HORNOS PROBLEMAS ESPECIALES

Transcripción

1 HORNOS PROBLEMAS ESPECIALES Universidad de Buenos Aires INDUSTRIAS I

2 HORNOS Alto Horno Horno Convertidor LD Hornos Eléctricos Horno rotativo para cemento Otros hornos Industrias I 2

3 Otros Hornos Hornos especiales en la siderurgia Hornos para producción de cobre Industrias I 3

4 Ejercicio 1 COMBUSTIÓN Combustión: reacción química que consiste en la oxidación violenta de un elemento con desprendimiento de calor y generalmente llamas Industrias I 4

5 Conceptos a tener en cuenta: Combustión perfecta Combustión completa Combustión incompleta Fórmulas generales de combustión de carbones e hidrocarburos Exceso de aire Industrias I 5

6 Problema 1: el análisis de cierto carbón, utilizado para calentar un horno de reverbero, arroja la siguiente composición en peso: C 85%, H 5%, N 1%, S 2%, O 2%. Calcular el volumen de aire necesario en CNPT por tonelada de carbón considerando una combustión perfecta Industrias I 6

7 Resolución problema 1 Carbón Aire Horno de reverbero Gases de combustión Para una tonelada de carbón, tenemos presentes: C: 0,85 * 1000 kg = 850 kg H: 0,05 * 1000 kg = 50 kg N: 0,01 * 1000 kg = 10 kg S: 0,02 * 1000 kg = 20 kg O: 0,07 * 1000 kg = 70 kg Industrias I 7

8 Reacciones de combustión: C + O 2 CO 2 O 2 : 850 kg C * 32/12 = 2268 kg O 2 H 2 + ½ O 2 H 2 O O 2 : 50 kg H * 16/2 = 400 kg O 2 S + O 2 SO 2 O 2 : 20 kg S * 32/20 = 32 kg O 2 Oxígeno necesario para las reacciones de combustión: O 2 : 2268 kg+400kg+32kg = 2700 kg O Industrias I 8

9 Considerando el oxígeno presente en el propio carbón, el oxígeno necesario será entonces menor, según: O 2 necesario = 2700 kg 70 kg =2630 kg O 2 Luego, el volumen de aire necesario será (CNPT): Volumen O 2 (CNPT) = go 2 * (1/32 g/mol) * 22,4 l/mol = litros O 2 Volumen Aire (CNPT) = 1841 m 3 O 2 / 0,21 m 3 O 2 / m 3 aire Volumen Aire (CNPT) = 8766 m 3 aire/ton carbón Industrias I 9

10 Variantes: Dada una cantidad y composición de gases de combustión calcular el exceso de aire Dada una cantidad de aire inyectado decir si se logra una combustión completa Industrias I 10

11 Ejercicio 2 Tostación Tostación: reacción química en la cual se calienta una sustancia en presencia de oxígeno Industrias I 11

12 Ejercicio 2: Se alimenta un horno de tostación con mineral de cobre de la siguiente composición (en peso): Cu (presente como CuS covelita): 6% Fe (presente como FeS 2 pirita): 25% Zn (presente como ZnS blenda): 4% S: 33,6% SiO 2 : 20% Otros (CaO, Al 2 O 3, etc.): 11,4% Industrias I 12

13 A su vez, el análisis de los gases arroja los siguientes resultados: SO 2 : 2,5% SO 3 : 0,4% Resto: O 2 y N 2 según relación 21%/79% El mineral de Cu oxida a CuO, el de Fe a Fe 2 O 3 y el de Zn a ZnO Industrias I 13

14 Se pide calcular: 1 - Peso de los productos de tostación obtenidos por tonelada de mineral procesado. 2 Volumen de Gases de tostación por tonelada de mineral procesado. 3 Exceso de aire. Nota: durante la tostación también se produce la reacción: SO 2 + ½ O 2 SO Industrias I 14

15 Resolución problema 2: 0,06 * 1000 kg min= 60 kg Cu/tn min 0,25 * 1000 kg min= 250 kg Fe/tn min 0,04 * 1000 kg min= 40 kg Zn/tn min Gases: SO 2 2,5% SO 3 0,4% Resto: O 2 /N 2 (relación 21/79) Aire Horno de Tostación Productos: CuO Fe 2 O 3 ZnO Industrias I 15

16 Reacciones de tostación de los minerales CuS + 3/2 O 2 CuO + SO 2 2 FeS /2 O 2 Fe 2 O SO 2 ZnS + 3/2 O 2 ZnO + SO 2 A su vez, ocurre la siguiente reacción: SO 2 + ½ O 2 SO Industrias I 16

17 CuS + 3/2 O 2 CuO + SO 2 64 g Cu = 80 g CuO Entonces, 60 kg de Cu presentes en el mineral cargado producirán: CuO producido = 80/64 * 60 kg CuO/tn min CuO producido = 75 kg CuO/tn min Industrias I 17

18 Del mismo modo: 2 FeS /2 O 2 Fe 2 O 3 +4 SO 2 2*56 =112 g Fe 2*56 + 3*16 = 160 g Fe 2 O 3 Entonces, 250 kg de Fe presentes en el mineral cargado producirán: Fe 2 O 3 producido = 160/112 * 250 kg Fe 2 O 3 /tn min Fe 2 O 3 producido = 357 kg Fe 2 O 3 /tn min Industrias I 18

19 Del mismo modo: ZnS + 3/2 O 2 ZnO + SO 2 65 g Zn = 81 g ZnO Entonces, 40 kg de Zn presentes en el mineral cargado producirán: ZnO producido = 81/65 * 40 kg ZnO/tn min ZnO producido = 49,85 kg ZnO/tn min Industrias I 19

