PROYECTO CEMENTO PORTLAND (EN PRESENTACIÓN DE SACOS DE 50 KG)
UNIVERSIDAD LAICA
‘‘ELOY ALFARO’’ DE MANABÍ
FACULTAD: INGENIERÍA INDUSTRIAL
9 no ‘‘A’’
GRUPO
# 8
INTEGRANTES:
- MACIAS DELGADO JEFFERSON ORLANDO
- RODRIGUEZ FLORES JHON LENON
- RAMIREZ GOMEZ PABLO JOSUE
LINK DE LA EXPOSICIÓN
INTRODUCCIÓN
Nuestro tema aborda lo que es la
fabricación del cemento portland, su proceso de fabricación, propiedades,
clasificación, balance de materia, realizar una simulación de cómo funciona los
procesos y realizar una tabla de cálculos en Excel.
La palabra cemento indica un
material aglomerante que tiene propiedades de adherencia y cohesión.
Es un producto de origen mineral,
que mezclado con agua, da lugar a una masa que fragua y se endurece incluso
bajo el agua, totalmente impermeable, y que mantiene sus propiedades en
contacto con el agua. Su dureza, resistencia y capacidad para adoptar muy
distintas formas lo hacen idóneo para trabajos en construcción.
De todos los conglomerantes
hidráulicos el cemento portland y sus derivados son los más empleados en la
construcción, debido a estar formados, básicamente, por mezclas de caliza,
arcilla y yeso que son minerales muy abundantes en la naturaleza, tanto
puzolanas como otros materiales surge por la necesidad de mejorar sus
propiedades y disminuir los costos de producción. El precio que es relativamente bajo en comparación con otros
materiales y tener unas propiedades muy adecuadas, también tener un precio
relativamente bajo en comparación con otros materiales lo convierten en un
producto de gran demanda.
Es así que en toda empresa
cementera es de vital importancia llevar un exhaustivo control de calidad de
materia prima, producto en proceso y producto final, con la finalidad de
mejorar las etapas del proceso de fabricación lo que influirá en una mejor
calidad de producto como en la disminución de costos para la compañía.
JUSTIFICACIÓN
El proyecto que
hemos realizado es para determinar y tener un mayor conocimiento de que
consiste el proceso de producción del cemento portland, lo primero que tuvimos
que hacer es investigar sobre el proceso de fabricación del cemento y las
operaciones que tiene que pasar para producirlo, ya que la investigación nos
sirve de mucho para tener un mayor conocimiento de las cantidades de materiales
que ingresan en cada operación y también nos sirve para el cálculo de nuestro
balance de materia las cantidades de materia prima que ingresan en cada
operación, en este proyecto también nos sirvió mucho los ejercicios que se
realizaron en clase y las tareas realizadas en el transcurso del parcial,
también realizar una simulación nos sirvió de mucho ya que nos dio un mayor
entendimiento de los procesos que tiene que pasar el cemento para su
fabricación. El cemento es muy importante en una construcción e incluso desde
los tiempos antiguos de las civilizaciones se viene aplicando para las
construcción ya que es un material que
al contacto con el agua tiende a endurecerse de manera rápida y tener una
resistencia que podría durar décadas.
FUNDAMENTOS TEORICOS
El cemento, es un aglomerante hidráulico
(aglomerante: cuerpo que sirve para reunir varios elementos en una masa
compacta), es un material inorgánico, no metálico, compuesto de cal, alúmina,
fierro y sílice, finamente molido. Mezclado con agua forma una pasta que fragua
y endurece, manteniendo su resistencia y estabilidad incluso dentro del agua. Las
sustancias componentes del cemento reaccionan con el agua de la mezcla,
formando silicatos de calcio hidratados.
Es el conglomerante hidráulico que resulta de
la pulverización del clinker, frío, a un grado de finura determinado, al cual
se le adiciona sulfato de calcio natural (yeso), o agua y sulfato de calcio
natural. A criterio del productor pueden incorporarse además, como auxiliares a
la molienda o para impartir determinadas propiedades al cemento, otros
materiales en proporción tal, que no sean nocivos para el comportamiento
posterior del producto.
―Conglomerante hidráulico es el material finamente pulverizado que, al agregarle agua, ya sea solo o mezclado
con arena, grava, asbesto u otros materiales similares, tiene la propiedad de
fraguar, tanto en el aire como en el agua, y formar una pasta endurecida.
―es el material sintético
granular, resultante de la cocción
a una temperatura de 1,400 ºC
, de materias primas de naturaleza calcárea y arcilla ferruginosa, previamente
triturada, proporcionadas, mezcladas, pulverizadas y homogeneizadas.
Esencialmente el clinker está constituido por silicatos, aluminatos y aluminoferritos de calcio.
―Sulfato de calcio natural (yeso) es el
sulfato cálcico dihidratado, hemi- hidratado o anhidro‖.
La industria de cemento es intensiva en
energía. El energético es el principal factor de costo, significando 30-40% del
costo total de producción. En su producción se producen emisiones del horno de
cemento que provienen, primariamente, de las reacciones físicas y químicas de
las materias primas y, secundariamente, de la combustión de los combustibles.
Los principales componentes de
los gases de emisión del horno son el nitrógeno del aire de combustión, CO2
procedente de la calcinación del CO3Ca y de los combustibles
quemados, agua del proceso de combustión y de las materias primas, y el oxígeno
en exceso.
Los gases de combustión contienen también
pequeñas cantidades (menos de 1%) de partículas, óxidos de azufre y de
nitrógeno, y otros compuestos; la contribución de las emisiones de la
producción de cemento al inventario de las totales de los países
industrializados es muy baja.
Fabricación
El cemento se fabrica generalmente a partir
de materiales minerales calcáreos, tales como la caliza, y por alúmina y
sílice, que se encuentran como arcilla en la naturaleza. En ocasiones es
necesario agregar otros productos para mejorar la composición química de las
materias primas principales; el más común es el óxido de hierro.
