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HORNO ROTATORIO PARA LA CALCINACION DE YESO
1. INTRODUCCIÓN.-
En nuestra actualidad existen industrias rurales que producen yeso.
Industrias que en un mayoría utilizan como principal combustible la
leña, siendo que solamente un 25% posee en la actualidad
abastecimiento de gas natural, claro que debemos resaltar el hecho de
que este porcentaje cada vez asciende más debido a Diversos factores
que se toma en cuenta en varios aspectos, entre ellos se puede
destacar el hecho de la deforestación ambiental y las leyes que cada vez
las protegen aún más.
Los productores se hallan organizados en la ASOCIACIÓN DE
PRODUCTORES DE YESO Y CAL (APYC). Dicha Asociación realiza
actividades sobre todo dirigidas a la nivelación de los precios,
especialmente del yeso. Sin embargo la heterogeneidad ha provocado a
la asociación serias dificultades en la coordinación y en la toma de
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En este sentido, se propuso diseñar un horno industrial, implementando
los siguientes cambios con respecto al horno antiguo.
I. Aumento de la capacidad de producción: A 4 toneladas/hora de
yeso
II. Cambio de combustible: Los hornos antiguos empleaban leña o
gas natural, este nuevo horno funcionara ya sea con gas natural o
gas industrial.
III. Aumento de las dimensiones del horno: Los hornos antiguos eran
pequeños y precarios por lo que el cocido no era uniforme y
además se producía poca cantidad de producto terminado. Este
nuevo horno será un horno rotatorio hecho de acero con una
dimensión de 2.2 metros de diámetro y 45 metros de longitud
para cubrir la capacidad deseada de 4 toneladas/hora.
Combustible
Leña Gas Natural
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2. OBJETIVOS.-
2.1 OBJETIVO GENERAL.-
Diseñar un horno rotatorio de calcinación de piedra caliza molida
para cubrir la demanda existente del departamento de Cochabamba.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.-
Calcular las dimensiones del horno, con el propósito de hacer
los respectivos cortes al acero utilizado, doblado, armado,
preparación del material y soldaduras respectivas.
Seleccionar los materiales adecuados con los cuales se
fabricara el horno, recubrimientos externos, cadena y todos
sus demás elementos.
Calcular las variables operacionales del horno, teniendo en
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temperaturas más elevadas a las anteriores, permiten la fusión de
metales y minerales.
La temperatura deseada en el horno se produce por la generación de
calor, para lo cual se emplean dos métodos:
Combustión de combustible.
Conversión de energía eléctrica en calor.El tipo de horno de combustión se emplea mucho más que el eléctrico,
sin embargo, para muchas aplicaciones se prefiere el eléctrico, porque
ofrece ventajas que no pueden ser medidas por el coste de combustible.
Teniendo en cuenta que el presente proyecto se involucra la puesta a
punto de un horno rotatorio para la calcinación de mineral de yeso, a
continuación se describe el funcionamiento de este tipo de horno que
usa combustible para generar calor.
3.1 TIPOS DE HORNOS PARA LA PRODUCCION DE CAL
3.1.1 HORNOS ROTATORIOSUn horno rotatorio es un reactor químico que se usa para
tostar o calcinar materiales como bauxita yeso alúminia
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Este horno consiste de un cilindro de acero, recubierto interna
o externamente por un material refractario. Los hornosrotatorios con recubrimiento interno se diseñan para soportar
temperaturas cercanas y superiores a 1000°C, por ejemplo
para la reducción de ferroníquel. Por su parte, los hornos
rotatorios con recubrimiento externo, se diseñan para
aplicaciones en los que la temperatura está entre 100 y 600
°C. Como es el caso de los hornos de calcinación de yeso.
Como su nombre lo indica, los hornos rotatorios poseen un
mecanismo de rotación sobre su eje, el cual permite el
transporte del material por tratar dentro del horno. El horno
tiene dos cabinas, situadas en los extremos del cilindro, la
primera, en donde inicia el proceso de calentamiento se
denomina cabina de alimentación, Se llama así por tener una
abertura en la vista frontal para la entrada del material y una
chimenea en la parte superior. Gracias a la inclinación del
horno y a su rotación, el material alimentado se mueve cuesta
abajo hasta la segunda cabina, denominada cabina de salida.
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De acuerdo al sentido de rotación del horno se unen porsoldadura en su pared interior las aspas en forma de espiral.
Esto se hace para que haya un buen mezclado, una apropiada
exposición al calor dentro del horno y para direccionar hacia la
zona inferior.