20 Los productos obtenidos por tonelada de mineral son: CuO producido = 75 kg CuO/tn min Fe 2 O 3 producido = 357 kg Fe 2 O 3 /tn min ZnO producido = 49,85 kg ZnO/tn min Industrias I 20

21 2 Volumen de Gases de tostación por tonelada de mineral procesado. Gases: SO 2 2,5% SO 3 0,4% Resto: O 2 /N 2 (relación 21/79) 60 kg Cu/tn min 250 kg Fe/tn min 40 kg Zn/tn min Horno de Tostación Aire Productos: 75 kg CuO 357 Fe 2 O 3 49,85 ZnO Industrias I 21

22 En base a la cantidad de producto obtenido, podemos calcular la cantidad de SO 2 producido en las reacciones: CuS + 3/2 O 2 CuO + SO 2 80 g CuO 1 mol CuO 75 kg CuO 1/80 * 75 kmol CuO = 0,9375 kmol CuO Sabiendo que: 1 mol CuO 1 mol SO 2 Obtenemos: V 1 = 0,9375 kmol SO 2 /tn min Industrias I 22

23 Del mismo modo: 2 FeS /2 O 2 Fe 2 O 3 +4 SO g Fe 2 O 3 1 mol Fe 2 O kg Fe 2 O 3 1/160 * 357 kmol Fe 2 O 3 = 2,2313 kmol Fe 2 O 3 Sabiendo que: 1 mol Fe 2 O 3 4 mol SO 2 Obtenemos: V 2 = 8,925 kmol SO 2 /tn min Industrias I 23

24 Del mismo modo: ZnS + 3/2 O 2 ZnO + SO 2 81 g ZnO 1 mol ZnO 49,85 kg ZnO 1/81 * 49,85 kmol ZnO = 0,6154 kmol ZnO Sabiendo que: 1 mol ZnO 1 mol SO 2 Obtenemos: V 3 = 0,6154 kmol SO 2 /tn min Industrias I 24

25 Entonces, tenemos la siguiente cantidad de SO 2 generado por las reacciones de tostación: V SO2 = V1 + V2 + V3 =10,48 kmol SO 2 En CNPT, 1 mol = 22,4 l = 22,4 dm3 = 0,0224 m 3 con lo cual: V SO2 = 234,7 m 3 CNPT (generado por las reacciones de tostación) Industrias I 25

26 Sabemos que parte de ese SO 2 reacciona generando SO 3, según la siguiente relación: V SO2 real = 235 m3 V SO3 V SO2 real = 0,025 * V gases V SO3 = 0,004 * V gases De modo que: 0,025 * V gases = 235 m3 0,004 V gases V gases = 235 m 3 / (0, ,004) V gases = m 3 (CNPT) Industrias I 26

27 La composición de los gases será: V SO2 = 0,025 * 8103 = 202,6 m 3 CNPT V SO3 = 0,004 * 8103 = 32,4 m 3 CNPT V O2 =0,21 * ( ,6 32,4) = 1652,4 m 3 CNPT V N2 = ,6 32,4 1652,4 = 6216 m 3 CNPT Industrias I 27

28 3 Exceso de aire Recordando que el exceso de aire se define como: e % = 100 * (aire real aire esteq.)/aire esteq. Calculemos la cantidad de aire estequiométrico necesaria para llevar a cabo las reacciones de tostación: CuS + 3/2 O 2 CuO + SO 2 64 g Cu 3/2 * (2*16) = 48 g O 2 60 kg Cu 48/64 * 60 kg O 2 = 45 kg O 2 VO 2 (CuS) = 22,4 * 45/32 = 31,5 m Industrias I 28

29 Del mismo modo: 2 FeS /2 O 2 Fe 2 O SO 2 2*56 = 112 g Fe 11/2 * (2*16) = 176 g O kg Fe 176/112 * 250 kg O 2 = 392,86 kg O 2 VO 2 (FeS 2 ) = 22,4 * 392,86/32 = 275 m Industrias I 29

30 Del mismo modo: ZnS + 3/2 O 2 ZnO + SO 2 65 g Zn 3/2*(2*16) = 48 g O 2 40 kg Zn 48/65 * 40 kg O 2 = 29,54 kg O 2 VO 2 (ZnS) = 22,4 * 29,54/32 = 20,68 m Industrias I 30

31 Teniendo en cuenta que ocurre la reacción: SO 2 + ½ O 2 SO 3 1 mol SO 3 1/2 mol O 2 Con lo cual: 1 m3 SO 3 1/2 m3 O 2 VO 2 (SO 3 ) = 32,4 m 3 * 1/2 = 16,2 m Industrias I 31

32 La cantidad de aire estequiométrico será: VO2 = VO2 (CuS) + VO2 (FeS2) + VO2 (ZnS)+ VO2 (SO3) VO2 = 31,5 m m ,68 m ,2 m 3 = 343,38 m 3 Aire esteq. = 343,38 m 3 / 0,21 Aire esteq. = 1635 m Industrias I 32

33 El aire real lo podemos calcular sabiendo cuanto oxígeno contienen los gases que salen del horno: Aire real = Aire esteq. + Aire gases Aire real = 1635 m ,4 m 3 /0,21 Aire real = 1635 m ,4 m 3 /0,21 Aire real = 9504 m Industrias I 33

34 Entonces: e % = 100 * (aire real aire esteq.)/aire esteq. e % = 100 * (9504 m m 3 )/1635 m 3 e % = 481 % Industrias I 34

35 Variantes: Diferentes composición del mineral (la forma en que se oxidan es dato). Dada una composición de gases calcular la cantidad de aire a suministrar y el grado de riqueza de oxígeno de dicho aire Industrias I 35

36 Muchas gracias por su atención! Industrias I 36