables y pequeñas lo cual aumenta su costo
de construcción.
� Se necesita ladrillos refractarios circulares, y su precio es elevado en
relación a los ladrillos rectangulares.
57
3.3.2 ALTERNATIVA Nº 2
HORNO REGENERATIVO DE FLUJO PARALELO RECTANGULAR
La figura 3.3 presenta los principales componentes del horno vertical regenerativo
de flujo paralelo de sección rectangular.
Figura 3.3 Horno regenerativo de flujo paralelo rec tangular
58
3.3.2.1 Principales características
3.3.2.1.1 Tolva
La caliza se descarga en una tolva, la misma que realiza la recepción del
producto. En esta se encuentra un mecanismo que distribuye la caliza a cada una
de las torres del horno.
3.3.2.1.2 Torre
El horno debido a su capacidad y para mejor aprovechamiento de la
energía del combustible consta de dos torres, las cuales por separado tienen
todos los elementos para la obtención de cal.
3.3.2.1.3 Estructura
La misma que servirá para soportar las líneas de alimentación de aire y de
combustible, la carga del horno y otros elementos adicionales.
3.3.2.1.4 Línea de alimentación de aire
El aire que ingresa para la combustión del combustible, tiene su propia
línea para cada torre, el mismo que se precalentará con los gases de escape. La
línea está ubicada en la parte superior de la torre.
3.3.2.1.5 Línea de alimentación de combustible
El combustible ingresa por una línea diferente a cada torre, la misma que
conduce hacia el quemador. La línea está ubicada en la parte superior de la torre.
3.3.2.1.6 Quemador
Cada torre consta con varios quemadores para mezclar el combustible con
el aire, con el objeto de preparar el combustible la combustión.
59
3.3.2.1.7 Cámara de combustión
Cada torre consta de una cámara de combustión, las que están conectadas
por una unión en la parte inferior de cada torre.
3.3.2.2 Ventajas
� La cal obtenida es de buena calidad.
� Permite obtener gran capacidad de producción diaria.
� El aprovechamiento del combustible es alto.
� No existen tiempos muertos en el proceso.
� El manejo del horno no es complejo.
3.3.2.3 Desventajas
� Presenta dificultades al momento de realizar el mantenimiento por su
tamaño.
� La distribución de los gases de escape no es uniforme ya que se
generan turbulencias que afectan en la calidad de la cal viva obtenida.
� Debido a su geometría se forman ángulos rectos en los elementos que
conforman el horno lo cual genera concentración de oxidaciones.
� Es un equipo altamente contaminante en relación a otros de su misma
naturaleza.
3.4 SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA A DISEÑARSE
La selección de la alternativa se basa en los criterio de comparación que
tienen una valoración de 1 a 10, además se presenta un factor de importancia
entre cada uno de los criterios, como se presenta en la tabla 3.1.
60
Cabe señalar que el valor dado para el criterio costo es la suma de los
valores asignados a los restantes criterios de comparación.
Tabla3.1 Criterio de comparación y códigos de equiv alencia
CODIGO DE EQUIVALENCIA
CRITERIO DE COMPARACION Valoración 10 Valoración 1
Facilidad de mantenimiento.
Fácil Difícil
Ahorro energético
Alto Bajo
Calidad de la cal viva
Alta Baja
Facilidad de construcción
Fácil Difícil
Facilidad de montaje y desmontaje
Fácil Difícil
Contaminación ambiental
Baja Alta
Materiales de construcción (Peso)
Bajo Alto
Costo
Económica Costosa
Fuente : Propia
Elaborado por: Edison Montaluisa y Henry Tipán
En base a la valoración de cada criterio de comparación, la evaluación de
las alternativas se presenta en la tabla 3.2.
61
Tabla3.2 Evaluación de alternativas
SELECCIÓN DE ALTERNATIVA DEL HORNO
ALTERNATIVAS
CRITERIO DE COMPARACIÓN HORNO DE SECCIÓN
CIRCULAR
HORNO DE SECCIÓN
RECTANGULAR
FACTOR DE IMPORTANCIA
Facilidad de mantenimiento.
70 80 40
Ahorro energético
90 60 70
Calidad de la cal viva
90 70 80
Facilidad de construcción
70 80 60
Facilidad de montaje y desmontaje
70 80 60
Contaminación ambiental
80 60 80
Materiales de construcción (Peso Neto)
80 60 40
Costo
550 490 80
Valores totales de selección
1100 980
Orden de selección 1º 2º
Fuente : Propia
Elaborado por: Edison Montaluisa y Henry Tipán
Una vez evaluadas las alternativas se concluye que la alternativa de
solución más adecuada es la del horno de sección circular ya que su valor total
de selección es 1100 frente a 980 correspondiente al horno de sección
rectangular.
62
CAPÍTULO IV
DISEÑO DEL HORNO
4.1 CONSIDERACIONES DE DISEÑO
En el siguiente capítulo se presenta los cálculos correspondientes para el
desarrollo del horno. El desarrollo de los cálculos está basado primeramente
desde el punto de vista energético ya que la necesidad primordial es un bajo
consumo energético lo que contribuye a la disminución de los costo de producción
de forma directa.
Como segundo aspecto de análisis se toma en cuenta la parte estructural y
los sistemas auxiliares del horno.
4.2 DESARROLLO DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA
4.2.1 DESARROLLO DE LA CAPACIDAD DEL PROCESO
Debido a que la producción del horno es de 120 toneladas de cal por día es
necesario realizar un balance entre la carga de caliza y la cantidad de producción
requerida, tomando en cuenta la siguiente reacción química del carbonato de
calcio para producir la cal viva.
CaCO3+ calor → CaO + CO2 [4.1]
Para este análisis se parte del cálculo de los pesos moleculares tanto de
los reactantes como de los productos de la ecuación [4.1], mediante la siguiente
ecuación:
63
iPaxiW ∑= * [4.2]
Donde:
W : Es el peso molecular de un compuesto.
xi : Es el número de átomos de cada elemento químico.
Pai : Es el peso atómico del elemento.
Los pesos moleculares de los reactantes y de los productos se presentan
a continuación:
kmolkgWCaCO
kmolkgWCaCO
/100
/16*31240
3
3
=
++=
kmolkgWCaO
kmolkgWCaO
/56
/1640
=
+=
(Ver anexo 1, Propiedades de elementos y compuestos químicos, tabla periódica)
kmolkgWCO
kmolkgWCO
/44
/16*212
2
2
=
+=
Del cálculo anterior se concluye que por cada 100 kg de CaCO3 se
producen 56 kg de CaO y 44 kg de CO2.
La capacidad del proceso en el horno está dada por la siguiente ecuación:
fCprodCP *= [4.3]
64
Donde:
CP: Capacidad del proceso
Cprod : Capacidad de producción
f : Factor de carga de material
El factor de carga de material viene dado por la siguiente expresión:
kgCaO
kgCaCOf
kgCaO
kgCaCOf
3
3
785.1
56
100
=
=
Mediante la ecuación [4.3] se calcula la cantidad de caliza que es necesaria
cargar en el horno para obtener 120 Toneladas de cal.
3
3
28.214
785.1*120
*
CaCOTonCP
kgCaO
kgCaCOCaOTonCP
fCprodCP
=
=
=
Se concluye que para obtener una producción de 120 Toneladas de cal viva es
necesario suministrar en el horno una carga de 214.28 Toneladas de caliza.
4.2.2 DISTRIBUCIÓN DE LA CARGA
Existen varios aspectos que influyen en la composición química de la
caliza y en la posterior obtención de la cal viva, la que no puede ser controlada sin
un mayor impacto en el costo de fabricación, por lo tanto, las variaciones en su
calidad son generalmente aceptadas.
65
Uno de estos aspectos es la temperatura de calcinación, la que debe ser
estrechamente controlada.
Otro aspecto de importancia para lograr calentar en forma uniforme la
caliza, es el tamaño de las partículas que se alimentan al horno las cuales deben
ser relativamente uniformes.
En la figura Nº 4.1 se presenta una partícula grande en que el calor no
penetra hasta el centro de ésta, quedando carbonato de calcio en el corazón de la
partícula y recubierta por óxido de calcio, el centro de ésta partícula es lo que
llamamos arenilla. Para las partículas de tamaño medio, el calor penetra en su
totalidad completando la conversión de todo el carbonato en CaO. En la partícula
pequeña el calor llega rápidamente al corazón de la partícula y la cubierta de ésta
se sobre calienta formando una capa dura, donde el agua no puede penetrar,
entonces el proceso de apagado es retardado o impedido.
Figura 4.1 Formación de CaO
66
El aspecto más relevante es el tiempo de residencia largo en el horno
secador, el cual está ligado de forma directa al tamaño de la partícula de la caliza,
es recomendable que dicho valor esté en un rango de 20 a 30 horas, por tal
motivo se considera que la caliza permanece dentro del horno 24 horas.8
La figura 4.2 presenta en detalle el funcionamiento del horno.
Figura 4. 2 Esquema de funcionamiento del horno
8 Hornos Maerz RCE, Tecnología de la Calcinación y el Sinterizado, pp 5-6.
67
4.2.3 ANÁLISIS ENERGÉTICO DEL HORNO
4.2.3.1 Equilibrio térmico en el horno
En el balance energético del horno se tiene las siguientes condiciones de
análisis:
� Condiciones de estado estable
� Consideración de conducción unidimensional en un cilindro
� Combustión completa.
4.2.3.1.1 Flujos de calor en el horno
La figura 4.3 muestra los flujos de calor en el horno, las pérdidas de calor
por radiación, convección, conducción, pérdidas de calor en los gases de escape,
pérdidas de calor en la descarga de la cal viva y las pérdidas adicionales.
SISTEMA DECOMBUSTION
CALOR UTIL
PERDIDAS DE CALORDEBIDO A LOS GASES DE
ESCAPE
PERDIDAS DE CALOR PORCONDUCCION, CONVECCIONRADIACION Y ADICIONALES
VALOR CALORICO
Disociación
CALIZA
CAL VIVA
Figura 4.3 Flujos de calor en el horno
68
La totalidad del valor calórico no es aprovechado durante la combustión
para obtener el calor de disociación de la caliza para poder producir cal viva.
4.2.3.1.2 Calor de disociación
El calor útil es el necesario para producir la disociación de la piedra caliza
y se obtiene a partir de los calores de reacción de la siguiente ecuación química:
∑∑ −= .*.* hreactXihprodXiQ [4.4] 9
Donde:
Q : Es el calor de disociación de la caliza
Xi : Es el número de moles
hprod : Es la entalpía de formación de los productos.
hreact: Es la entalpía de formación de los reactantes.
Los valores de las entalpías de formación de los compuestos presentes en
la reacción se muestran en la tabla 4.1.
Tabla 4.1 Entalpías de formación
Compuesto Entalpías de formación (Kcal/mol)
Carbonato de calcio CaCO3 -289.5
Dióxido de carbono CO2 -94.054
Óxidos de calcio CaO -151.7
Fuente : PERRY R, Chemical Engineers` Handbook, 7ª Edición.
(Ver anexo 1, Propiedades de elementos y compuestos químicos, entalpías de formación)
9 CENGEL Y, Termodinámica Tomo II, Editorial McGraw Hill, México, 2000, Cap 14.
69
Por lo tanto el calor necesario para la disociación es:
mol
KcalndisociacióQ
ndisociacióQ
disociacónQ
746.43
5.289754.245
)5.289()054.947.151(
=
+−=
−−−−= ∑∑
CaCO3+ 43.746 kcal → CaO + CO2
La mínima cantidad de energía Q necesaria para la disociación de la caliza
expresada en kilogramos de cal viva producida está dada por la siguiente
ecuación:
cidakgcalprodu
ónQdisociaciQ = [4.5]
Reemplazando los valores anteriores se tiene que:
producidacalkg
kcalQ
mol
producidacalkgmol
kcal
Q
18.781
056.0
746.43
=
=
producidacalTon
kJxQ
kcal
kJ
Ton
kg
producidacalkg
kcalQ
61027.3
1868.4*
1000*18.781
=
=
70
4.2.3.2 Proceso de combustión en el horno
Debido a que la calidad de la cal producida por el horno está ligada de
forma directa con la calidad del combustible, es necesario analizar el efecto de
combustión del mismo. Para el análisis de la combustión se considera que la
combustión es completa con un exceso de aire del 20%.10
El combustible que se utiliza en el proceso es el Fuel Oil Nº 6 (Bunker C), el
porcentaje de los elementos presentes en dicho combustible se presenta en la
tabla 4.2. (Ver anexo 2, Hoja técnicas, Fuel Oil Nº 6 (bunker C)).11
Tabla 4.2 Composición del combustible Fuel Oil Nº 6
Fuel oil Nº 6
Elemento Porcentaje en peso
(%)
Carbono (C) 87.4
Hidrógeno (H) 10.1
Nitrógeno (N) 0.3
Oxígeno (O) 0.1
Azufre (S) 2
Cenizas 0.1
Fuente : DISCORAMO, Distribuidora de combustibles.
La tabla 4.3 muestra los porcentajes de los elementos de la composición
corregida del combustible, debido a la presencia de ceniza.