Las calizas,
que afortunadamente se presentan con frecuencia en la naturaleza, están
compuestas en un alto porcentaje (más de 60%) de carbonato de calcio o calcita
(CaCO3, Cuando se calcina da lugar a óxido de calcio, CaO), e
impurezas tales como arcillas, Sílice, entre otras. Hay diferentes tipos de caliza
y prácticamente todas pueden servir para la producción del cemento, con la
condición de que no tengan cantidades muy grandes de magnesio, pues si el
cemento contiene más cantidades del límite permitido, el concreto producido con
el aumenta de volumen con el tiempo, generando fisuras y por lo tanto perdidas
de resistencia.
Pizarra: Se les llama "pizarra" a las
arcillas constituidas principalmente por óxidos de silicio de un 15 a 25%, por óxidos de aluminio de 10 a 15%, por
óxidos de fierro de 5 a 10%.
La pizarra representa aproximadamente un 15% de la materia prima que formará el clínker. Como estos minerales son relativamente suaves, el sistema de extracción es similar al de la caliza, sólo que la barrenación es de menor diámetro y más espaciada, además requiere explosivos con menor potencia. Debido a que la composición de éstos varía de un punto a otro de la corteza terrestre, es necesario asegurar la disponibilidad de las cantidades suficientes de cada material.
La arcilla
que se emplea para la producción de cemento está constituida por un
silicato hidratado complejo de aluminio, con porcentajes menores de hierro y
otros elementos. La arcilla aporta al proceso los óxidos de sílice (SiO2),
hierro (Fe2O3) y aluminio (Al2O3).
Oxido de silicio
El óxido de silicio o dióxido de
silicio (SiO2) es un compuesto de silicio y oxígeno, llamado comúnmente sílice.
Es uno de los componentes de la arena. En la naturaleza se da de forma natural
como cuarzo. Este compuesto ordenado especialmente en una red tridimensional
(cristalizado) forma el cuarzo y todas sus variedades. Si se encuentra en
estado de amorfo constituye el ópalo y suele incluir un porcentaje elevado de
agua.
Óxido de hierro
El óxido de hierro (III) (también
conocido como óxido férrico o trióxido de di hierro) es uno de los óxidos de
hierro, cuya fórmula es Fe2O3. En este compuesto, el número de oxidación del
hierro es +3. Este es el óxido de hierro "común" que aparece en el
metal tras su exposición al aire durante tiempo.
Oxido de aluminio o alúmina al2o3
La alúmina es el óxido de
aluminio (Al2O3). Junto con la sílice, es el componente más importante en la
constitución de las arcillas y los esmaltes, confiriéndoles resistencia y
aumentando su temperatura de maduración.
El óxido de aluminio existe en la
naturaleza en forma de corindón y de esmeril. Tiene la particularidad de ser
más duro que el aluminio y el punto de fusión de la alúmina son 2072 °C frente a los 660 °C del aluminio, por lo que
su soldadura debe hacerse a corriente alterna.
Yeso
El yeso, sulfato de calcio
hidratado (CaSO42H2O), es un producto regulador del fraguado, que es un proceso
de endurecimiento que del cemento, y lo que el yeso hace es retardar el proceso
para que al obrero le de tiempo de preparar el material. Este se agrega al final
del proceso de producción.
Clasificación
de los cementos
De acuerdo a su composición,
estos pueden ser:
- Cemento Portland normal
- Cemento Portland Puzolánico
- Cemento
Portland con Escoria de alto horno
- Cemento Portland Compuesto
- Cemento Portland con humo de Sílice
De acuerdo a sus características especiales, éstos pueden ser:
- Resistente a
los sulfatos
- Baja
reactividad álcali agregado
- Bajo calor
de hidratación Blanco
Cemento
Portland:
El "cemento Portland"
es un término genérico, que actualmente se utiliza para abarcar a un grupo de
materiales que tienen la propiedad de endurecerse, como roca, poco tiempo
después de ser mezclados con agua. Su
nombre, Portland, recuerda a una isla del mismo nombre y en donde se encuentra
una piedra caliza que endurece de la misma forma que dicho cemento. Cuando el
cemento Portland se mezcla con arena y piedra triturada resulta un material
llamado "concreto", mucho más resistente que el cemento Portland. Es
por tanto el cemento resultante de la mezcla
intima de arcillas y calizas, cocción de la mezcla y molienda del
Clinker, añadiéndole finalmente regulador de fraguado.
Los cementos Portland típicos
consisten en mezclas de silicato tricálcico (3CaO·SiO2), aluminato tricálcico
(3CaO·Al2O3) y silicato dicálcico (2CaO·SiO2) en diversas proporciones, junto
con pequeñas cantidades de compuestos de magnesio y hierro. Para retardar el
proceso de endurecimiento suele añadirse yeso. Este cemento es un agente
aglutinante hidráulico con una composición por peso de no menos de 95% de
Clinker y de cero a cinco por ciento de un componente menor, generalmente
sulfato de calcio (yeso); se admite la adición eventual de otros productos
siempre que no excedan el 1% en peso del total. Puede fraguar y endurecer bajo
el agua y al mezclarse con agregados y agua produce concretos o morteros.
Los compuestos activos del
cemento son inestables, y en presencia de agua reorganizan su estructura. El
endurecimiento inicial del cemento se produce por la hidratación del silicato
tricálcico, el cual forma una sílice hidratada gelatinosa e hidróxido de
calcio. Estas sustancias cristalizan, uniendo las partículas de arena o piedras
—siempre presentes en las mezclas de argamasa de cemento— para crear una masa
dura. El aluminato tricálcico actúa del mismo modo en la primera fase, pero no
contribuye al endurecimiento final de la mezcla. La hidratación del silicato
dicálcico actúa de modo semejante, pero mucho más lentamente, endureciendo poco
a poco durante varios años. El proceso de hidratación y asentamiento de la
mezcla de cemento se conoce como curado, y durante el mismo se desprende calor.