Después de la alimentación del mineral, este desciende
gracias a su rotación, hasta llegar a un punto bajo en donde
hay incremento de su temperatura porque se acerca a la
llama. Esto se denomina proceso en contra flujo, porque el
material desciende y la llama asciende.
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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 directo con los gases provenientes de la
zona de calcinación, es decir los gases de combustión.
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
piedra 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
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Figura 3.2 horno de columna
3.1.3 HORNO DE COLUMNA DOBLE INCLINADO
Este es esencialmente rectangular en su sección transversal,
pero incorpora dos secciones en la zona de calcinación. Los
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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.
3.1.5 HORNO REGENERADOR 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 oxido 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.
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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 800 °C.
La calcinación es completada a nivel del canal transversal de
comunicación entre las columnas a una temperatura sobre los
1100 °C, esto 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%. En la figura se presenta un esquema de
las principales secciones que conforman el horno regenerativo
de flujo paralelo.
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3.2 PRODUCCIÓN DE YESO
El yeso es un mineral constituido por sulfato de calcio, que seencuentra en muchos lugares de la superficie terrestre,
formando unas veces masas compactas o rocas blandas,
otras veces masas terrosas y en algunos casos disueltos en
determinadas aguas, llamadas selenitosas.
Se considera que el yeso se originó hace 200 millones de
años como resultado de depósitos marinos, cuando parte de lo
que ahora son nuestros continentes eran inmensas
extensiones oceánicas. Durante este periodo algunos mares
se secaron dejando lechos de yeso que se recubrieron para
ser cubiertos posteriormente por el hombre.
El yeso tiene poca dureza y es poco resistente a la intemperie
por lo que raras veces emplea como piedra de exterior.
El mineral de yeso puede contener impurezas tales como,
carbonato de cal, arcilla, betún, óxido ferroso, etc. Que pueden
conferirle color amarillento, rojizo, verdoso, azulado u oscuro.
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El estudio de los efectos de la cocción del mineral de yeso se
deben al químico francés Lavoisier (1743-1794), quien
determino que dicho mineral contiene dos moléculas de agua
de cristalización en la proporción de la cuarta parte de su peso
o sea, 25% aproximadamente.
Luego de retirar el agua de cristalización, mediante la acción
de calor, si se adiciona agua, el yeso retoma su estado original
desprendiendo así calor y presentando un rápido
endurecimiento. Esta propiedad puede serle dada o quitada, al
yeso, según se le quite más o menos agua de cristalización.
De aquí las diversas clases de yeso que pueden obtenerse.
Lavoisier observo también que el yeso cocido en exceso
pierde la facultad de fraguar, y al amasarlo con agua forma
una pasta friable que se reduce a polvo al evaporarse el agua
amasado.
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Al seguir calentando entre 180 y 200 °C, se elimina la mayor
parte de la media molécula restante, pero si se deja en
contacto con el aire la recupera parcialmente. Este yeso,
amasado con agua, fragua tan rápidamente que no puede
aplicarse como mortero, sirviendo en cambio para estucos y
modelado.
La aptitud para el fraguado disminuye gradualmente cuando
se cuece el yeso a temperaturas más elevadas.
De 200 a 250 °C se obtiene un yeso con ligero residuo de
agua, con fraguado muy lento y buena resistencia.
De 250 a 400 °C se obtiene un yeso de fraguado
aparentemente rápido, pero con resistencia casi nula.
De 400 a 700 °C, conseguida la deshidratación total, se forma
el yeso anhídro (CaSO4) o yeso cocido a muerte, de fraguado
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4. COMPLEMENTOS DEL HORNO
4.1 TRANSPORTADOR HELICOIDAL
4.1.1 MARCO TEORICO
El tornillo sin fin es uno de los aparatos más antiguos para transportar
materiales que conoce la humanidad, el diseño original data de hace
más de 2000 años. Desde que el transportador de tornillo sin fin o
helicoidal apareció su uso se enfocó en instalaciones para regadío,
transporte de granos, polvos finos y otros materiales a granel.
A través de los tiempos, ha venido a ocupar un lugar muy importante en
el área del proceso de transporte y manipulación de materiales. Hoy en
día, la tecnología moderna ha hecho del transportador de tornillo sin fin
uno de los métodos más eficaces y baratos para el movimiento continuo
de materiales al granel a cortas distancias.
Los transportadores de tornillo sin fin se pueden usar para mover lo
pastoso. La fuerza de la gravedad y la fricción en las paredes de la
artesa o recipiente limitan el arrastre del material en la dirección del
perímetro, que es producido entre el bien del transporte y el tornillo sin
fin, por eso solo hay desplazamiento del material en la dirección axial
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4.1.3. CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSPORTADORES SIN FÍN
Los transportadores de tornillo sin fin se clasifican según el paso en:
Transportadores de Paso Estándar.