10 LOPEZ W, Diseño y Construcción de un Horno para Laboratorio Tipo Mufla con Calentamiento de Gas, Tesis EPN, Abril 1984, pp 60. 11 Hornos Maerz RCE, Tecnología de la Calcinación y el Sinterizado, pp 10.
71
Tabla 4.3 Composición Corregida del combustible Fue l Oil Nº 6
Fuel oil Nº 6
Elemento Porcentaje en peso (%)
Carbono (C) 87.49
Hidrógeno (H) 10.11
Nitrógeno (N) 0.3
Oxígeno (O) 0.1
Azufre (S) 2
Fuente : DISCORAMO, Distribuidora de combustibles.
Elaborado por: Edison Montaluisa y Henry Tipán
Durante el proceso de combustión completa los productos presentes son
H2O, CO2, SO2 y N2.
0,8749C+0,1011H2+0,003N2+0,001O2+0,02S+1,134(O2+3.762N2) →
0,8749CO2+0,1011H2O+0,02SO2+0,189O2+4,2691N2 [4.6]
Una vez obtenido el balance de la ecuación química se obtiene la relación
molar de aire-combustible mediante la siguiente expresión:
c
atibleairecombusmolaralación =Re [4.7]
Donde:
a : Es el número de moles de aire
c : Es el número de moles de combustible
72
Reemplazando los valores se tiene que:
c
a=
iblemolcombust
airedemoles
1
762,4*134,1
bustiblemolesdecom
airedemoles
c
a4.5=
Para calcular la relación másica del aire con el combustible es necesario
calcular el peso molecular del aire y del combustible.
La relación másica de aire combustible está dada por la siguiente
ecuación:
WC
WA
c
a* =
C
A [4.8]
Donde:
WA: Es el peso molecular del aire
WC: Es el peso molecular del combustible
Los pesos moleculares de aire y el combustible se presentan a continuación:
kmol
kgWA )14*2*79.016*2*21.0( +=
kmol
kgWA 85.28=
kmol
kgWC )32*1*02.016*2*001.014*2*003.01*2*1011.012*1*8749.0( ++++=
kmol
kgWC 457.11=
blekgcombusti
kgaire
WC
WA
c
a
457.11
85.28*4.5=
73
blekgcombusti
kgaire
C
A6.13=
Del resultado se concluye que por cada kilogramo de combustible es
necesario una cantidad de 13.6 kg de aire para obtener una combustión completa.
4.2.3.3 Consumo de combustible
Para el cálculo de la cantidad necesaria de combustible para producir 120
toneladas diarias es necesario asumir una eficiencia térmica del 50%, debido a
que el sistema es un intercambiador de calor de flujo regenerativo, es decir en la
zona de enfriamiento el calor sensible de la cal es completamente transferido al
aire de enfriamiento, que entra en la zona de calcinación a una temperatura entre
700 y 800º C para reaccionar con el combustible. Por lo tanto el calor sensible de
la cal es completamente retomado en el proceso.
El calor sensible de los gases de escape es también retomado en el
proceso aunque no en su totalidad ya su la capacidad calórica en la zona de
precalentamiento es mucho más alta que la carga de caliza.
La eficiencia térmica del horno viene dada por la siguiente ecuación:
mcHHV
Qn
*
min= [4.9]
Donde:
minQ : Energía mínima de requerida para la disociación
producidacalTon
kJ
HHV : Es el valor calórico del combustible
ecombustiblkg
kJ
mc: Es la cantidad de combustible [ kg ]
n : Es la eficiencia térmica
74
Por tanto la cantidad de combustible para la producción de 120 Toneladas
de cal viva es:
5.0*1024.4
120*1027.3
*
min
4
6
combkg
kJX
calvivaToncalvivaTon
kJX
mc
nHHV
Qmc
=
=
mc =18509.43 kg de combustible.
4.2.4 DIMENSIONAMIENTO DEL HORNO
Para el cálculo de las dimensiones efectivas se toman las siguientes
consideraciones:
� La capacidad del proceso se distribuye en las dos columnas de manera
equitativa, es decir 107.15 Toneladas cada columna, como se muestra en
la figura 4.4.
Figura 4.4 Esquema del horno
75
� La relación existente entre al diámetro y la altura es de 1:4, como se
explica en el numeral 2.4.2 del presente proyecto.
Mediante el análisis de las consideraciones anteriores se tiene que las
dimensiones de una de las columnas son las siguientes:
caliza
calizamV
ρ= [4.10]
Donde:
V: Es el volumen de cada columna
m caliza: Es la mitad de la capacidad del proceso
ρ caliza : Es la densidad de la piedra caliza
Reemplazando los valores se tiene que:
3
3
575.53
2800
107150
mV
m
kgkg
V
=
=
Además:
4
** 2 hV
φπ= [4.11]
4
1=h
φ [4.12]
Mediante la solución de las ecuaciones [4.11] y [4.12] se obtienen las
dimensiones efectivas de cada columna:
76
mh
m
V
V
29.10
573.2
575.533
3
3
==
=
=
=
φπ
φ
πφ
πφ
4.2.5 DISEÑO DE LOS COMPONENTES PRINCIPALES DEL HORNO
4.2.5.1 Diseño de la cámara de combustión
Para diseñar la cámara de combustión se debe calcular el volumen en el
que tiene lugar la combustión. Se debe considerar en el diseño que las paredes
de la cámara de combustión deben estar lo suficientemente calientes para que no
interfieran en el proceso de combustión. Para el cálculo de las paredes de
aislamiento térmico se consideran las tres zonas energéticas que se muestran en
la Figura 4.5.
ZONA DEPRECALENTAMIENTO
ZONA DECALCINACION
ZONA DEENFRIAMIENTO
4 m
4m
2.3 m
2.6m
Figura 4.5 Zonas energéticas del horno
77
El dimensionamiento de la cámara de combustión está basado en los
valores obtenidos de la figura 4.6 que presenta la distribución de temperaturas
dentro del horno regenerativo de flujo paralelo.
Figura 4.6 Perfil de temperaturas en el horno
Fuente: Hornos Maerz RCE, Tecnología de la Calcinación y el Sinterizado, pp4.
78
4.2.5.2 Requerimientos de ladrillo refractario en las zonas energéticas del horno
♦ Zona de precalentamiento
En la zona de precalentamiento está presente la caliza que llega desde el
sistema de carga, debido a que este ingresa por gravedad y se produce un efecto
de abrasión con la capa de refractario, además la temperatura máxima
aproximada en esta zona es de 800ºC. Estos factores conllevan al siguiente
análisis para poder determinar el tipo de material adecuado para dicha zona del
horno.
A la temperatura mencionada (800ºC), la causa más importante en el
desgaste que sufre el refractario se debe a la corrosión química, la cual depende
de varios factores, entre los que se destaca la composición del refractario. Sin
embargo, se debe considerar también su estructura física ya que, en realidad, la
constitución del refractario no es homogénea. De esta forma se presentan, por
ejemplo fases vítreas, las que son más débiles que las fases cristalinas y así, más
fácilmente atacables cuando se incrementa la temperatura. También es sabido
que los poros y las grietas son fuentes de penetración del medio agresivo, lo que
lleva a tratar de obtener materiales con menor porcentaje de porosidad para
incrementar su resistencia a la corrosión. Sin embargo, se debe tener cuidado al
disminuir el porcentaje de porosidad en el refractario, debido a que esto hace que
disminuya su resistencia al choque térmico, propiedad de significativa importancia
para este tipo de materiales.
En la zona de precalentamiento, actualmente se utilizan ladrillos de alta
alúmina con un contenido de aproximadamente 70% Al2O3, debido a que contiene
una gran cantidad de mullita y la más baja cantidad de fase líquida de todos los
ladrillo refractarios, tiene una baja porosidad, la mullita es un agente que aumenta
la resitente a la abrasión y evita la formación de fase líquida es decir disminuye la
reactividad de los ladrillos, además presencia de silicio y de calcio en refractario
rodea la alúmina y evita el crecimiento de grano que posteriormente genera
grietas.
79
♦ Zona de calcinación
En esta zona se utilizan ladrillos básicos, a base de magnesita, debido a
que tienen una menor reactividad con los óxidos presentes en la piedra caliza y
producida en la calcinación de la misma, los porcentajes de los productos se
presentan en la tabla 4.4, además tiene una dureza de 4 a 4.5 que es superior a
la de la piedra caliza que tiene un valor de 3, y es un material casi infusible.
Tabla 4.4 Composición en peso de los productos de l a combustión de la caliza
CaO SiO2 Al2O3 K2O Fe3O2 SO3 MgO60,9% 18,70% 9,10% 3,30% 3% 3,10% 1,20%
Fuente : Propia
4.2.5.2.1 Zona de precalentamiento
En la zona de precalentamiento, los gases de escape productos de la
combustión se encuentran a una temperatura de 800ºC aproximadamente y a la
salida de tienen un temperatura de 150ºC aproximadamente.
Consideraciones de diseño:
� Transferencia de calor en estado estable
� Transferencia de calor en las paredes de un cilindro
� La temperatura media Tm de los gases de escape es 2
800150+=Tm
CTm º475= .
� Propiedades constantes de los gases de combustión a la temperatura
media.
80
� Tamaño promedio de la piedra caliza dp= 80 mm, se considera una esfera
para efectos de cálculo.
� Se considera una cama de sólidos.
Bajo las consideraciones anteriores las propiedades de los gases de escape son:
fρ : Es la densidad del flujo, (gases de combustión)
µ : Viscosidad dinámica.
k : Es la conductividad térmica de los gases de escape.
Pr : Es el número de Prandt
702.0Pr
109.54
.106.354
4613.0
3
27
3
=
=
=
=
−
−
mK
WxK
m
sNx
m
kgf
µ
ρ
(Ver anexo 1, Propiedades de elementos y compuestos químicos, gases de
escape)
Ecuaciones para el cálculo del número de Reynolds
7.33)*0408.07.1135(Re 5.0 −+= λ [4.13]
2
3 *)(**
µρρρλ gfsfdp −= [4.14] 12
12 PERRY, Chemical Engineer´s Handbook, 7ª Edición, McGraw Hill, Sección 17, pp 17-4.
81
Donde:
Re: Es el número de Reynolds.
λ : Es el factor de flujo en una cama de sólido.
dp: Es el tamaño promedio de la piedra caliza 8 cm.
sρ : Es la densidad de la caliza.
:g Gravedad 9.8m/s2
Con los datos anteriores se calcula el número de Reynolds
06.13165Re
7.33)1027.4*0408.07.1135(Re
1027.4
)106.354(
8.9*)4613.02320(*4613.0*)08.0(
5.09
9
27
3
=
−+=
=
−= −
x
x
x
λ
λ
Una vez calculado el número de Reynolds es necesario calcular el número
de Nusselt para el caso de flujo externo en esferas mediante la siguiente
expresión:
4.03/22/1 Pr*)Re*06.0Re*4.0(2 ++=NuD [4.15]
Reemplazando los valores se tiene que:
87.70
702.0*)06.13165*06.006.13165*4.0(2 4.03/22/1
=
++=
NuD
NuD
82
Mediante el número de Nusselt se calcula el coeficiente de convección h
mediante la siguiente expresión:
dp
kNuDh
*= [4.16]
Km
Wh
xh
2
3
64.48
08.0
109.54*87.70
=
=−
La transferencia de calor por convección viene dada por la siguiente
ecuación:
)(** TsTAshq −∞= [4.17]
Wxq
q
510178.3
)600800(4**6.2*64.48
=
−= π
Se considera que la temperatura Ts1 es de 600ºC y la temperatura Ts2 no
debe exceder 250ºC para que no se generen puntos calientes en la placa de
acero y en la manta cerámica.
En la zona de precalentamiento es necesario colocar refractario a base de
alúmina, debido a su alta resistencia a los agentes abrasivos como la piedra
caliza, este ladrillo tiene una conductividad térmica K=1.6 W/mK, (Ver anexo 2,
Hoja técnicas, Ladrillo refractario a base de alúmina).
83
La figura 4.7 muestra el circuito térmico del cilindro en análisis.
Ts1
Ts2
R1=1.3m
R2
Refractario a base dealúminaManta cerámica
qr=3.178x105 W
Ts1Ts2
ln(r2/r1)
2*k*l*
4m
Circuito Térmico dela pared de
refractario a basede alúmina
Placa de acero 516grado 60
Figura 4. 7 Circuito térmico en la zona de precalen tamiento
Bajo esta consideración se tiene que el radio de la capa de refractario
viene dado por la siguiente ecuación:
q
TsTsLK
eRR)21(***2
12
−
=π
[4.18] 13
mR
eR x
36.1
*3.1
2
10178.3
)250600(*4*6.1**2
2
5
=
=−π
El espesor de la capa de refractario es 60mm, se toman las dimensiones
comerciales de los ladrillos cuyo espesor es de 153mm.
13 INCROPERA P. Fundamento de Transferencia de Calor, 4ª Edición, Prentice Hall, México, 1999, pp 90-92.
84
4.2.5.2.2 Zona de calcinación
En la zona de calcinación los gases productos de la combustión se
encuentran a una temperatura de 1200ºC aproximadamente.