El cemento Portland se fabrica a
partir de materiales calizos, por lo general piedra caliza, junto con arcillas,
pizarras o escorias de altos hornos que contienen óxido de aluminio y óxido de
silicio, en proporciones aproximadas de un 60% de cal, 19% de óxido de silicio,
8% de óxido de aluminio, 5% de hierro, 5% de óxido de magnesio y 3% de trióxido
de azufre.
Ciertas rocas llamadas rocas
cementosas tienen una composición natural de estos elementos en proporciones
adecuadas y se puede hacer cemento con ellas sin necesidad de emplear grandes
cantidades de otras materias primas. No obstante, las cementeras suelen
utilizar mezclas de diversos materiales.
Cementos
especiales
Mediante la variación del
porcentaje de sus componentes habituales o la adición de otros nuevos, el
cemento Portland puede adquirir diversas características de acuerdo a cada uso,
como el endurecimiento rápido y resistencia a los álcalis.
Los cementos de fraguado rápido,
a veces llamados cementos de dureza extrarápida, se consiguen aumentando la
proporción de silicato tricálcico o mediante una trituración fina de modo que
el 99,5% logre pasar un filtro de
16.370 aberturas por centímetro
cuadrado. Algunos de estos cementos se endurecen en un día al mismo nivel que
los cementos ordinarios lo hacen en un mes. Sin embargo, durante la hidratación
producen mucho calor y por ello no son apropiados para grandes estructuras en
las que ese nivel de calor puede provocar la formación de grietas.
En los grandes vertidos suelen
emplearse cementos especiales de poco nivel de calor, que por lo general
contienen mayor cantidad de silicato dicálcico. En obras de hormigón expuestas
a agentes alcalinos (que atacan al hormigón fabricado con cemento Portland
común), suelen emplearse cementos resistentes con bajo contenido de aluminio.
En estructuras construidas bajo
el agua del mar suelen utilizarse cementos con un contenido de hasta un 5% de
óxido de hierro, y cuando se precise resistencia a la acción de aguas ricas en
sulfatos se emplean cementos con una composición de hasta 40% de óxido de
aluminio.
Cemento Portland Normal
Si una mezcla de arcilla y caliza
o marga triturada se quema a muy elevadas temperaturas en un horno rotatorio,
se forma el clinker. Cuando a este clinker se le agrega una pequeña cantidad de
yeso y se muele hasta formar un polvo fino, se obtiene como producto el cemento
portland. Este es el tipo de cemento que más se usa en la preparación de
concreto para estructuras, caminos y otros propósitos generales en los que no
se requieren propiedades especiales. Adquiere su resistencia con la suficiente
rapidez para la producción general de obras de concreto.
Los concretos y morteros
elaborados con cementos Portland normal, son atacados por sulfatos y ácidos.
Los sulfatos pueden estar presentes en tabiques de arcilla, suelos y aguas
subterráneas, se encuentran en mayor cantidad en el agua de mar; los ácidos
pueden existir en suelos y aguas subterráneas como producto de procesos
industriales o materias orgánicas. En
esta situación puede ser necesario el empleo de cementos especiales o tomar
otras medidas apropiadas.
Cemento
puzolánico (el porcentaje de puzolana está entre 30 y 50 %)
Cemento producido con clinker
portland yeso y puzolana, con la adición eventual de sulfato de calcio, lo que
contribuye a aumentar las resistencias mecánicas tardías, así como la
resistencia a ataques químicos.
La adición de puzolana confiere
características ventajosas para los cementos, tales como mayor resistencia
química, menor calor de hidratación, inhibición de la reacción nociva
álcalis/árido.
Cemento
Portland de escoria de altos hornos
Cemento elaborado mediante la
molienda fina de clinker portland y escoria de altos hornos granulada y cal
hidratada; está diseñado para obras donde se requiera una alta resistencia a
agresiones químicas empleándose además en las construcciones de concreto en
general. El porcentaje mínimo de escoria es de 60% en peso.
Se produce únicamente en Escocia,
y puede emplearse para todos los propósitos en los que se utiliza el cemento
Portland normal; pero como su desarrollo de resistencia temprana es mas lento,
especialmente en climas frios, podria ser inadecuado cuando se requiere una
remocion anticipada de cimbras.
Es un cemento de calor
moderadamente bajo y, al igual que el cemento Portland resistente a los
sulfatos, puede aprovecharse para reducir el desarrollo de calor en secciones gruesas.
El cemento Portland de escoria de
altos hornos es un poco mas resiente a algunas formas de ataque químico que el
cemento Portland normal, especialmente en agua de mar.
Cemento Portland resistente a los sulfatos
Aunque este cemento se elabora de
la misma manera que el cemento Portland normal y con materiales similares, el
método de factura produce una ligera diferencia química que le permite un mejor
comportamiento al resistir el ataque de sulfatos; no obstante, al igual que el
cemento Portland normal, no es resistente a los ácidos. Generalmente es de
color un poco más oscuro que la mayoría de los otros cementos Portland.
El cemento resistente a los
sulfatos se emplea sobre todo en concretos expuestos al agua de mar o en los
que están situados debajo del nivel del terreno, donde se sabe que hay
presencia de sulfatos en el suelo o en el agua subterránea.
La durabilidad del concreto y su
resistencia a toda clase de ataques químicos depende principalmente de que sea
denso, impermeable y bien compacto. Las mezclas pobres tienden a ser más
permeables que las mezclas ricas y, cuando se emplea el cemento Portland
resistente a los sulfatos, el contenido de este en un concreto con agregado de
20mm de diámetro máximo no deben ser menor que 280 kg/m3, y su relación agua /
cemento, con el fin de proporcionar al concreto una trabajabilidad conveniente
y de poder compactarlo bien.
Las características de
resistencia de este cemento son similares al del cemento Portland normal, y se
debe utilizar y almacenar de la misma manera; sin embargo, produce menos calor
y, por ello, se puede utilizar con ventajas en el concreto masivo y en
secciones gruesas, con el fin de reducir ligeramente la generación de calor.
Con este tipo de cemento no se debe emplear cloruro de calcio o aditivos que lo
contengan, ya que se reducirá su resistencia al ataque de los sulfatos. El
cemento resistente a los sulfatos es ligeramente más costoso que el cemento
Portland normal.