Estos transportadores tienen un paso igual al diámetro (ver fig.
2), y se les denomina estándares, se utilizan para todas las
aplicaciones comunes de transporte continuo de materiales al
granel. Transportadores de Paso Cortó.
Los transportadores helicoidales de paso corto de los
helicoidales esta reducido a 2/3 del diámetro del sinfín, (ver fig.
2). Se recomiendan para uso en transportadores inclinados con
inclinaciones de 20º grados a más.
Transportadores de Paso Medio.
Son similares a los de paso corto excepto que el paso es
reducido a ½ del diámetro del sinfín. Son utilizados en
aplicaciones inclinadas, verticales, alimentadores y cuando se
conduzcan materiales extremadamente fluidos.
Transportadores de Paso Largo.En este caso el paso es 1-1/2 veces el diámetro del sinfín y son
usados para agitar materiales fluidos o para mover materiales de
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Fig.2 Clasificación de Sinfín por el paso
a) Sinfín de Paso Estándar
b) Sinfín de Paso Corto
c) Sinfín de Paso Medio
d) Sinfín de Paso Largo
e) Sinfín de Paso Variable
Los transportadores de sinfín se clasifican también según el tipo
o forma del helicoide o espira en:
Transportadores de Espiras Estándares
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Transportadores de Espiras Recortadas y Dobladas.
Similar al caso anterior, con la diferencia de que las
secciones recortadas no son extraídas de los espirales, sino
que son dobladas a 90º hacia el lado de giro del
transportador, obteniendo así un efecto de retardo de flujo y
mezcla en tránsito del material transportado, es útil para el
calentamiento, enfriamiento o aireación.
Transportadores de Cinta.
Son excelentes para transportar materiales pegajosos y
viscosos. El espacio abierto entre el borde interior del espiral
y el tubo, evita la acumulación del material conducido.
Transportadores de Espiras con Paletas.
Son transportadores helicoidales estándar pero llevan
paletas ajustables unidas al tubo y distribuidas siguiendo una
trayectoria helicoidal opuesta a la del sinfín a lo largo del tubo
del sinfín, lo que proporciona al material transportado una
suave y completa mezcla.
Transportadores de paletas.
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Fig.3 Clasificación de Sinfines por el tipo de helicoide:
a) Sinfín con Espiras Estándares
b) Sinfín con Espiras Recortadas
c) Sinfín con Espiras Recortadas y Dobladas
d) Sinfín de Cinta
e) Sinfín Estándar con Paletas
f) Sinfín de paletas
Fig. 4 Transportador helicoidal dispuesto horizontalmente
Aclaraciones
Capacidad requerida
Es el gasto volumétrico por unidad de tiempo (caudal), que se necesita
transportar desde el punto de carga (entrada), hasta el punto de salida
(d ) L id d d b á d t l d h
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Tiempo de operación que requerimos
Es el tiempo promedio en horas al día en que se utiliza el sinfín, este parámetro
es importante para clasificar los rangos de trabajo del tipo de transmisión
utilizada, teniendo tres clases a analizar:
Clase I.-carga constante no excede la capacidad normal del motor y
cargas de choque ligeras son manejables dentro de 10 horas al día.
Cargas de choque moderadas son permitidas si la operación es
intermitente.Clase II.- carga constante no excede la capacidad normal del motor por
encima de las 10 horas al día. Cargas de choque moderadas son
permitidas durante 10 horas en un día.
Clase III.-cargas de choque moderadas por encima de las 10 horas en
un día. Cargas de choque pesadas son permitidas durante 10 horas en
un día.
Estableciendo el tipo de trabajo que va a desempeñar el
transportador y los parámetros encontrados anteriormente podemos
encontrar el tipo de clase de la transmisión para nuestro
transportador elegimos clase III
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IDEF 0 DEL PROCESO DE COMBUSTION DEL YESO
ALIMANTADOR
NORMAS
ESTANDARIZADAS
TERMOMETROAIRE
GRANOS DE
SULFATO DE
CALCIO
DIOXIDO DE
CARBONO CO2
CONBUSTIBLE MOTOR
HUMEDAD
(VAPOR DE
AGUA)
VENTILADOR
BALANZA
UEMADOR
SULFATO DECALCIO SEMI
HIDRATADO
DESCARGA
OPERARIO
CALCINADOR
ENERGIADOSIFICADOR
TAMIZVERNIER
RECIPIENTE