Consideraciones de diseño:
� Transferencia de calor en estado estable.
� Transferencia de calor en las paredes de un cilindro.
� La temperatura de los gases de escape es CT º1200=
� Propiedades constantes de los gases de combustión.
� Tamaño promedio de la piedra caliza dp= 8 cm, se considera una esfera
para efectos de cálculo.
� Se considera una cama de sólidos.
� Efectos despreciables de la resistencia de contacto.
Bajo las consideraciones anteriores las propiedades de los gases de escape son:
689.0Pr
1057.97
.1071.549
2366.0
3
27
3
=
=
=
=
−
−
mK
WxK
m
sNx
m
kgf
µ
ρ
(Ver anexo 1, Propiedades de elementos y compuestos químicos, gases de
escape).
Utilizando las ecuaciones [4.13] y [4.14] se tiene:
85
2
3 )(
µρρρλ gfsfdp −=
Reemplazando los valores se tiene que:
2.6064Re
7.33)101.9*0408.07.1135(Re
7.33)*0408.07.1135(Re
101.9
)1071.549(
8.9*)2366.02320(*2366.0*)08.0(
5.08
5.0
8
27
3
=
−+=
−+=
=
−= −
x
x
x
λ
λ
λ
Una vez que se calcula el número de Reynolds es necesario calcular el
número de Nusselt con la ecuación [4.15] para el caso de flujo externo en esferas
mediante la siguiente expresión:
025.46
689.0*)2.6064*06.02.6064*4.0(2
Pr*)Re*06.0Re*4.0(2
4.03/22/1
4.03/22/1
=
++=
++=
NuD
NuD
NuD
Mediante el número de Nusselt se calcula el coeficiente de convección
utilizando la ecuación [4.16] :
08.0
1057.97*025.46
*
3−
=
=
xh
dp
kNuDh
Km
Wh 213.56=
86
La transferencia de calor por convección está dada por la ecuación [4.17]:
Wxq
q
TsTAshq
510668.3
)10001200(4**6.2*13.56
)(**
=
−=
−∞=
π
Se considera que la temperatura Ts1 es 1000ºC y la Ts2 no debe exceder
250ºC, para que no se generen puntos calientes en la placa de acero.
En la zona de calcinación es necesario colocar refractario a base de
magnesita debido a su resistencia a la altas temperaturas y a los esfuerzos
térmicos, este material tiene una conductividad térmica K=2.8 W/mK. (Ver anexo
2, Hojas técnicas, Ladrillo refractario a base de magnesita).
La figura 4.8 muestra el circuito térmico en la zona de calcinación.
Ts1
Ts2
R1=1.3m
R2
Refractario a base demagnesita
Manta de fibra mineral
qr=3.668x105 W
Ts1Ts2
ln(r2/r1)
2*k*l*
4mCircuito Térmico de
la pared derefractario a base
de magnesita
Ts2
Ts3
Placa de acero 515grado 60
Figura 4.8 Circuito térmico en la zona de calcinaci ón
87
Bajo esta consideración se tiene que el radio de la capa de aislante viene
dado por la ecuación [4.18]:
q
TsTsLK
eRR)21(***2
12
−
=π
Reemplazando los valores se tiene que:
mR
eR x
501.1
*3.1
2
1066.3
)2501000(*4*6.2**2
2
5
=
=−π
El espesor de la capa de refractario es 201mm, se toman las dimensiones
comerciales de los ladrillo de 305mm.
Bajo la consideración de las dimensiones comerciales de los ladrillos
refractarios es necesario colocar tres capas de refractario, una capa de seguridad,
una de desgaste y una para aislamiento para limitar las pérdidas de calor.
La capa de material aislante es una manta de fibra mineral cuya
conductividad térmica es K=0.078 (W/mK) y se calcula mediante la ecuación
[4.18], mediante el circuito térmico de la figura 4.8, se asume que la temperatura
de toda la placa de acero del horno está 65ºC14 y que su radio es 1605 mm
incluido las dimensiones comerciales de los ladrillos refractarios seleccionados.
q
TsTsLK
eRR)21(***2
12
−
=π
14 LOPEZ W, Diseño y Construcción de un Horno para Laboratorio Tipo Mufla con Calentamiento
de Gas, Tesis EPN, Abril 1984, pp 82.
88
Reemplazando los valores se tiene que:
mR
eR x
607.1
*605.1
2
1066.3
)65250(4*078.0**2
2
5
=
=−π
Es necesario colocar una capa de 15 mm de manta de fibra mineral.
4.2.5.2.3 Zona de enfriamiento
En la zona de enfriamiento el aire de entra a temperatura ambiental y
alcanza 600ºC aproximadamente en la zona de combustión.
Consideraciones de diseño:
� Transferencia de calor en estado estable
� Transferencia de calor en las paredes de un cilindro
� La temperatura media Tm del aire de enfriamientos es 2
60030 +=Tm
CTm º315= .
� Propiedades constantes del aire de enfriamiento a la temperatura media.
� Tamaño promedio de la cal viva descargada dp= 0.84 mm, (se considera
una esfera para efectos de cálculo.)
� Se considera una cama de sólidos.
89
� Se considera un cilindro equivalente de radio igual al radio mayor del
tronco de cono y de altura igual altura para poder determinar el espesor de
refractario necesario.
� Efectos despreciables de la resistencia de contacto.
Bajo las consideraciones anteriores las propiedades de los gases de escape son:
684.0Pr
1018.46
.1062.301
596.0
3
27
3
=
=
=
=
−
−
mK
WxK
m
sNx
m
kgf
µ
ρ
(Ver anexo 1, Propiedades de elementos y compuestos químicos, gases de
escape)
Utilizando las ecuaciones [4.13] y [4.14] se tiene:
2
3 )(
µρρρλ gfsfdp −=
Reemplazando los valores se tiene que:
93.6Re
7.33)1026.1*0408.07.1135(Re
7.33)*0408.07.1135(Re
1026.1
)1062.301(
8.9*)596.03320(*596.0*)1084.0(
5.04
5.0
4
27
33
=
−+=
−+=
=
−= −
−
x
x
x
x
λ
λ
λ
90
Una vez calculado el número de Reynolds es necesario calcular el número
de Nusselt con la ecuación [4.15] , para el caso de flujo externo en esferas
mediante la siguiente expresión:
09.3
684.0*)93.6*06.093.6*4.0(2
Pr*)Re06.0Re*4.0(2
4.03/22/1
4.03/22/1
=
++=
++=
NuD
NuD
NuD
Utilizando el número de Nusselt se calcula el coeficiente de convección
mediante la ecuación [4.16]:
dp
kNuDh
*=
Reemplazando los valores se tiene que:
Km
Wh
x
xh
2
3
3
98.169
1084.0
1018.46*09.3
=
= −
−
La transferencia de calor por convección está dada por la ecuación [4.17]:
)(** TsTAshq −∞=
Reemplazando los valores se tiene que:
Wxq
q
51038.6
)400600(*3.2**6.2*98.169
=
−= π
91
Se considera que la temperatura Ts1 es 400ºC y la Ts2 no debe exceder
250ºC para que no se generen puntos calientes en la placa metálica.
En la zona de precalentamiento es necesario colocar ladrillo refractario de
alta alúmina el cual tiene una conductividad térmica mK
WK 6.1= (Ver anexo 2,
Hojas técnicas, Ladrillo refractario a base de alúmina).
La figura 4.9 muestra el circuito térmico en la zona de enfriamiento.
Ts1
Ts2
R1=1.3m
R2
Refractario a base dealúmina
Placa de acero 515grado 60
qr=6.38x105 W
Ts1Ts2
ln(r2/r1)
2*k*l*
2.6mCircuito Térmico de
la pared derefractario a base
de alúmina
Figura 4.9 Circuito térmico en la zona de enfriamie nto
Bajo esta consideración se tiene que el radio de la capa de aislante viene dado
por la ecuación [4.18]:
q
TsTsLK
eRR)21(***2
12
−
=π
Reemplazando los valores se tiene que:
92
mR
eR x
31.1
*3.1
2
1038.6
)250400(*6.2*6.1**2
2
5
=
=−π
El espesor de la capa de refractario es 10 mm, se toma el espesor de los
ladrillos comerciales que es 51mm. (Ver anexo 2, Hojas Técnicas, Dimensiones
comerciales de los ladrillos refractarios).
Ahora es necesario determinar el espesor de la placa de acero, para este
caso se toma la sección de calcinación y se establece las siguientes
consideraciones:
Consideraciones de diseño:
� Transferencia de calor en estado estable
� Transferencia de calor en las paredes de un cilindro.
� Efectos despreciables de la resistencia de contacto.
� Pérdidas de calor por radiación con el exterior despreciable.
� La temperatura Ts1 es 65ºC.
� La conductividad térmica del acero es 69.5W/mK.
La figura 4.10 presenta el circuito térmico equivalente para determinar el espesor
de la placa de acero:
93
Ts1
Ts2
R1=1.605m
R2
Capa de acero 515grado 60
qr=3.668x105 W
Ts1Ts2
ln(r2/r1)
2*k*l*
4m
Figura 4.10 Circuito térmico de la capa de acero
Para este análisis es necesario asumir una temperatura de la superficie
Ts2 de 45ºC, ya que la temperatura ambiente en la región costa es 28ºC y y la
temperatura de la placa debe ser mayor a dicho valor, bajo esta consideración se
tiene que el radio de la capa de aislante viene dado por la ecuación [4.18] :
q
TsTsLK
eRR)21*(***2
12
−
=π
Reemplazando los valores se tiene que:
mR
eR x
785.1
*6.1
2
10178.3
)4565(*4*5.69**2
2
5
=
=−π
El espesor de la capa de acero es de 18,6 mm, se toma una placa de
acero 515 grado 60, material recomendado para recipientes sujetos a presión
interna cercana a la atmosférica y temperaturas entre 800 y 1300ºC, con un
espesor de 16 mm. (Ver anexo 3, Material Estructural, Acero 515 grado 60).
94
4.2.5.2.4 Anillos atiezadores
Es necesario analizar si es necesario colocar anillos atiezadores en cada
zona para esto se sigue las ecuaciones presentes en el manual de recipientes de
presión para un diseño de presión externa, se considera que el horno está sujeto
únicamente a presión atmosférica a nivel del mar con lo cual su valor es de 14.7
Psi.
Ahora es necesario calcular la presión máxima de trabajo que soporta el
horno mediante la siguiente expresión:
)/(3
*4
tDo
BPa= [4.19]
Donde:
Pa: Es la presión máxima de trabajo permitida.
B: Es factor de atiezamiento. Valor tomado del Manual de Recipientes de
Presión. (Ver anexo 4, Gráficos, Curvas de recipientes verticales).
Do: Es el diámetro externo (Pulgadas) Ø ext. calc.= 2936.24 mm
t: Es el espesor de la placa utilizada (Pulgadas) t= 16 mm
Por tanto:
PsiPa
Pa
1753.144
)5/8*6.115(3
20000*4
=
=
Debido a que la presión máxima de trabajo permitida es mayor a la de
trabajo real, no es necesario colocar atiezadores.
95
4.2.6 DISEÑO ESTRUCTURAL DEL HORNO
En el diseño de la estructura se toma en cuenta dos tipos de cargas
generales, como son la carga viva y la carga muerta.
La carga viva corresponde al peso total de caliza que se encuentra
cargada en el interior del horno, es decir 214.28 Toneladas.
La carga muerta corresponde al peso total del cuerpo del horno, es decir
cubierta de metal, capas de refractario, tolvas de alimentación y descarga,
sistema de calcinación y accesorios adicionales. El valor de la carga muerta es
150 Toneladas, valor tomado del Software de diseño Inventor 11.
La presencia de la carga viva y de la carga muerta representan un valor de
364.28 Toneladas, para efectos de cálculo se toma una carga de diseño de 400
Toneladas.
Se considera un diseño estructural simétrico debido a que existen dos
columnas de la misma capacidad de producción correspondiente a la mitad de la
producción total de 120 toneladas.
La figura 4.11 presenta el esquema de la estructura que sirve de soporte para el
horno de cal.
96
Figura 4.11 Esquema de la estructura de soporte del horno
4.2.6.1 Diseño de las vigas principales
El diseño de la sección necesaria se la realiza en la viga central que
soporta una carga puntual de 980 kN correspondiente a la cuarta parte de la
carga total de 400 Toneladas, ya que es el elemento crítico de la estructura y su
estado de carga se muestra en la figura 4.12.
RA RB
980 kN
X=4m
Figura 4.12 Diagrama de cuerpo libre de la viga pri ncipal
97
A continuación se presentan las ecuaciones necesarias para el diseño de la
estructura.
Sxx
M maxmax ±=σ [4.20]
[ ]σmaxM
Sxx ±≥ [4.21]
[ ]n
Sy=σ [4.22] 15
Donde:
maxσ : Es esfuerzo normal máximo
maxM : Es el momento máximo presente
Sxx: Es el módulo de la sección del elemento utilizado
Mediante las ecuaciones de equilibrio se tiene que:
0100
0Fy
=+−
=Σ
RBRA
[4.23]
Por lo tanto:
RA=RB=490 kN
El momento máximo en la sección tiene el valor de:
15 SHIGLEY J, Diseño en Ingeniería Mecánica, 5ª Edición, Editorial Mc Graw-Hill, México, 1989,
pp 240.