Cemento Portland de endurecimiento rápido
Este cemento es químicamente muy
similar al cemento Portland normal, pero es más fino, por lo cual adquiere
resistencias a edades tempranas con mayor rapidez.
El término endurecido rápido no
debe confundirse con el término fraguado rápido. El concreto elaborado con
cemento de endurecimiento rápido adquiere consistencia y se endurece,
inicialmente, a una velocidad similar a la del cemento Portland normal; después
de este endurecimiento inicial, el aumento de resistencia se vuelve más rápido.
Esta mayor velocidad en el desarrollo de resistencia permite remover las
cimbras con más anticipación. Por esta razón el cemento de endurecimiento
rápido es empleado frecuentemente por los productores de concreto premezclado o
en general cuando un trabajo en la obra debe ser terminado con más rapidez.
Este cemento produce más calor
que el cemento Portland normal, por lo
que puede usarse ventajosamente en tiempos fríos para compensar los efectos de
baja temperatura. Asimismo, debe almacenarse y emplearse de la misma manera que
el cemento Portland normal. El cemento de endurecimiento rápido es ligeramente más
costoso que el Portland normal.
Cemento
Portland Blanco
El cemento
portland blanco
Este se obtiene a partir de la
producción del horno de cemento de un clinker de color blanco; luego en la
molienda del clinker se adiciona yeso (y adición de fillers calcáreos en
algunos tipos de cemento. El clinker blanco se obtiene por calcinación a una
temperatura del orden de 1450-1500 C en el horno de una mezcla finamente
dividida de piedra caliza y arcillas blancas de tipo caolín.
El cemento blanco es sinónimo de
luminosidad. Por esta calidad, se destina a la realización de elementos que
requieren apariencia estética óptima.
Gracias al cemento blanco,
nuestras casas, nuestros edificios, nuestras obras de arte, nuestras plazas
públicas se visten de una claridad luminosa.
Este se elabora con materias
primas especialmente seleccionadas, que contiene muy pequeñas cantidades de
hierro; el contenido de hierro de las materias primas es el que da a los
cementos Portland su color gris normal. Su uso está limitado a concretos pre colado
o colado en obra, en los que se requiere un acabado blanco o de color ligero, y
frecuentemente se utiliza mezclado con agregados especiales costosos. Por esta
razón y por el hecho de que el cemento blanco cuesta alrededor de dos veces más
que el cemento Portland normal, debe tenerse cuidado especial en su manejo, así
como en el colado, mezclado y transporte, para asegurarse de que el equipo este
limpio y evitar su contaminación. Igualmente importante es procurar que el
concreto acabado este protegido contra la decoloración.
Propiedades
del cemento blanco
Cuando el cemento portland blanco
se mezcla con agua, se inician las reacciones de hidratación que consisten en
la reacción entre el cemento y el agua
donde se produce una disolución de los componentes del mismo, y se forman unos
nuevos componentes que producen el endurecimiento de la pasta. En general se
necesita una cantidad de agua del
orden del 27%
del peso del cemento. La reacción de hidratación consiste de
dos periodos: el tiempo de fraguado y el tiempo de endurecimiento.
El tiempo de fraguado es aquel
durante el cual la pasta de cemento-agua tiene consistencia plástica y es
trabajable. Su duración es de horas contando desde el momento del mezclado. El
tiempo de endurecimiento comienza a partir del momento en que la pasta está
fraguada y pierde su trabajabilidad. En el tiempo de endurecimiento se
desarrollan las resistencias.
Los efectos ambientales de la producción del cemento
La producción convencional de cemento puede
ocasionar algunos problemas ambientales:
- Enorme erosión del área de las canteras por la extracción continúa de la piedra caliza y otros materiales.
- Transporte inadecuado de materiales para su almacenamiento.
- Producción de gran cantidad de polvos provocados por el triturado de la piedra en la planta.
- Emisión de contaminantes al aire (monóxido+ de carbono, monóxido de nitrógeno, dióxido de azufre y partículas muy finas) dependiendo del tipo de combustible y proceso empleado durante la calcinación en el horno (combustión).
El polvo de los residuos del horno forma el llamado clinker, que puede contener metales pesados y otros contaminantes. Si el polvo del clinker se desecha en las canteras donde se extrajo la piedra caliza o en un relleno sanitario puede contaminar los mantos de aguas subterráneas.
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
El balance de masa y energía se
refiere a la primera ley de la termodinámica o ley de la conservación de la
energía. El tema es de ámbito general pero aquí se atenderá especialmente a la
aplicación de esta ley a procesos físicos-químicos que ocurren en sistemas de
la industria química. Fundamentalmente el balance de masa y energía es, en este
caso, la determinación cualitativa y cuantitativa de los requerimientos de
materiales y de energía involucrados en un proceso industrial.
En términos generales, la
obtención de estos requerimientos se hace mediante la correlación de las
variables que intervienen en el proceso, estableciendo un modelo matemático que
plantea ecuaciones de balance de masa y energía, cuya resolución da los datos
buscados. En forma esquemática y esto se puede expresar de la siguiente manera:
El balance de materia y energía
es una materia fundamental en la estructura formativa profesional del
ingeniero. Este es el primer paso para el diseño de plantas industriales. Es
también una herramienta para el control y el diagnóstico de la operación de los
procesos productivos. Curricularmente es un antecedente básico para las
materias de fenómenos de transporte, flujo de fluidos, transferencia de calor,
transferencia de masa e ingeniería de reactores.
Por otra parte el balance de masa
y energía tiene sus limitaciones. Se pueden calcular con el los requerimientos
de materiales y de energía pero no se puede determinar el tamaño de los equipos
en donde se efectúan los procesos. Para esto es necesario tener los datos del
balance y, además, las ecuaciones de transferencia y las condiciones especiales
que ligan las variables de operación con las dimensiones del equipo de proceso.