98
4
maxFl
M = [4.24] 16
mkNM
M
.980max
4
4*980max
=
=
El esfuerzo máximo presente en la sección esta dado en por la ecuación [4.20] :
Sxxx
980max ±=σ
El factor de seguridad que se toma en cuenta para el diseño es de 2 por
tanto, el material de los perfiles estructurales es el Acero ASTM A 36, mediante
las ecuaciones [4.21] y [4.22] se tiene que:17
[ ]σmaxM
Sxx ±≥
3
3
007896.0
102.248
2*980
mSxx
xSxx
=
=
El perfil estructural que cumple con los requerimiento es el HD400x463, y que su
Sxx es de 0.008283m3.
4.2.6.2 Diseño de las columnas
En lo referente a la columna crítica cada una de soporta una carga de
490KN por tanto el área necesaria para las columnas es de:
16 SHIGLEY J, Diseño en Ingeniería Mecánica, 5ª Edición, Editorial Mc Graw-Hill, México, 1989, pp 850,Tabla A-12. 17 SHIGLEY J, Diseño en Ingeniería Mecánica, 5ª Edición, Editorial Mc Graw-Hill, México, 1989, pp 244.
99
A
F=maxσ [4.25]
A
kN490max=σ
[ ]n
Sy=σ
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
2
3
3
3
3
3
07896.0
1005.62
490
1005.62490
1005.62
4
102.248
102.248
max
mA
KPax
kNA
KPaxA
kN
KPax
KPax
n
KPax
=
=
=
=
=
=
=
σ
σ
σ
σσ
El perfil estructural que cumple con los requerimientos es el HD400x634,
ya que su Area de compresión es de 0.080796m2.
De manera general se considera que puede existir pandeo si se cumple la
relación:
40≥i
L [4.26]
Donde:
L: Longitud de la columna
I: Radio de giro de la sección
100
A
Ii = [4.27]
I: Momento de inercia de la sección
A: Área de la sección
De los datos obtenidos en el manual de AISC se tiene que el valor de i es 184mm
por lo tanto la relación ente la razón entre la longitud y el radio de giro es:
Ki
L =
Reemplazando los valores de tiene que:
89.29
184.0
5.5
=
=
K
K
Por lo tanto la columna no falla a pandeo y puede ser considerado como un
elemento que trabaja a compresión.
Nota: Se toma el perfil HD 400x634 para las columnas y para las vigas cuya
equivalencia es el perfil W14x426. (Ver anexo 3, Material Estructural, Perfil W
14x426)
4.2.6.3 Diseño de las placas de anclaje
La placa base que se utiliza está soldada a la columna de cómo se muestra
en la figura 4.13:
101
Figura 4.13 Esquema y DCL de las placas de anclaje
Para el cálculo de la placa base se aplica la teoría de placas del Manual
del AISC la cual muestra el diseño mediante la excentricidad de la placa que se
presenta a continuación:
N y B son las dimensiones de la placa
P : Es la carga de compresión 1 MN
M : Es el momento presente en la columna 0.174 MN.m
Además se tiene que:
´**7.12
1´***85.0 fc
A
Afc cc ϑϑ ≤ [4.28]
Donde:
cϑ : Es el factor de resistencia del concreto = 0.6
A1: Es el área de la placa
A2: Es el área de la concreto
Fp: Es el máximo esfuerzo de diseño
fc´: Es el esfuerzo de compresión del concreto, para nuestro el caso se toma el
valor de 1 ya que el área de la placa es igual al de la superficie de anclaje.18
Se asume un valor de N y B para determinar sus valores reales por prueba
y error.
18 DeWolf T, Diseño de Placas Base de Columnas, Manual AISC, USA, 1990, pp 20-29.
102
N= 762 mm
B= 762 mm
Es necesario calcular la excentricidad mediante la siguiente ecuación:
P
Me= [4.29]
)lg8,6(174
1
.174.0
adaspumme
MN
mMNe
=
=
Se tiene que:
mmN
5.1904
=
Debido a que excentricidad es menor que N/4 se tiene la teoría de diseño
para excentricidad alta, mediante la siguiente ecuación se calcula el esfuerzo
permisible:
´3*35.0 fcFp = [4.30]
KLibFp 05.1=
Se asume que los pernos de anclaje están a A` es 76.2 mm, (3 pulgadas)
del filo de la placa, para verificar su valor mediante prueba y error, se tiene que:
)(** ,, ANNFpf −= [4.31]
KLibf
f
5.850
)27(*30*05.1,
,
==
103
+
−
−−=
3*
2**
6*
4 ,2,,
NFp
MAN
PNFp
ff
A [4.32]
Reemplazando los valores se tiene que:
mmA
puA
A
5.63
lg5.2
3
30*05.1
5.154232
30*7.244
6
30*05.145.8505.850 2
==
+
−
−−=
La condición de diseño es:
)330(5.2
)( ,
−≤
−≤ ANA
La condición de diseño se cumple, se verifica que la distancia asumida a la
que está el perno es correcta, entonces se tiene que la precarga necesaria para el
perno de anclaje es:
=2
** NAFpT [4.33]
KlibfT
T
012.57
2
30*5.2*05.1
=
=
Ahora se debe calcular el crítico que se presenta la parte correspondiente
al perno de anclaje:
104
La sección crítica se localiza en:
−=2
*95.0 eNXc [4.34]
lg9.14
2
107.0*95.030
puXc
Xc
=
−=
NOTA: Esta distancia Xc se toma desde el ala del perfil H utilizado.
+
=
2
67.0**3.1
2
*78.0 22 XcXcMc [4.35]
lg.3.183
2
67.0*9.14*3.1
2
9.14*78.0 22
puklibMc
Mc
=
+
=
El espesor necesario de la placa de anclaje esta dado por:
Sy
Mctp
*75.3
*2= [4.36]
mmtp
putp
tp
64.40
lg6.1
36*75.3
26.183*2
=
=
=
Las placas de anclaje tiene las siguientes dimensiones: 762 x 762 x 44.4mm.
105
4.2.6.4 Diseño de los pernos de anclaje
El material del perno de anclaje es acero ASTM 36 el cual tiene un Sut de
58 Kpsi y un Sy de 36 Kpsi, además la precarga de montaje tiene un valor de
127.39 klibf, por tanto mediante el proceso de diseño ASD del manual de la AISC
se tiene que:
FtAgT *= [4.37]
SutFt *53.0= [4.38]
Donde:
Ft : Es el esfuerzo de tracción en el perno.
KpsiFt
Ft
74.30
58*53.0
=
=
Ft
TAg = [4.39]
Reemplazando los datos se tiene que:
π4*
lg85.1
74.30
012.57
2
Agd
puAg
Ag
=
=
=
106
mmd
pud
d
1.38
lg5.1
4*85.1
=
=
=π
El largo Lh del perno de anclaje es:
Lh=17d [4.40]
Lh=17*1.5
Lh=26 pulgadas
Lh=660.4 mm
El perno de anclaje es una barra roscada M 39 de 660 mm de larga y de Acero
ASTM A-36 como se muestra en el plano 1.2335.104
4.2.6.5 Cálculo de la soldadura de las vigas
Los esfuerzos presentes en las soldaduras son producidos por una carga de
490 kN aplicada en la parte central de las vigas esta carga produce un momento
M y una carga de corte V en la sección correspondiente al empotramiento, los
valores del momento máximo y de la fuerza cortante se toman del programa SAP
2000 (Ver anexo 5, Cálculos en SAP 2000, Estructura, Vigas principales).
Para el análisis de la junta soldada se toma como referencia la ecuación del
esfuerzo admisible correspondiente a la norma ASTM D 1.1 la cual se presenta a
continuación:
( )θ5.15.013.0 senFFv Exx += [4.41] 19
Donde:
Fv: Es el esfuerzo admisible
FExx : Es la resistencia del metal depositado (Sut).
Ө: Es el ángulo entre la carga y el eje axial del elemento soldado. 19 Norma ASTM D1.1, Parte B, pp 8, 2.5.4.2
107
Se tiene que el electrodo que se utilizará en la soldadura es el E 7018 el
cual tiene una resistencia a la tracción de su material depositado de 70Kpsi, el
ángulo entre la carga y el eje de la soldadura es 450 y el filete es de 25.4 mm ya
que el espesor máximo del perfil es 50.8 mm, como se muestra en la figura 4.14.
Figura 4.14 Área de cálculo de la soldadura
Se tiene que el esfuerzo admisible es:
( )θ5.1*5.01**3.0 senFFv Exx +=
Reemplazando los valores se tiene que:
( )
MPaFv
senFv
83.187
45*5.01*633.482*3.0 5.1
=
+=
El momento máximo en la viga es:
mkNM .92.281max=
Además se toma en cuenta que el esfuerzo máximo es:
108
I
cM max*max=σ [4.42]
IuhI **707.0= [4.43] 20
Donde:
h es el espesor de la soldadura tomado como: h= 0.019*cos45
Iu es el segundo momento unitario de área
Debido a que la sección transversal es el perfil HD 400x463 el momento unitario
Iu del área transversal es:
( )bdd
Iu += 36
2
[4.44]
( )
3
2
05414.0
412.0435.0*36
435.0
mIu
Iu
=
+=
El esfuerzo máximo por flexión es:
Iuh
cM
**707.0
max*max=σ [4.45]
Reemplazando los valores se tiene que:
MPa23.119max
05414.0*)45cos(*019.0*707.0*2
435.0*281920max
=
=
σ
σ
Los esfuerzos cortantes presentes en el empotramiento son:
20 SHIGLEY J, Diseño en Ingeniería Mecánica, 5ª Edición, Editorial Mc Graw-Hill, México, 1989, pp 448-449.
109
A
Fxy =τ [4.46]
Donde:
xyτ : Es el esfuerzo cortante
)(**414.1 dbh
V
VF
xy +=
=
τ
Reemplazando los valores se tiene que:
MPaxy
xy
7.9
)412.0435.0(*0254.0*414.1
294145
=
+=
τ
τ
Debido a que la sección crítica es en el empotramiento se tiene que los
esfuerzos principales son:
Fvxyxx ≤+
±= 22
222,1 τσσσ [4.47]
Kpsi
Kpsi
785.02
01.1201
7.92
23.119
2
23.1192,1 2
2
−=
=
+
±=
σ
σ
σ
El esfuerzo máximo en la soldadura es 119.23 MPa y es menor que el
esfuerzo admisible de 187.83 MPa. Además el Sy del material depositado por el
110
electrodo 7018 es 386.1MPa es decir que el factor de seguridad n toma el valor
de n= 386.1/168.9, n= 2.28.
La soldadura de las vigas empotradas se la realiza con electrodo 7018 de
diámetro de 3 mm y con un filete de 19 mm.
4.2.6.6 Cálculo de los pernos en la vigas secundarias
Para el diseño se coloca cuatro pernos en la posición indicada en la figura
4.15.
Figura 4.15 Ubicación de los pernos en la viga secu ndaria
La carga cortante primaria ,F por perno es:
kNKN
F 61.254
245, ==
Y donde "F es la carga de momento
r
MF
4" =
Reemplazando los valores se tiene que:
111
kNFF
kNFF
F
DC
BA
73.769
23.856
811.832kN125.0*4
96.405,,
==
==
==
Los pernos críticos son los A y B ya que llevan la carga de corte máxima,
para este caso se considera un factor de seguridad 2 y un grado métrico 12.9.
MPaSy 95.1067=.
s
y
y
A
F
MPaMPa
n
S
Sn
=
===
=
τ
τ
τ
96.7112
95.1067
mA
d
dA
mMPa
MNFA
FPara
s
s
As
039.00012.044
4
0012.096.711
856.0
2
2
A
=×==
=
===
ππ
π
τ
Se toma un perno de M 39 (Ver anexo 3, Material Estructural, Tabla de
Pernos).
112
4.2.6.7 Cálculo de la soldadura de las columnas
Debido a que el momento máximo en el pie de la columna crítica es de
0.174MN.m el análisis de la soldadura se presenta a continuación:
El valor del momento máximo se toma del programa SAP 2000, (Ver anexo
5, Cálculos en SAP 2000). Se tiene que el esfuerzo admisible esta dado por la
ecuación [4.41].
( )θ5.15.013.0 senFFv Exx +=
Reemplazando los valores se tiene que:
( )
MPaFv
senFv
83.187
455.01*633.482*3.0 5.1
=
+=
El momento máximo en la viga es:
mkNM .174max=
Además se toma en cuenta que el esfuerzo máximo es:
hIuI
I
cM
707.0
maxmax
=
=σ
Donde:
h: Es el espesor de la soldadura tomado como: h= 0.0127*cos45
Iu: Es el segundo momento unitario de área
Debido a que la sección transversal es el perfil HD 400x463 el momento
unitario del ares transversal es:
113
( )bdd
Iu += 36
2
( )
3
2
05414.0
412.0435.0*36
435.0
mIu
Iu
=
+=
El esfuerzo máximo por flexión viene dado por la ecuación [4.45] :
MPa
Iuh
cM
56.107max
05414.0*)45cos(*0127.0*707.0*2
435.0*174000max
**707.0
max*max
=
=
=
σ
σ
σ
Debe cumpliese la condición de la ecuación [4.47].
Fv=≤2,1σ
Debido a que la sección crítica es en el empotramiento se tiene que los
esfuerzos principales son:
kpsi
MPa
x
02
56.1071
2,1
=
=
=
σ
σ
σσ
El esfuerzo máximo en la soldadura es 107.56 MPa y es menor que el
esfuerzo admisible de 187.83 MPa. Además el Sy del material depositado por el
electrodo 7018 es 386.1MPa es decir que el factor de seguridad n toma el valor
de n= 386.1/107.56, n= 3.5.
114
Todas las juntas correspondientes a las columnas se sueldan con las
placas de anclaje con electrodo 7018 diámetro 3 mm y un filete de 12.7 mm.
4.2.7 DISEÑO DEL SISTEMA DE TOLVAS
4.2.7.1 Diseño de las tolvas de alimentación
Para el dimensionamiento de las tolvas de alimentación se considera que la
mayor carga que soporta es 0.223 Toneladas que corresponde a la cantidad de
caliza depositada por cada descarga de la banda transportadora de materia prima
correspondiente a la décima parte de la carga total por carga de calcinación.
Por tanto el volumen de la tolva debe ser:
3
3
0961.0
2320
223
mV
m
kgkg
V
caliza
mcalizaV
=
=
=ρ
115
La forma es simétrica y las dimensiones de las tolvas21, se muestran en la figura
4.16:
Figura 4.16 Forma y dimensiones de la tolva de alim entación El diagrama de cuerpo libre de la tolva se muestra en la figura 4.17.
Figura 4.17 Diagrama de cuerpo libre de la tolva de alimentación
21 Hornos Maerz RCE, Tecnología de la Calcinación y el Sinterizado, pp15.
116
Mediante la sumatoria de fuerzas en el eje y se tiene que:
R1=R2
R1=2185.4/2
R1=1092.7N
La carga presente en la pared de la tolva se muestra en la figura 4.18.
xy1092.7N
60º
Fy
Fx
Figura 4.18 Componentes de la carga en cada pared d e la tolva
Bajo estas condiciones se considera que componente de la fuerza en y es
la que produce flexión el la pared lateral de la tolva por tanto se tiene que:
Fy= 2185.4*cos60º
Fy=546.35N
La consideración para el diseño de espesor de las placas laterales se
muestra en la figura 4.19.
117
Figura 4.19 Carga en las paredes laterales de la to lva de alimentación
8max
FlM x =
Reemplazando los valores se tiene que:
35.0
*6*maxmax
.14.34max
8
5.0*35.546max
e
eM
mNM
M
xx
x
x
=
=
=
σ
2
3
76.409max
5.0
*6*14.34max
e
e
e
x
x
=
=
σ
σ
118
2
3
3
76.409max
5.0
*6*14.34max
5.0
*6*maxmax
.14.34max
8
5.0*35.546max
8max
e
e
e
e
eM
mNM
M
FlM
y
y
yy
y
y
y
=
=
=
=
=
=
σ
σ
σ
Debido al estado biaxial de esfuerzos se debe calcular los esfuerzos
primarios mediante la siguiente ecuación:
22
222,1 xy
yxyx τσσσσσ +
−±+=
Debido a que σx y σy son iguales en magnitud se tiene que:
yx σσσ ==2,1
El factor de seguridad es n= 5 y el material de la plancha es de Acero
ASTM A-36.
6
6
2
102.248
4*35.546
4
102.24876.409
1
xe
x
e
n
Sy
=
=
≤σ
119
me 0025.0=
La placa que se utiliza es de 6mm de espesor.
4.2.7.2 Diseño del canal de alimentación
Debido a que el canal de alimentación tiene una longitud de 1960 mm, se
considera para el cálculo del espesor del canal una viga con cuatro apoyos
simples y una carga distribuida de 1092.7 N a lo largo de la misma cuya
componente en el eje y es 557.5 N/m, las componentes se muestran en la figura
4.20.
x
y
1092.7N
45º
Fy
Fx
Figura 4. 20 Componentes de la carga en el canal de alimentación
Fx= 557.5cos45
Fx= 394.21N
Fy= 557.5*sen45
Fy= 394.21N
Mediante el uso del programa Sap 2000, (Ver anexo 5, Cálculos en SAP
2000). Se obtiene el momento máximo en la viga con un valor de 32.18 N-m.
120
Ahora se determina el esfuerzo máximo en la sección:
3*
*6*maxmax
18.32max
eb
eM
NmM
xx
x
=
=
σ
Reemplazando los valores se tiene que:
2
3
4.1056max
*18277.0
*6*18.32max
e
e
e
x
x
=
=
σ
σ
El factor de seguridad es n= 3 y el material de la plancha es de Acero ASTM A-
36. 22
[ ]
[ ]n
Sy
x
=
≤
σ
σσ max
mme
me
xe
kPax
kPax
x
x
5.3
0035.0
107.82
4.1056
1073.82max
3
102.248max
6
3
3
=
=
=
=
=
σ
σ
22 SHIGLEY J, Diseño en Ingeniería Mecánica, 5ª Edición, Editorial Mc Graw-Hill, México, 1989,pp
244
121
Se selecciona una placa de 3 mm de espesor.
4.2.7.3 Diseño estructural de las tolva de alimentación
Para el diseño de la estructura se toma en cuenta el peso total de las tolvas
y la distribución de la caliza, el diseño se lo realiza para una viga con cuatro
apoyos empotrados, una carga distribuida de 278.89 N/m y una carga puntual de
420.089 N correspondiente a el peso del canal y al peso de la tolva principal de
alimentación.
Mediante el uso del programa Sap 2000, (Ver anexo 5, Cálculos en SAP
2000). Se obtiene el momento máximo en la viga el cual tiene un valor de 62.38
N-m.
El esfuerzo máximo presente en la sección es:
Sxx
Sxx
M
38.62max
maxmax
=
=
σ
σ
[ ]
[ ]n
Sy=
≤
σ
σσ max
n
KPax 3102.248max≤σ
El factor de seguridad tomado para el diseño es n= 423 y el material del
perfil es Acero ASTM A-36, por tanto:
23 SHIGLEY J, Diseño en Ingeniería Mecánica, 5ª Edición, Editorial Mc Graw-Hill, México, 1989,
pp244
122
KPax
KPax
3
3
1005.62max
4
102.248max
=
=
σ
σ
El módulo de la sección Sxx debe tener un valor de:
36
6
100053.1
1005.62
38.62
mxSxx
xSxx
−=
=
Se selecciona un perfil cuadrado 2x2x3/16.
(Ver anexo 3, Material Estructural, Propiedades del perfil cuadrado 2x2x3/16)
4.2.7.4 Diseño de la tolva de descarga
Para el dimensionamiento de la tolva de descarga se considera que la
mayor carga que soporta es 1.249 Toneladas que corresponde a la cantidad de
cal viva en cada intervalo de trabajo.
Por tanto el volumen de la tolva debe ser:
3
3
376.0
3320
1249
mV
m
kgkg
V
caliza
calvivamV
=
=
=ρ
Las dimensiones de la tolva de descarga24, se presentan en la figura 4.21.
24 Hornos Maerz RCE, Tecnología de la Calcinación y el Sinterizado, pp16
123
Figura 4.21 Dimensiones de la tolva de descarga
Para una mejor distribución de la cal viva se considera una tolva cónica,
además es necesario tener un control en dicha descarga por tal razón es
necesario colocar una compuerta de descarga inferior marca Solimar del tipo
SWING AWAY (Ver anexo 6). Este tipo de compuertas permiten descargar el
producto por medios gravitacionales, con lo cual se facilita la limpieza de las
mismas.
124
4.3 SELECCIÓN DE EQUIPOS
4.3.1 SELECCIÓN DEL QUEMADOR
El propósito de cualquier quemador de combustibles líquidos es preparar el
combustible para el quemado en la combustión.
Para garantizar el propósito del quemador, existen dos fases fundamentales
que se deben cumplir en el proceso25:
• El combustible debe ser atomizado, es decir debe ser separado en
partículas muy finas.
• El combustible se debe mezclar con el aire, con la finalidad de que este
pueda combustionarse.
Los quemadores se seleccionan de acuerdo al tipo de combustible que van
a quemar, es decir las características del quemador dependen del tipo de
combustible.
4.3.1.1 Aspectos de selección
4.3.1.1.1 La llama
Se define como el medio gaseoso en el que se desarrollan las reacciones
de combustión; aquí es donde el combustible y el comburente se encuentran
mezclados y en reacción.
La llama puede adoptar diferentes formas, según el medio técnico, y
también la forma del quemador. 25 ROBALINO F. Y NARVAEZ, Metodología de Diseño y Construcción para Hornos de
Combustión, Fabricación de Prototipo, Tesis EPN, 1991, pp 60-63.
125
4.3.1.1.2 Frente de llama
El frente de llama es la zona que marca la separación entre el gas
quemado y el gas sin quemar. Aquí es donde tienen lugar las reacciones de
oxidación principales. El espesor del frente de llama puede ir desde menos de
1mm hasta ocupar totalmente la cámara de combustión26.
4.3.1.1.3 La propagación de la llama
La propagación de la llama es el desplazamiento de ésta a través de la
masa gaseosa. Se efectúa esta propagación en el frente de llama. La velocidad
de propagación va a depender de la transmisión de calor entre la llama y las
zonas contiguas (gases quemados y no quemados). Cuando los gases sin
quemar alcanzan la temperatura de ignición, entonces empiezan a sufrir la
combustión.
Para que la llama comience y quede estable, se debe estabilizar el frente
de llama. Para ello, se debe coordinar la velocidad de escape de gases y de
propagación de la llama con la entrada de comburente (aire) y combustible.
4.3.1.1.4 Condiciones para que se produzca la combustión
Para que se produzca la combustión es necesario que se alcance la
temperatura de ignición, que es aquella a la cual la mezcla combustible -
comburente no se extingue, aunque se retire la llama de encendido.
26 ROBALINO F. Y NARVAEZ, Metodología de Diseño y Construcción para Hornos de
Combustión, Fabricación de Prototipo, Tesis EPN, 1991, pp 64-65
126
4.3.1.1.5 La inflamabilidad de la mezcla aire – combustible
La inflamabilidad de una mezcla gaseosa se define como la capacidad de
propagarse la llama iniciada en uno de sus puntos. Solo se habla de
inflamabilidad a temperaturas inferiores a la de ignición.
La inflamabilidad también depende de la velocidad de propagación de la
llama.
4.3.1.1.6 Temperatura adiabática de combustión
También se denomina temperatura teórica de combustión o temperatura de
combustión calorimétrica. Es la temperatura que se obtendría en una combustión
estequiométrica con mezcla perfectamente homogénea y en un tanque que nos
permita evitar cualquier pérdida de calor al exterior.
En muchos casos llega con valorar de modo aproximado el calor liberado
para determinar la temperatura adiabática de combustión. Esta temperatura
aumenta con la potencia calorífica del combustible y disminuye con la capacidad
calorífica de los productos de combustión.
4.3.1.2 Cálculo de la potencia calórica del quemador
El cálculo de la potencia, se lo realiza para un quemador, de los cálculos
que anteriormente se realizaron se obtiene que la masa de combustible total
mCT= 18509.43 Kg. de combustible. Esta masa de combustible se utiliza en la
producción de 120 toneladas de cal al día.
El horno consta de dos torres, las cuales están equipadas con 7
quemadores cada una, que funcionan en intervalos de 15 minutos por carga de
caliza. Los parámetros de selección del quemador se presentan en la tabla 4.5.
127
Tabla 4.5 Parámetros de selección del quemador
Masa total comb.
Masa Comb./cada torre
Masa comb./carga
Masa comb./hora
Masa comb./quemador
( Kg-comb.) ( Kg-comb.) ( Kg-comb.) ( Kg-comb.) ( Kg-comb.)18509,43 9254,72 192,81 771,23 110,20
Fuente : Propia
Elaborado por: Edison Montaluisa y Henry Tipán
4.3.1.2.1 Potencia calórica
Una vez obtenido el valor de la masa de combustible para cada quemador,
se procede a calcular la potencia calórica del quemador, para proceder a su
selección de a cuerdo a los catálogos de proveedores.
CpcmQ *&& =
Reemplazando los valores se tiene que:
..10*24.4*
..*2.110 4
combkg
kJ
hora
combkgQ
−−=&
hora
kJQ 610*67.4=&
.3600
1*10*67.4 6
seg
hora
hora
kJQ =&
kWQ 6.1297=&
Donde:
=Q& Potencia calórica
=m& Masa de combustible que utiliza un quemador, durante un ciclo del horno.
=Cp Capacidad calórica del combustible, fuel oil 6.