Principio de la conservación de la Materia y la Energía
Uno de los más importantes logros
de la teoría de la relatividad es la formulación del principio de conservación
de la suma de la masa y de la energía de un sistema. Este principio, que
constituye la base de todos los cálculos de balance de materia y energía es una
hipótesis ya que nunca se ha demostrado
de manera definitiva, sin embargo, una hipótesis muy sólida, ya que jamás se ha
demostrado experimentalmente su falsedad.
Una expresión precisa del
principio de la conservación de la masa y la energía requiere definir
cuidadosamente algunos términos:
Sistema.- que se refiere a una
porción del universo aislado para su estudio.
La masa (m).- este se refiere a
la cantidad de materia cuya velocidad relativa es cero con respecto a un punto
de referencia seleccionado (algunas veces llamado masa en reposo).
La energía (E).- este se refiere
a la energía en todas sus formas posible.
Entonces se entiende que una
cantidad se conserva si no puede crearse ni destruirse.
Balance de Materia (BM)
La aplicación de los BM no es
conceptualmente complicada, y sus fundamentos teóricos pueden consultarse con
detalle en textos como los que se incluyen en la sección de búsqueda de
información (Balances de Materia y Energía), junto con numerosos ejemplos
de aplicación a diferentes operaciones y procesos. A continuación se repasan
las ideas básicas para el planteamiento de los BM, y se indican posibles
estrategias para su utilización en el PFC.
Los BM se basan en la ley de conservación de la materia, la cual, rigurosamente
hablando, hay que aplicarla al conjunto materia-energía, y no a la materia o
energía por separado. Sin embargo, en las condiciones que se dan en los
procesos industriales objeto de los PFC en la UGR, al no abordarse el caso de
los reactores nucleares, no existe transformación de materia en energía o
viceversa, con lo que la forma general del balance de materia TOTAL a un
sistema, será:
La forma del balance a cada uno
de los componentes será la misma, excepto cuando existe reacción química, ya
que en ese caso habrá que considerar la aparición o desaparición de los
componentes individuales por efecto de la reacción (sin embargo la masa total
del sistema nunca variará). Por ello el BM al componente ‘i’ tendrá
la forma:
Una situación muy frecuente es
que el proceso sea continuo, con lo cual el término de acumulación será 0.
Tal y como se ha indicado los BM se pueden aplicar a una unidad de proceso (un
equipo), como a todo el proceso completo. Para una unidad o equipo, podrán
plantearse tantos BM independientes como componentes intervienen en el mismo, y
a un proceso completo se le podrán plantear un número de BM independientes
igual a la suma de los de todas las unidades del mismo, entendiendo como
unidades de un proceso los equipos u operaciones que lo integran. Además, en
algunos casos existen relaciones impuestas entre las distintas corrientes que
nos pueden servir como ecuaciones adicionales a los BM.
Planteamiento de los
BM en el PFC
El primer paso para plantear los
BM a un proceso determinado, consiste en, sobre el diagrama de bloques del
mismo, plasmar toda la información de la que se disponga, que básicamente será:
1. Caudales
de las corrientes
2. Composición
de las corrientes
3. Otras
relaciones o restricciones conocidas
Aunque es aconsejable analizar si
el sistema está o no determinado, y el número de grados de libertad, en caso de
que no lo esté, siempre se conocerá la cantidad por hora de producto final a
fabricar, ya que este dato viene dado por la capacidad de producción que ha
debido quedar establecida en el Estudio de Mercado. A partir de dicho dato se
pueden emplear varias estrategias para plantear los balances, aunque no siempre
serán todas posibles, o incluso lo será sólo una (en general no suele ser
posible hacer todos los balances secuencialmente):
1. Resolver
el balance al proceso global, y con los datos obtenidos plantear el balance a
la primera unidad, e ir resolviendo secuencialmente, cuando sea posible.
2. Tomar
como base de cálculo (variable de diseño) el caudal de materia prima (si hay
varias se escogería la principal o una de ella), y resolver secuencialmente el
proceso hacia delante, empezando por la primera unidad, aunque luego habría que
cambiar la escala para que la capacidad de producción sea la deseada.
3. Comenzar
a plantear y resolver los balances secuencialmente y hacia atrás, empezando por
la última de las unidades de proceso, si fuera posible.
En general el planteamiento y la
resolución de los BM exige “manipular” y trabajar con la información
disponible, ensayando distintas estrategias, hasta llegar a una solución
aceptable y físicamente coherente, pues en ningún caso podrá salir del sistema
más materia de la que entra o viceversa.
Balance de Energía (BE)
Los BE son normalmente algo más
complejos que los de materia, debido a que la energía puede transformarse de
unas formas a otras (mecánica, térmica, química, etc.), lo que obliga a
considerar este aspecto en las ecuaciones. En general, en el PFC, los BE serán
imprescindibles en equipos en los que el intercambio de energía sea
determinante, lo que fundamentalmente sucederá en cambiadores de calor,
evaporadores, columnas de destilación, etc., es decir, cuando haya
que calentar o enfriar un fluido. En el caso de los reactores químicos,
también son imprescindibles los balances de energía para su diseño, ya que en
cualquier caso habrá que asegurarse de que la temperatura del reactor
permanezca dentro del intervalo deseado, especialmente cuando los efectos
térmicos de la reacción sean importantes. En reacciones bioquímicas dichos
efectos no suelen ser muy significativos, así que se podrán ignorar en el
dimensionamiento preliminar de los fermentadores o reactores enzimáticos,
siempre que se justifique.
Dejando de lado el planteamiento de los BE en reactores, en la mayoría de los
otros equipos, y a efectos de dimensionamiento preliminar, la llamada ecuación
de las entalpías, que se incluye a continuación, suele ser suficiente para su
planteamiento.
Donde (ms) y (me) son
los caudales másicos de entrada y salida del
sistema, He y Hs las entalpías de los mismos,
y Q el calor intercambiado por el sistema, que si es positivo será
ganado por el sistema, y si es negativo será cedido por el mismo a los
alrededores. El cálculo de la entalpía de cada corriente puede realizarse usando
de su capacidad calorífica, y una temperatura de referencia, aunque si hay
cambios de fase también habrá que considerar el calor latente. Para el vapor de
agua lo ideal es usar las tablas de vapor de agua saturado o recalentado,
disponible en bibliografía o incluso en aplicaciones on-line.
Formas de la energía
Trabajo mecánico (w).- producto del desplazamiento (x) por la
competente de la fuerza que actúa en la dirección del desplazamiento (Fx).
Energía potencial (Ep).- capacidad de producir trabajo
que posee un sistema en virtud de su
posición respecto al plano de referencia.
Energía cinética (Ec).- capacidad de producir trabajo
que posee un cuerpo en funcion de su movimiento.
Calor (Q).- energía en tránsito de un cuerpo que se haya a una
temperatura hacia otro que está a menor temperatura con el fin de igualar
ambas.
Energía interna (U).-
variable termodinámica (funcion de estado) indicativa del estado
energético de las moléculas constitutivas de la materia. Su valor se fija
respecto a una referencia. Está relacionada con otras variables termodinámicas
como energía libre (G), Entropía (S), entalpia (H).
Energía electromagnética.- asociada con la frecuencia de onda E =
Hv. Cuando interacciona con la materia toda o parte de esta energía puede ser
absorbida. Normalmente su absorción se expresa como un aumento de temperatura.
Energía Nuclear (EC).- transformación de masa en energía
de acuerdo a E = m c2. Desintegraciones nucleares.
Calor y trabajo
Son formas
de energía en tránsito, entre el sistema y sus alrededores.
Trabajo (W): energía en tránsito debido
a la acción de una fuerza mecánica.
Calor (Q): transito resultado de la
diferencia de temperaturas entre el sistema y sus alrededores.
En un sistema cerrado su balance neto es 0, en un sistema abierto, su balance neto afecta a la energía interna del sistema según el balance global sea positivo o negativo.
Descripción de los procesos materiales usados
Extracción de
materia prima
Para la
extracción de carbonato de calcio (Caliza) se utiliza se usa dinamita porque es
una roca dura.
Y para la
extracción de la arcilla se utiliza excavadora ya que la arcilla es blanda y es
de fácil extracción.
Transporte
La materia
prima se transporta por medio de maquinaria pesada volquetas.
Trituración
Se usa un
triturador de martillos marca wiliams patent crusher que sirve para reducir el
tamaño de la caliza hasta en un 95%.
Pre
homogenización
La pre
homogenización es para organizar una pila en capa horizontal para luego
cortarlas en forma vertical, y en el interior se cuenta con una maquina
circular para apilar la materia prima.
Secador
Es para eliminar
la humedad en su totalidad de la materia prima, aprovechando los gases de
manera indirecta que se generan en el horno rotatorio.
Molienda
Para esta
operación se utiliza un molino de bolas por prensa de rodillos, para reducir el
tamaño de la materia prima hasta que tenga una gran finura de un promedio de
0,05 mm.
Motor
En la molienda se utiliza un motor de 2500 HP, con un consumo especifico de 34,5 KW/h.
Homogenización
Se la
realiza en silos para generar un material que esté constituido por un polvo de
gran finura.
Precalentador
El pre calentador es donde se precalienta la materia prima para que entre a una temperatura considerable de unos 700 ºC al horno rotatorio, y el pre calentador está compuesto por ciclones.
Motor
El pre
calentador cuenta con un motor eléctrico con una potencia de 1250 HP.
Horno rotatorio
Es donde se
desarrolla las reacciones físicas y Químicas, y este horno está constituido por
un tubo cilíndrico de acero con longitud de 57,92 m y con un diámetro de 4,11m.
Motor
El horno es
accionado por un motor eléctrico de 250 HP, el cual hace mover al horno que se
encuentra con una base con aros de rodadura.
Enfriador
Es donde se
enfría el Clinker de una manera rápida por enfriadores de parrilla en donde se enfría
el Clinker hasta una temperatura de 40ºC.
Ventiladores
Estos
ventiladores enfrían el Clinker con el aire frio que generan un ruido de 85 dba
y consta con motores de 1750 RPM.
Molienda de
acabado
Aquí ya se
realiza la última molienda para la fabricación del cemento, y la molienda es
realizada por un molino de tipo bola que en su interior consta con bolas de
acero y de ahí su nombre de molino de bolas.
Motor
Este molino
es accionado por un motor eléctrico de 3000 Hp el cual hace rotar al horno.
Empaque
En el
parque se cuenta con ensacadoras automáticas que llenan el cemento en fundas de
50 kg.
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FABRICACIÓN
Extracción
de materia prima
El proceso de fabricación del
cemento se inicia con los estudios y evaluación minera de materias primas
(calizas y arcillas) las cuales son necesarias para la producción del cemento
portland.
La caliza es un componente calcáreo
el cual contiene más del 75% en peso de carbonato de calcio y cuyo contenido es
preferible que se encuentre en un valor entre 80 y 85% debido a que facilita el
molido y la homogenización gracias a la marga dispersa.
La arcilla está compuesta por
oxido de silicio que contiene cerca del 60% en peso, y también aluminio y
hierro.
Como segundo paso se complementan
los estudios geológicos, se planifica la
explotación con dinamitas tales como (explogel, emulsen y pentolitas) y
se extraen rocas de hasta 1 metro de diámetro.
Transporte
El transporte de las diversas materias primas se realiza
mediante una flota estratégica de transporte y carguío compuesta por
excavadoras CAT 330CL, excavadoras CAT 320CL, cargadoras frontales CAT 966 y
camiones de volteo.
Trituración
El proceso industrial se inicia
con la reducción del tamaño de la materia prima procedentes desde las canteras,
partiendo de rocas con dimensiones de 1000mm hasta reducir a un 95% de su
tamaño, logrando pasar por una malla de 25mm. Mediante un triturador de
martillos marca Williams Patent Crusher & Pulv. Co, El accionamiento de
esta máquina es a través un motor eléctrico de 1500 HP y un consumo específico
de 3,5 kilovatios hora por tonelada métrica. Con una capacidad para procesar,
en una sola pasada, hasta 350 Toneladas métricas por hora (TMPH).