128
4.3.1.2.2 Caudal de combustible
Para dimensionar el sistema de almacenamiento de combustible, se calcula
el caudal de combustible por cada quemador;
ρm&
& =∀
3/.
/.*
969
2.110
mcombKg
horacombKg −=∀&
Litros
galón
m
Litros
hora
m
3.4
1*
1
1000**1137.0
3
3
=∀&
...44.26 HPG=∀&
En base al resultado obtenido se selecciona el quemador UNIGRESS
8001 ZL, las especificaciones se presentan a continuación:
Rango de control: 5000-330 l/h.
Diámetro de la lanza: 76.1 mm.
Presión de trabajo: 9 - 36 bar. (130-522) psi
Todas las características del quemador se muestran en el Anexo 6.
4.3.2 SELECCIÓN DE LA BOMBA DE ALIMENTACION
La bomba hidráulica es la encargada de proporcionar la presión de 522 psi.
Debido a que son fabricadas bajo especificaciones estándar se solicito
información a un proveedor muy conocido como es HIDROCONTROL, el cual
provee un catálogo del cual se realiza una selección de la bomba de acuerdo a la
presión de 522 psi que se desea obtener.
129
Sus características son:
Tipo: Bomba Doble de paletas de caudal fijo
Marca: REXROTH BRASIL
Modelo: PVV41-1X/122-036RA15DDMC
Del modelo se obtiene la siguiente información:
PV = Bomba de paletas flujo constante
V = Tipo de bomba Industrial
41 = Bomba Doble
1X= Serie 10 hasta 19 (medidas de instalación y conexiones invariables)
122= cilindrada lado brida 121.6 cm3
0.36 = cilindrada lado tapa 36.4 cm3
R= Sentido de giro a la derecha (mirando hacia el extremo del eje)
D= Posición de las conexiones de presión sobre la brida arriba 0 º de la entrada
(mirando hacia la tapa)
D=Posición de conexión de presión sobre la tapa arriba 45 º a la derecha de la
entrada (mirando hacia la tapa)
C= Perforaciones SAE-C-2
Presión de trabajo: 700 psi
Caudal o desplazamiento: 1.895 litros/min.
Revoluciones: 1750 rpm.
Rendimiento: 93 %
Peso: 12 Kg.
Sujeción: Mediante bridas según SAE J744
Accionamiento: Directo, coaxial; no se pueden transmitir fuerzas radiales ni
axiales.
4.3.3 SELECCIÓN DEL MOTOR ELÉCTRICO
Es el elemento encargado de proporcionar la potencia necesaria para que la
bomba alcance la presión deseada. Su valor se calcula según:
130
HpP
hpWbar
P
litrosxbarpP
15.0
15.07.1136.0
895.1*366.0
min)/()(.
=
===
∀=
Donde:
P: Es la potencia ( hp)
p: Es la presión (bars)
.
∀ : Es el caudal (litros/ min)
Debido a una amplia gama de motores que existe en el mercado se
selecciona un motor que se pueda obtener fácilmente en el mercado y que en
cuanto a su precio sea económico.
La unidad es:
Potencia: 0.5 hp
Modelo: K-71 K2
Peso: 6.7Kg
NOTA: Se selecciona un motor de 0.5 hp ya que es más barato, factible y fácil de
conseguir, las especificaciones se presentan en el Anexo 6.
4.3.4 TANQUE DE COMBUSTIBLE
El volumen del tanque de combustible principal viene dado por la siguiente
expresión:
ρm=∀
3/.
.*
969
43.18509
mcombKg
combKg −=∀
Litros
galón
m
Litrosm
3.4
1*
1
1000**1.19
33=∀
.2.4442 gal=∀
131
El tanque de suministro diario debe tener una capacidad de 5000 galones
de combustible.
4.3.5 SELECCIÓN DE VIBRADOR
Debido a que es necesario que exista un exceso de aire para la combustión,
se utiliza vibradores neumático para poder generar la descarga del la caliza,
debido a que la temperatura de la caliza en la zona de descarga es
aproximadamente 100ºC se selecciona modelo 4405, las especificaciones de
muestran en el anexo 6.
4.3.6 SELECCIÓN DEL EQUIPO DE HIDRATACIÓN
La cal hidratada es producida básicamente por la mezcla de agua con la cal
viva. El agua y la cal viva son alimentadas en un hidratador en un porcentaje de
uno a uno.
A continuación se muestra la reacción química presente en el proceso de la
hidratación de la cal viva.
CaO + H2O → Ca(OH)2 + 489 BTU Calor
40+16 + 1+1+16 → 40+ (16+1)*2
74 → 74
Esta es la cantidad mínima de agua requerida para la reacción química, así
el hidróxido de calcio contiene 75.7% de CaO y 24,3% de agua. El proceso de
adición de agua al óxido de calcio para producir hidróxido de calcio se conoce
como hidratación de la cal viva. Este proceso limita entonces al proceso de
obtención de lechada de cal o hidratación de la cal. El proceso de hidratación de
la cal es un proceso de tipo exotérmico, y que genera una gran cantidad de calor.
El proceso de hidratación cuando se hace con la cantidad de agua justa se
llama “Hidratación Seca”. En este caso de hidratación el producto es un polvo
132
seco. Cuando se usa un exceso de agua en la hidratación el proceso se llama
“Apagado”, en este caso el producto resultante de la hidratación tiene la forma de
una lechada.
El proceso de Apagado normalmente se hace con una gran cantidad de
agua en exceso variando desde 2½ a 6 partes de agua por 1 parte de CaO3.
Según las condiciones de diseño la cantidad de material descargado es de
toneladas razón por la cual el mejor equipo de hidratación es el apagador tipo
mezclador rotativo (Slaker).
El apagador de cal tipo Slaker, generalmente en su partida usa una
relación de agua de 3.3 o 5 partes a 1 de Cal Viva (CaO), dependiendo de la
fabricación del equipo, de la calidad del agua y del CaO.
Este apagador de Cal es llamado también apagador con retención. Está
compuesto por dos cámaras. La primera cámara llamada “cámara de apagado”,
es donde la cal viva y el agua se mezclan. La segunda cámara es usada
usualmente para remover la arenilla. La lechada de cal fluye entre estas cámaras
por gravedad. La concentración es reducida en la segunda cámara con la adición
de agua fría lo que permite que la arenilla, se decante en el fondo de la segunda
cámara, donde la arenilla es sacada por medio de un transportador de tornillo. La
figura 4.22, muestra un apagador de tipo Slaker.
133
Figura 4.22 Equipo de hidratación
El apagador de cal, está diseñado generalmente para una retención de 10
minutos a su máxima capacidad. Esto significa que una partícula de CaO se
demora 10 minutos, desde que ingresa al Slaker hasta que entra a la segunda
cámara, donde se remueve la arenilla.27
Para los requerimientos de producción de la empresa, 5280 l/h se elige el
apagador tipo Slaker Modelo 40,06.
El Apagador de Cal está disponible en varios tamaños, (Ver anexo 6,
Equipos, Apagador Tipo Slaker).
27 MOHAMAD H, Una perspectiva general de los apagadores de cal.
134
4.4 MANUAL DE OPERACIÓN
A continuación se presenta los pasos para una correcta operación del horno,
desde la carga de la materia prima hasta la descarga de los productos, la cal viva,
hacia el tratamiento, almacenamiento y distribución de la misma.
4.4.1 CÁMARA DE CARGA
La caliza llega desde las bandas transportadoras y se descarga en la
primera cámara, la misma que consta de una tolva de alimentación.
Para cargar por primera vez el horno, en la parte superior existe una tapa la
misma que no está montada, luego se introduce tubos bridados los cuales son
sujetados mediante un tecle, se los baja para que no choquen con el refractario,
en el fondo en los vibradores se llena con papel, madera etc, con el propósito de
amortiguar la caída de la caliza y evitar el golpe directo, mientras se llena el
horno se va sacando uno a uno los tubos revisando que no se encuentren muy
separados del lecho de caliza, esta separación debe estar en un rango entre 400
y 1200 mm.
Existen dos niveles de quemadores a los que llegan ductos de aire
ambiental, de gases de combustión y de combustible que entran a unas lanzas
que tienen pequeñas toberas de un diámetro 15 mm y de 20 mm de longitud,
estas lanzas deben someterse a mantenimiento cada 24 horas para limpiarlas y
evitar que se tapen.
Para realizar el encendido del horno luego de haber cargado el horno por
primera vez se abre la válvula de combustible y la de aire y mediante el control
propio de chispa en el quemador se inicia la combustión, todas la madera y el
papel utilizado en la carga se quema cuando se enciende el horno.
135
4.4.2 PROCESO DE COMBUSTIÓN.
El combustible es suministrado únicamente en la columna activa través de
múltiples lanzas, la flama está en contacto directo con la caliza.
La descarga de calor es en parte absorbida para la calcinación de caliza en
la columna activa, el aire es soplado en la base de cada columna para enfriar la
caliza. El aire de enfriamiento, junto a los gases de combustión y el dióxido de
carbono de la combustión pasan a través del ducto transversal de interconexión a
la columna pasiva a una temperatura alrededor de los 1050ºC, en la columna
pasiva, los gases de la columna activa se mezclan con el aire de enfriamiento
soplado en la base de la columna pasiva y pasa hacia arriba haciendo de esta
manera que caliente la caliza en la zona de precalentamiento de la columna
pasiva, cada intervalo de carga y de combustión es de 15 minutos
aproximadamente en cada columna.28
En los quemadores existen compuertas para el paso del aire y de gases de
combustión, es decir se pueden regular según las necesidades ya que cuando no
se desea que se eleve la temperatura se usa los gases de combustión, mientras
que cuando se desea elevar la temperatura se utiliza una mezcla con aire.
4.4.3 DESCARGA DE LA CAL VIVA
La zona de enfriamiento se encuentra bajo los quemadores y es la única
zona plenamente determinada, bajo esta zona se encuentran los sistemas de
descarga que constan de vibradores y de compuerta de descarga que tienen una
palanca móvil de accionamiento manual para poder evacuar la cal viva hasta las
bandas de trasporte.
El horno debido a la descarga sufre una pequeña vibración, este efecto se
lo denomina asentón, se produce por que la cal viva que se descarga más rápido
28 www.qualical.com
136
es la del centro y se crea un vacío, cuando la cal llena este vacío el horno
tiembla.
4.4.4 TANQUE DE COMBUSTIBLE
El combustible debe ser almacenado en un tanque que esté provisto de un
calentador eléctrico para que se precaliente, luego debe pasar por un filtro para
limpiar las impurezas y finalmente debe ser bombeado hacia los quemadores.
Es necesario calentar el combustible para que su viscosidad disminuya y
lograr una atomización adecuada y por tanto una buena combustión del mismo.
4.5 MANTENIMIENTO DEL HORNO
Se debe realizar tres actividades de mantenimiento básicas, mantenimiento
preventivo, predictivo y correctivo.
4.5.1 PREVENTIVO
El mantenimiento preventivo consiste una serie de labores periódicas que
buscan la correcta operación del sistema en cada uno de sus componentes
mediante un control para prevenir fallos inesperados.
Dentro del mantenimiento preventivo diario se debe realizar:
• Chequear las variables de proceso, temperatura, presión, etc.
• Mantener la cámara libre de materiales indeseados, libre de impurezas.
• Inspeccionar líneas de suministro de combustibles líquidos.
• Inspeccionar las conexiones hidráulicas (usar fluidos no inflamables de
prueba).
137
En el mantenimiento preventivo mensual se debe realizar:
• Ajustar las terminales eléctricas de los contactores y controles.
• Remover la cubierta e inspeccionar serpentines de enfriamiento y
conexiones.
• Examinar los elementos internos expuestos al calentamiento.
• Chequear los sistemas mecánicos como vibradores y compuerta de
descarga.
• Chequear de los gases de combustión al exterior del horno.
• Revisar el estado de las capas de refractario.
Dentro del mantenimiento preventivo semestral se debe:
• Calibrar elementos de medición.
• Realizar un análisis de la combustión.
En el mantenimiento preventivo anual se debe:
• Desmontar el sistema y realizar mantenimiento completo, reemplazando
piezas desgastadas.
• Chequear la condición interna de las capas de refractario.
• Desmontar el sistema del quemador para limpiar boquillas y ajustar
atomización.
138
4.5.2 PREDICTIVO
Dentro del mantenimiento predictivo se debe realizar:
• Ensayos no destructivos (tintas penetrantes, magnetismo, radiaciones etc).
• Análisis metalúrgico.
• Análisis energéticos.
En general las fallas más frecuentes en hornos se presentan en:
• Sistemas de ventilación.
• Quemadores.
• Aislamientos.
Para realizar un mantenimiento total del es necesario localizar las zonas
críticas del horno, las cuales son: La capa de material refractario tanto en la zona
de precalentamiento como en la zona de calcinación, los sistemas de combustión
y sistemas de carga y descarga.
4.5.2.1 Capa de refractario
Es necesario realizar un mantenimiento preventivo ya que los ladrillos
refractarios sufren abrasión, esto se consigue al analizar la materia prima, la
caliza, ya que si la calidad es baja, o contiene muchas impurezas, como la arcilla,
estas se pegan al refractario y provoca un desprendimiento, este problema
predomina en la zona de precalentamiento.
En la zona de calcinación debido a la presencia de una mayor temperatura y a los
intervalos de cambio de las boquillas de los quemadores, se producen
139
dilataciones y contracciones del ladrillo refractario lo que produce un
agrietamiento debido a la fragilidad del mismo, provocando desprendimientos de
trozos de material que disminuyen su espesor.
Una vez que se produce la disminución de espesor de la capa de refractario
de lugar a la aparición de puntos calientes en capa metálica del horno y una
disminución en la eficiencia térmica del horno.
El mantenimiento correctivo es inevitable ya que cada año es necesario
cambiar tramos de ladrillo refractario.
4.5.2.2 Sistema de combustión
Los sistemas de combustión son independientes en su funcionamiento por
tanto es necesario realizar un mantenimiento preventivo tanto en la bomba de
alimentación de combustible, filtros, ductos de alimentación, compresor y demás
accesorios.
4.5.2.3 Sistema de carga y descarga
Tanto los sistemas de carga de caliza como los sistemas de vibrado y
compuerta de descarga de la cal viva deben ser revisados diariamente por
personal especializado ya que en el proceso de producción de la cal se generan
grandes cantidades de polvo que puede producir trabas, desgaste, corrosión y
averías que provocan un mal funcionamiento de dichos componentes.
4.6 PROTOCOLO DE PRUEBAS
Una vez concluido la etapa de diseño y construcción del horno para la
producción de cal, se debe someter al mismo a diferentes pruebas con la finalidad
de comprobar de manera real las especificaciones.
140
Es necesario realizar pruebas desde dos puntos de vista, funcional, y
energético.
Desde el punto de vista funcional es necesario realizar las siguientes
pruebas:
Se debe realizar una prueba hidrostática al sistema de combustión, para
verificar el correcto funcionamiento de las juntas de estanqueidad y evitar
problemas de fugas en los conductos de combustible.
Es necesario calibrar los quemadores para que el flujo de combustible sea
el adecuado.
Se debe realizar una limpieza de los quemadores cada 24 horas.
Desde el punto de vista energético es necesario realizar las siguientes pruebas:
Se debe colocar termocuplas a nivel de los quemadores, sobre el nivel de
descarga, en las zonas de calcinación y precalentamiento y finalmente en la
salida de los gases de combustión para poder determinar que las temperaturas
de trabajo en dichos puntos no sobrepasan los valores de diseño. La temperatura
en el nivel de los quemadores no debe exceder los 1100ºC.
Se debe verificar mediante análisis de laboratorio que en la descarga de
material se tenga cal viva solamente y no la presencia de carbonato de calcio ya
que el proceso es reversible, si esto ocurre, es necesario revisar los sistemas de
evacuación de gases de escape o aumentar el flujo de aire desde los vibradores
para mantener una atmósfera pobre de CO2 y mantener la presión parcial del
dióxido de carbono inferior a la presión de descomposición en comparación a los
valores que se presentan en la tabla 4.6 :
141
Tabla 4.6 Parámetros de selección del quemador
Temperatura (ºC) 500 600 700 800 900 1000Presión ( mmHg) 0,11 2,35 25,3 168 773 2710
Fuente : Propia
Elaborado por: Edison Montaluisa y Henry Tipán
4.7 IMPACTO AMBIENTAL
El análisis sobre el impacto ambiental se realiza en base a las normas de
NPI de emisiones en la manufactura de la cal y dolomita que implanta el
Departamento de Medio Ambiente y Herencia de Queensland, el cual establece
los parámetros para la estimación del grado de contaminación del horno en
funcionamiento.
Las principales emisiones de un horno de cal son el Dióxido de Azufre
(SO2), Óxidos de Nitrógeno (NOx), otros gases sulfurados (TRS) y partículas de
material.
El Dióxido de Azufre se genera en el horno de cal principalmente por el
azufre contenido en el combustible que se emplea para calentar el horno. Los
lodos que alimentan el horno hacen un aporte marginal en contenido de azufre, ya
que ellos son previamente lavados con sistemas de clarificadores o filtros de
prensas para recuperar la mayor parte de los compuestos que contienen azufre,
los cuales son reutilizados en el proceso. Además de la solución evidente de
utilizar combustibles con bajo contenido de Azufre, es importante señalar que el
horno de cal tiene la capacidad para reducir la emisión de SO2, en base al
Carbonato de Sodio (Na2CO3) presente en los lodos de alimentación:
2Na2CO3 (liq.) + Calor → 4Na (gas) + 2CO2 + O2
SO2 (gas) + 2Na (gas) + O2 → Na2SO4 (liq) → Na2SO4 (sólido)
142
La emisión de gases sulfurados (TRS), principalmente Sulfuro de
Hidrógeno (H2S), desde el horno de cal es relativamente baja. El principal
responsable de su generación es la presencia de Sulfuro de Sodio (Na2S) en los
lodos de alimentación, el cual reacciona con el SO2 y el vapor de agua, según la
siguiente reacción:
Na2S + CO2 + H2O → H2S + Na2CO3
Por esta razón, los lodos son lavados y filtrados previo a su ingreso al
horno de cal con el propósito de extraerles el Sulfuro de Sodio, un insumo valioso
del proceso de cocción de la pulpa. Esta depuración básicamente busca oxidar el
Na2S, transformándolo en Tiosulfato de Sodio (Na2S2O3), una sustancia no tóxica.
La emisión de partículas se minimiza en virtud de los sistemas de control
que poseen los modernos hornos de cal de CMPC, además de equipos
adicionales, como lavadores de gases (scrubbers) y precipitadores electrostáticos.
La emisión de Óxidos de Nitrógeno (NOx) se evita con la instalación de
quemadores especiales en el horno de cal.
Las emisiones hacia la atmósfera incluyen óxidos de nitrógeno, dióxido de
azufre, monóxido y dióxido de carbono y una parte de polvo.
Las emisiones dependen del diseño del horno, condiciones de operación
tipo de combustible utilizado y de la calidad de la caliza utilizada, los niveles de
emisión del dióxido de carbono están directamente relacionados en el proceso
químico de la combustión.
Generalmente los hornos de columna emiten la menor cantidad de NOx
debido a que la temperatura en las columnas está usualmente de entre 1200 a
1400ºC. Aproximadamente y en horno de doble columna disminuye dicha
temperatura a rangos de 100 a 1200ºC, esto produce que la formación de NOx
sea comparablemente más baja.
143
Adicionalmente el proceso de combustión usualmente produce temperatura
de la flama mucho más bajas que los hornos rotatorios.
En la mayoría de operaciones de quemado de la caliza, mucho del azufre
presente en la piedra caliza y en el combustible es captado por la cal viva, debido
al contra flujo entre los gases de escape y la cama de caliza.
Los óxidos de nitrógeno son formados por la oxidación del nitrógeno del
combustible y el aire de la combustión.
Los NOx dependen de la temperatura y está determinado por el tipo de
combustible presente.
Los NOx termales son formados a temperaturas superiores a 1300 ºC y
su concentración depende de la temperatura.
La velocidad de la formación de los NOx termales es una función
exponencial de temperatura, si la temperatura es baja todos los NOx presentes
son debido al combustible.
Es muy difícil un mezcla uniforme de combustible y el aire secundario
desde la zona de enfriamiento durante la combustión completa del combustible,
siempre con altos excesos de aire hay la posibilidad de puntos caliente en las
capas de material en los segmentos del fondo de la zona de calcinación esto
siempre lleva a la formación de cantidades significativas de NOx y su
concentración en la combustión completa pueden exceder los 450 mg/m3.
Se concluye que al utilizar los quemadores adecuados para el Fuel Oil Nº6
(Bunker C), como son los UNIGRESS ZL, disminuyen los índices de
contaminación a niveles aceptables, ya que el fabricante de éstos realiza un
mejoramiento continuo en sus diseños y recomienda la utilización en la
manufactura de piedra caliza a cal viva.
144
CAPÍTULO V
COSTOS DE FABRICACIÓN
5.1 ANÁLISIS DE COSTOS
El análisis de costos, tiene la finalidad de obtener una visión económica del
proyecto. Para el análisis de los costos se recopila información de las principales
proveedoras de material prima y de equipos. Las distribuidoras son las siguientes:
La Llave, Bohler, Castillo Hermanos, Aceros y Aceros e Ivan Bohman.
El costo total del horno se halla compuesto de:
- Costos directos:
• Materiales directos
• Elementos normalizados
• Costos de Maquinado
• Costos de Montaje
- Costos indirectos
• Materiales indirectos
• Costos de Ingeniería
• Gastos indirectos
145
5.1.1 ANÁLISIS DE COSTOS DIRECTOS
Para establecer los costos directos se analiza los siguientes costos
parciales: Materiales directos, elementos directos, costos de maquinado y
montaje.
5.1.1.1 Materiales directos
Los costos de materiales directos se presentan en la tabla 5.1
Tabla 5.1 Costos de materiales directos
DENOMINACION ESPECIFICACION/MATERIAL CANTIDAD UNIDAD PRECIO UNITARIO PRECIO TOTAL
PLACHA DE ACERO 90X120 ESPESOR 5/8 515 GRADO 60 40 unidades 2068,7 82748,00LADRILLO REFRACTARIO A BASE DE MAGNESITA REPSA MAGNEL 63282 kg 0,92 58219,44REFRACTARIO A BASE DE ALUMINA BAUXAL 85 44514,8 kg 1,5 66772,20MORTERO ALUFRAX 68 4592,67 kg 1,25 5740,84PERFIL ESTRUCTURAL W14X426 ASTM A36 10 unidades 325 3250,00PERFIL CUADRANGULAR 10x10x1/2 ASTM A36 6 unidades 220 1320,00PERFIL CUADRANGULAR 4X4X1/4 ASTM A36 5 unidades 95 475,00PERFIL CUADRANGULAR 2X2X3/16 ASTM A36 7 unidades 56 392,00PLACA DE ACERO 1 1/2" ASTM A36 1 unidad 1200 1200,00PERFIL CUADRANGULAR 10x10x1/4 ASTM A36 4 unidades 280 1120,00LAMINAS DE ACERO 90X120 ESPESOR 1/8 ASTM A36 3 unidades 165 495,00PLANCHA DE ACERO ESPESOR 1/4 ASTM A36 5 250 1250,00
PLACA DE ACERO 1" ASTM A36 2 700 1400,00PLACA DE ACERO CORRUGADO ESPESOR 1/2" ASTM A36 2 560 1120,00
EJE DE ACERO Ø 1 1/2" ASTM A36 5 unidades 70 350,00
TUBERIA Ø 20" CED 40 ACERO REFRACTARIO 310 1 unidad 3500 3500,00229352,48Subtotal
Fuente : Propia
Elaborado por: Edison Montaluisa y Henry Tipán
146
5.1.1.2 Elementos normalizados
Los costos de los elementos normalizados y que se adquieren en el
mercado se muestran en la tabla 5.2
Tabla 5.2 Costos de elementos normalizados
DENOMINACION ESPECIFICACION/MATERIAL CANTIDAD UNIDAD PRECIO UNITARIO PRECIO TOTAL
CONJUNTO QUEMADOR UNIGRESS 8001 ZL 14 unidades 2400 33600
VIBRADOR NEUMÁTICO MODELO: 4405 SILO FLUIDIZER 4 unidades 450 1800
MOTOR ELECTRICO MODELO: K132 S2 14 unidades 320 4480
BOMBA MODELO:PVV41-1X/122-036RA15DDMC 14 unidades 350 4900
PERNOS UNF 1 1/8" ACERO A-574 40 unidades 3 120
TUERCAS UNF 1 1/8" ACERO A-574 40 unidades 1,5 60
ARANDELAS 1 1/8" ACERO A-574 40 unidades 1 40
PERNOS M39X220 ACERO A-574 64 unidades 4 256
TUERCAS PARA M39 ACERO A-574 128 unidades 2,5 320
ARANDELAS M 39 ACERO A-574 128 unidades 1,75 224
BRIDA 20" BLIND FLANGE 20" NPS CL #150 2 unidades 458 916
EMPAQUE ELASTOMERO 45 2 unidades 25 50
46766Subtotal
Fuente : Propia
Elaborado por: Edison Montaluisa y Henry Tipán
5.1.1.3 Costos de Maquinado
El costo del maquinado se refiera al factor humano, el costo de la mano de
obra, el costo de la utilización de la herramienta correspondiente y el equipo
adicional. Estos valores se presentan en la tabla 5.3
147
Tabla 5.3 Costos de maquinado
Torno 6 3 18Soldadura 8 480 3840
Taladradora 4,5 4 18Cizalla 4,5 3 13,5
Dobladora 3 8 24Moladora 4 300 1200Oxicorte 8 100 800
5913,5Subtotal
MAQUINACOSTO POR MAQUINA CON
MANO DE OBRA [USD/h]TIEMPO TOTAL
[h] Aprox.COSTO TOTAL POR
MAQUINA [USD]
Fuente : Propia
Elaborado por: Edison Montaluisa y Henry Tipán
5.1.1.4 Costos de montaje
Estos costos están relacionados con la mano de obra necesaria para el
montaje del horno. Para análisis de este valor se considera el trabajo de 30
personas durante 30 días a un costo de $25 diarios/trabajador, lo que resulta un
costo total de 22500 dólares.