La materia prima que es el
carbonato de calcio entra con una humedad del 2%.
Pre
homogenización
El material triturado se
transporta por medio de una banda hasta el patio de pre homogenización donde se
organiza en una pila en capa horizontal para luego consumirse en cortes (tajadas)
verticales. Con esto se logra una primera homogeneidad de las materias primas.
Este material es transportado y
almacenado en un sitio del cual se alimenta el molino de crudo. Allí mismo se
tienen dos silos más con los materiales correctivos (minerales de hierro y
caliza correctiva alta). Se dosifica dependiendo de sus características y
mediante básculas, el material al molino de harina (o crudo).
Entonces la pre homogenización se la realiza en
parques de almacenamiento con lecho de mezcla en nave o al aire libre para dar
una variabilidad mínima a las variables de calidad del proceso tales como el
porcentaje de CaCO3 (caliza) y la granulometría. El método de apilamiento más
común es el método de chevron para tener una Mayor uniformidad del crudo y por
tanto una mayor regularidad en calidad del klinker.
La máquina que realiza la pre
homogenización está dentro de una bodega circular que consta con un apilador
con una capacidad de 600 toneladas métricas por hora.
El transporte del material pre
homogenizado se lo realiza a través de una cadena con paletas a la cual cae
mediante el accionamiento de un rascador y deposita el material en una tolva y
esta a su vez le transfiere a las bandas. El consumo específico es de 0,53
kilovatios hora por tonelada métrica.
Secador
El secador es una funcion
adicional de la etapa de molienda del crudo y su funcion es evaporar el
contenido de agua en la materia prima, para el secado se utiliza los gases
proveniente de la torre de precalentador del horno rotatorio.
Molienda
Esta etapa comprende la molienda
de materias primas (molienda de crudo), por molinos de bolas, por prensas de
rodillos o a fuerza de compresión elevadas, que producen un material de gran
finura.
En la molienda se dosifica y
prepara la materia prima de acuerdo a los requerimientos físicos-químicos para
la elaboración del klinker de cemento. Se realiza la molienda hasta un tamaño
medio de 0.05 mm con una humedad del producto inferior al 0,5% el equipo
principal en esta etapa es el molino de bolas; de tipo horizontal, que consta
de un tubo de acero de 3,96 m de diámetro y una longitud de 7,93m. Con el
blindaje adecuado y la carga necesaria tiene una capacidad de producción de 90
toneladas métricas por hora es accionado por un motor de 2500 HP, con un consumo
especifico de 34,7 kw hora por tonelada métrica.
El molino tiene un diseño de
descarga central lo cual permite disponer de dos entradas simultáneas a las dos
cámaras de molienda; tanto para los gases calientes para el secado cuanto para
el material de alimentación.
El aire de barrido de molino es
manejado por un ventilador de tiro accionado por un motor eléctrico de 800 HP y
los gases son filtrados mediante colectores ciclónicos en serie.
Homogenización
Este procedimiento se efectúa en silos de homogeneización.
El material resultante constituido por un polvo de gran finura debe presentar
una composición química constante.
El producto es transportado por
aerodeslizadores hasta dos silos de homogenización, que tienen una capacidad de
2340 m3 en total. Tiene la funcion de mezclar la harina cruda para mejorar la
homogeneidad del material. Este trabajo se lo realiza mediante la inyección de
aire comprimido a impulsos para generar un movimiento interno del polvo.
El aire comprimido es generado
por un compresor de aletas relativas con una capacidad de 3000 m3/h a 2 kg/cm2
de presión y es distribuido adecuadamente por un sistema de lanza de aire
rotativo.
Una vez completada la
homogenización y comprobadas las variables de calidad, el material está listo
para alimentar al horno y es trasladado a los silos de almacenamiento, la
dosificación al horno es controlada desde panel central en funcion de
determinadas variables del proceso; lo cual se realiza mediante una banda
dosificadora que recibe el material desde una caja de despresurización y
descarga en un sistema de transporte neumático que impulsa el material hasta el
precalentador del horno.
Precalentamiento
En los procesos de fabricación de
cemento por vía seca se aprovecha el calor que escapa a la salida del horno
rotativo para la preparación del crudo y se utiliza con mayor provecho en el
precalentamiento del material de alimentación.
Consta de 4 etapas de ciclones
instalados en serie, la etapa 4 está ubicada a la boca de alimentación del
horno; la etapa 1 consta de dos ciclones en paralelo a cuya salida de gases se
encuentra el ventilador de tiro del precalentador que es accionado por un motor
eléctrico de velocidad variable con una potencia de 1250 HP. El tipo de motor
con velocidad variable permite disponer de un caudal de aire adecuado para
satisfacer los diferentes requerimientos de la alimentación, garantizando una
atmósfera estable en el proceso de clinkerización del material en el tubo del
horno.
El precalentador actúa como un intercambiador
de calor entre los gases resultantes de la combustión del horno y el material
pulverizado de alimentación. La otra función que desempeña el precalentador es
el de colector estático ya que impide que el material sea arrastrado
conjuntamente con los gases.
El material crudo que ingresa al precalentador incrementa su temperatura en aproximadamente a 800 ᵒC; y la temperatura de los gases que ingresan por el horno rotatorio desciende hasta llegar a los 300 ᵒC. El material al incrementar su temperatura mientras desciende por el precalentador, comienza su proceso de transformación química, la temperatura máxima alcanzada en el horno rotativo depende de las características del material y del tipo de clinker de cemento que se está produciendo. Actúan como elemento fundente para llegar a la fase líquida el hierro (Fe); disminuyendo el tiempo de reacción del silicio (Si) y calcio (Ca), a la vez que bajan la temperatura necesaria para que se produzca la clinkerización, que para nuestro caso es de alrededor de los 1500 ºC.