5.1.1.5 Costo Directo Total
En la tabla 5.4 se indica la cantidad total del costo directo.
Tabla 5.4 Costos Directo Total
COMPONENTES VALOR[USD]Materiales Directos 229352,48
Elementos normalizados 46766,00Costo de maquinado 11733,5
Costo de Montaje 22500Subtotal 310351,98
Fuente : Propia
Elaborado por: Edison Montaluisa y Henry Tipán
148
5.1.2 ANÁLISIS DE COSTOS INDIRECTOS
Para el desarrollo de los costos indirectos se analiza los siguientes costos
parciales: Materiales indirectos, costo de ingeniería y gastos indirectos.
5.1.2.1 Materiales Indirectos
Los costos de materiales indirectos se muestran en la tabla 5.5
Tabla 5.5 Costos de materiales Indirectos
VALOR UNITARIO VALOR TOTAL[USD] [USD]
Electrodos 7018 210 kg. 1,5 315Electrodos 310 29,4 kg. 4,2 123,48Pintura anticorrosiva 40 litros 3 120Varios 3000
3558,48
UNIDAD
Subtotal
MATERIAL CANTIDAD
Fuente : Propia
Elaborado por: Edison Montaluisa y Henry Tipán
5.1.2.2 Costos de Ingeniería
Los costos de ingeniería se relacionan con, la toma de decisiones y la
selección de materiales y equipos, es decir con el trabajo intelectual desarrollado.
Para este efecto se debe tomar en cuenta que el sueldo promedio de un
Ingeniero de Diseño está en un valor de 750 dólares mensuales, y como el trabajo
fue desarrollado en 12 meses, los costos de Ingeniería toman un valor de 18000
dólares. Debido a la situación económica del país el presente Proyecto tiene un
tiempo de ejecución de aproximadamente 2 años a partir de la presente fecha.
149
5.1.2.3 Gastos Indirectos
Los gastos indirectos corresponden a los costos de transporte de material,
y a los imprevistos que no pueden ser cuantificados, es decir un valor de
salvamento. Además se estima que el transporte de material tendría un costo
aproximado de 20000 USD debido al volumen de carga que se necesita
transportar.
5.1.2.4 Costo total indirecto
En la tabla 5.6 se indica la cantidad total del costo indirecto.
Tabla 5.6 Costos Total Indirecto
COMPONENTE DEL COSTO VALOR[USD]Materiales Indirectos 3558,48Costo de ingeniería 18000Gastos Indirectos 20000
Subtotal 41558,48
Fuente : Propia
Elaborado por: Edison Montaluisa y Henry Tipán
5.1.3 COSTO TOTAL DEL HORNO.
Resulta de la adición de los costos directos con los costos indirectos, esto
se indica en la tabla 5.7
Tabla 5.7 Costo Total del horno
COMPONENTE DEL COSTO VALOR[USD]Costo Directo 310352
Costo Indirecto 41558Total 351910
Fuente : Propia
Elaborado por: Edison Montaluisa y Henry Tipán
150
Como se puede ver en la tabla 5.7; el costo del horno tiene un valor
relativamente alto en los que respecta a la construcción, pero es una inversión a
mediano plazo, ya que el volumen de venta de la cal es alto.
151
CAPÍTULO VI
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1 CONCLUSIONES
Una vez finalizada la etapa de diseño del horno se presentan a
continuación las siguientes conclusiones.
� El desarrollo de nuevas tecnologías en el Ecuador es de vital importancia
para poder aprovechar los recursos naturales.
� En la actualidad el País cuenta con un solo horno para la producción de cal
viva a gran escala, por esta razón es necesario el desarrollo de nuevos
sistemas de producción minera.
� La explotación de la cal está limitada por la falta de equipo necesario.
� El horno diseñado es un sistema que cuenta con una eficiencia térmica
teórica del 50% y las temperaturas alcanzadas en la cámara de combustión
no superan los 1200ºC, por tal razón se logra obtener cal viva de mayor
calidad que los hornos convencionales simples.
� El combustible debe ser precalentado para conseguir una mejor
atomización.
� Es necesario colocar tres capas de refractario en cada zona, la primera
para disminuir la transferencia de calor, la segunda para evitar el desgaste
y una tercera para seguridad.
152
� Los quemadores forman parte de un sistema complejo de funcionamiento,
este aspecto provoca que su precio sea alto ya que es necesario una
importación de dicho sistema, que es construido únicamente en industrias
desarrolladas.
� La capacidad del horno se determina en función del estudio del sitio
presentado en el capítulo 3, ya que la mina generará una cantidad de 3
millones de metros cúbico de caliza.
� En el aspecto térmico, el horno es un intercambiador de calor de flujo
paralelo con dos cámaras de combustión para optimizar el consumo de
combustible y disminuir las pérdidas de calor.
� El horno tiene incorporado temporizadores simples para poder controlar las
cargas y descargas de material y el suministro de combustible para evitar
problemas operacionales.
� Aumento del volumen de consumo por el descubrimiento de nuevos usos a
la cal (oxido del calcio).
� Al aplicar técnicas innovadoras y de bajo costo para la extracción de
recursos naturales en el país, se impulsa a una mejor distribución de la
riqueza nacional.
� El aprovechamiento energético del combustible es de vital importancia para
hornos de este tipo.
153
6.2 RECOMENDACIONES
� Controlar los índices de CO2 en el horno ya que este podría reaccionar
nuevamente con la cal viva y dar lugar a la formación nuevamente de
Carbonato de Calcio ya que es un procedo reversible.
� Controlar la calidad del combustible, en este caso el Fuel Oil 6, para poder
disminuir los niveles de contaminación ambiental.
� El lo referente al aspecto operacional es necesario realizar una inspección
periódica de las capas de material refractario, principalmente en la capa de
refractario a base de alúmina ya que esta está expuesta a abrasión por
parte de la caliza.
� Controlar el funcionamiento óptimo de os vibradores para que no existe
problemas de gritas en el refractario.
� Mantener el horno en operación, caso contrario se produce un
enfriamiento, de la capa de refractario y en el instante de la nueva
operación se desarrollan dilataciones severas que tienden a fisurar el
ladrillo.
� Es necesario controlar el rango permitido de tamaño de la piedra caliza en
la alimentación ya que este aspecto influye la calidad de la cal obtenida.
� Realizar la descarga de la cal viva durante cada carga de caliza ya que la
cantidad de materia cargada es mucho mayor que el material descargado y
esto puede producir una sobrecarga de caliza con lo cual disminuye la
calidad de la misma.
� Es importante planificar un mantenimiento adecuado, ya que elementos
como el refractario sufren desgaste durante el ciclo.
154
� Para el montaje y la operación del horno se debe tomar muy en cuenta la
seguridad industrial debido a su tamaño.
� La instalación adecuada del quemador garantiza el consumo adecuado de
combustible sin que exista pérdidas por combustiones incompletas.
� Es importante tener en cuenta el nivel mínimo del combustible para que no
exista problemas en las bombas de alimentación.
155
BIBLIOGRAFÍA
1. PERRY R, Chemical Engineers’ Handdbook, 7ª Edición, Editorial Mc Graw-
Hill, Estados Unidos, 1999.
2. CENGEL Y, Termodinámica Tomo II, 2ª Edición, Editorial Mc Graw-Hill,
México, 2000.
3. INCROPERA F, Fundamentos de Transferencia de Calor, 4ª Edición,
Editorial Prentice Hall, México, 1999.
4. SHIGLEY J, Diseño en Ingeniería Mecánica, 5ª Edición, Editorial Mc Graw-
Hill, México, 1989.
5. AISC, Manual of Steel Construction, Eighth edition, 1980.
6. EUGENE, Manual de Recipientes de Presión, 7ª Edición, Editorial Limusa,
México, 1989.
7. SPIROPULOS J, Small Scale Production of Lime for Building, Deutsche
Gesellschaft, 1985.
8. VARGAS, J; Guía de los fundamentos de Dibujo Industrial; E.P.N., Carrera
de Ingeniería Mecánica; Quito-Ecuador, 2006.
9. INEN; Código de Dibujo Técnico Mecánico; Quito, 1981.
10. Documento de Referencia de la mejores técnicas disponibles para la
manufactura de la cal, Comisión Europea, 2001.
11. Midwest Research Institute, Sección 11.15, Manufactura de la cal.
156
12. Manual de Estabilización del Suelo Tratado con Cal, Nacional Lime
Association, 2004.
13. MOHAMAD H, Una perspectiva general de los apagadores de cal.
14. DEWOLF T, Diseño de Placas Base de Columnas, Manual AISC, USA,
1990.
15. ROBALINO F. Y NARVAEZ, Metodología de Diseño y Construcción para
Hornos de Combustión, Fabricación de Prototipo, Tesis EPN, 1991.
16. LOPEZ W, Diseño y Construcción de un Horno para Laboratorio Tipo Mufla
con Calentamiento de Gas, Tesis EPN, Abril 1984.
17. www.calhidra.com.mx/Lsosindustriales.html#acero
18. www.qualical.com
19. wwwces.iisc.ernet.in/energy/HC27079/HDL/spanish/sk01ms/sk01ms09.htm
20. wwwcalalbors.com.ar/historial.htm
21. www.quiminet.com.mx/sh9/sh_armRsDFarmaasd.htm
22. Documentos del Departamento de Medio Ambiente y Herencia de
Queensland
ANEXOS
ANEXO 1
PROPIEDADES DE ELEMENTOS Y COMPUESTOS QUÍMICOS
Figura 1.1 Tabla periódica
Figura 1.2 Entalpía de formación
FUENTE: PERRY R, Chemical Engineers’ Handdbook, 7ª Edición, Editorial Mc
Graw-Hill, Estados Unidos, 1999.
ANEXO 2
HOJAS TÉCNICAS
Figura 2.1 Fuel oil # 6.
Figura 2.2 Refractario a base de alúmina
FUENTE: ERECOS
Figura 2.3 Refractario a base de magnesita
Figura 2.4 Mortero
FUENTE: ERECOS
Figura 2.5 Dimensiones estándares de los ladrillos refractarios
FUENTE: ERECOS
ANEXO 3
MATERIAL ESTRUCTURAL
Figura 3.1 Acero 515.
FUENTE: ESTRADA J., Manual de Recipientes de Presión, Edición 2001.
Figura 3.2 Perfil W14x426
FUENTE: AISC, Manual of Steel Construction, 8ª Edition, 1980
Figura 3.3 Perfil cuadrangular 2x2x3/16
FUENTE: AISC, Manual of Steel Construction, 8ª Edition, 1980
ANEXO 4
GRÁFICOS
Figura 4.1 Curvas de recipientes sujetos a presión externa.
FUENTE: MEGYESY F, Manual de Recipientes de Presión, 7ª Edición, Editorial
Limusa, México, 1989.
ANEXO 5
CÁLCULOS EN SAP 2000
Figura 5.1 Horno para la producción de cal.
Figura 5.2 Esfuerzos normales en las vigas.
Figura 5.3 Comprobación de las vigas.
Figura 5.4 Esfuerzos normales en las columnas
Figura 5.5 Diagrama de momentos en las columnas
Figura 5.6 Comprobación de las columnas.
.
Figura 5.7 Esfuerzos considerados para el cálculo de soldaduras.
Figura 5.8 Cargas en el canal de alimentación.
Figura 5.9 Momento máximo de la viga principal de la estructura de la tolva de
alimentación
ANEXO 6
EQUIPOS
Figura 6.1 Especificaciones del quemador.
FUENTE: Unitherm Cemcon
Figura 6.2 Especificaciones motor eléctrico.
FUENTE: IVAN BOHMAN
Figura 6.3 Especificaciones de los vibradores neumáticos.
FUENTE: SOLIMAR
1
Figura 6.4 Compuerta de descarga
FUENTE: SOLIMAR
MODELOCAPACIDAD MAXIMA
(l/h)AGUA DE APAGADO
GPMAGUA MÁXIMA REQUERIDA PARA LA
LECHADA DE 15%MOTOR NECESARIO
(HP)1ºCAM/2ºCAM40,01 250 1,9 3,3 1,540,02 500 3,9 6,7 1,5
40,02B 1000 7,9 13,3 1,540,03 1500 11,9 20 1,5
40,03B 2000 15,9 26,6 540,04 3000 23,9 39,9 5
40,04B 4000 31,9 53,3 540,05 5000 39,9 66,6 540,06 6000 47,9 79,9 7,540,08 8000 63,9 106,6 1040,12 12000 95,9 159,8 10/0,540,16 16000 127,96 213,1 15/0,540,24 24000 191,8 319,7 15/10,0
Figura 6.5 MODELOS DE APAGADOTE SLAKER
FUENTE: MOHAMAD H, Una perspectiva general de los apagadores de cal.
ANEXO 7
PLANOS