Horno
rotatorio
El horno rotatorio es donde se
desarrollan las reacciones físicas y químicas que originan la nodulacion en
forma de gránulos de Clinker y la formación de los principales compuestos
mineralógicos que lo constituyen tales como: silicatos dicalcicos y
tricalcicos, aluminato tricalcico y ferroaluminato tetracalcico. Que dan lugar
a la formación del klinker.
El horno es el elemento
fundamental para la fabricación del cemento. Está constituido por un tubo
cilíndrico de acero con longitud de 57,91 m y con diámetro 4.11 m, que es
revestido interiormente con materiales refractarios, ya dentro del horno, el Al
(aluminio) y el Fe (hierro) actúan como elementos fundamentales para llegar a
la fase liquida y el Si y el Ca disminuyen el tiempo de reacción; así mismo
ayudan a que la temperatura necesaria para que se dé la reacción disminuya.
El horno es accionado por un
motor eléctrico principal de 250 HP, El horno se encuentra apoyado sobre 3
bases con aros de rodadura y rodillos que permiten su movimiento. El horno gira
a un rango de entre 1,8 a 2 rpm dependiendo de su ratio de producción de
clinker. Dicho movimiento de rotación es impulsado por un piñón que se
encuentra acoplado a una corona rígidamente vinculada al cilindro de acero. El
quemador se encuentra en la parte inferior del horno, al extremo opuesto al
ingreso del material, los gases de combustión que se producen recorren todo el
horno, calentándole y estos son extraídos primero a través de un ventilador
principal.
En el horno ingresa los 200 kg/h
de carbón y los 2073.005 kg/h de aire húmedo por la parte final del horno con
el propósito de que una vez que se quema el carbón esos gases que se producen
se calientan y se aprovechan mientras avanzan por el horno rotatorio hasta el
secador pasando también por el precalentador.
En función de cómo se procesa el material antes de su
entrada en el horno de clínker, se distinguen
cuatro tipos de proceso de fabricación: vía seca, vía
semi-seca, vía semi-húmeday vía
húmeda. La tecnología que se aplica
depende fundamentalmente del origen de las materias primas. El tipo de caliza y
de arcilla y el contenido en agua (desde el 3% para calizas duras hasta el 20 %
para algunas margas), son los factores decisivos.
Tipos de procesos de fabricación del cemento:
·
Vía Seca
·
Vía semi-seca,
·
Vía semi-húmeda
·
Vía húmeda
Proceso de
vía seca
El proceso de vía seca es el más
económico, en términos de consumo energético, y es el más común (en Europa, más
del 75%; en España, casi el 100%).
La materia prima es introducida
en el horno en forma seca y pulverulenta.
El sistema del horno comprende
una torre de ciclones para intercambio de calor en la que se precalienta el
material en contacto con los gases provenientes del horno.
El proceso de des carbonatación
de la caliza (calcinación) puede estar casi completado antes de la entrada del
material en el horno si se instala una cámara de combustión a la que se añade
parte del combustible (precalcinador).
Proceso de
vía húmeda
Este proceso es utilizado
normalmente para materias primas de alto contenido en humedad.
El material de alimentación se
prepara mediante molienda conjunta del mismo con agua, resultando una pasta con
contenido de agua de un 30-40% que es alimentada en el extremo más elevado del
horno de clínker.
Si la arcilla es bastante húmeda
y tiene la propiedad de desleírse en el agua, debe ser sometida a la acción de
mezcladores para formar la lechada; esto se efectua en un molino de lavado, el
cual es un pozo circular con brazos revolvedores radiales con rastrillos, los
cuales rompen los aglomerados de materias sólidas.
Procesos de vía semi-seca y semi-húmeda
El material de alimentación se consigue añadiendo o eliminando agua respectivamente, al material obtenido en la molienda de crudo. Se obtienen "pellets" o gránulos con un 15-20 % de humedad que son depositados en parrillas móviles a través de las cuales se hacen circular gases calientes provenientes del horno. Cuando el material alcanza la entrada del horno, el agua se ha evaporado y la cocción ha comenzado. En todos los casos, el material procesado en el horno rotatorio alcanza una temperatura entorno a los 1450º. Es enfriado bruscamente al abandonar el horno en enfriadores planetarios o de parrillas obteniéndose de esta forma el clínker.
Transformaciones del crudo con la temperatura
En el proceso de formación del Clinker, el crudo sufre una
serie de transformaciones físicas y químicas, las cuales se ilustran mejor a
continuación:
Transformaciones físico-químicas del clinker.
La producción del cemento se
produce empezando con la descomposición del carbonato de calcio (CaCO3) a unos
900 ºC, dando oxido cálcico (CaO) y liberando dióxido de carbono (CO2); este
proceso se lo conoce como calcinación o des carbonatación, siguiendo con el
proceso de klinkerizacion en el que el óxido de calcio reacciona a alta
temperatura (1400 – 1500 ºC) con sílice, alúmina y óxido de hierro para formar
los silicatos, aluminatos y ferritos de calcio que componen el klinker.
El combustible que ingresa al
horno se lo calienta mediante un sistema de intercambiador de calor por aceite
térmico que transfiere calor suficiente para elevar la temperatura del
combustible a una temperatura cerca a los 135 ºC.
Las 4 reacciones principales que se dan en el interior del
horno rotatorio a diferentes temperaturas para dar los 4 componentes
principales constituyentes del Clinker son los siguientes:
·
CaO. SiO2 + 2CaO -----> 3𝐶𝑎𝑂. 𝑆𝑖𝑂2 (Silicato
tricálcico) ………………….…………………Alita (66,5%) 𝐶3S
·
CaO. 2SiO2 + CaO -------> 2𝐶𝑎𝑂. 𝑆𝑖𝑂2 (Silicato
bicálcico) ……………….…………………..Belita(15,5%)𝐶2S
·
CaO. Al2O3 + 3CaO + Fe2O3 ----> 4𝐶𝑎𝑂. 𝐴𝑙2𝑂3. 𝐹𝑒2𝑂3
(Ferroaluminato tetracálcico)…(9,2%) 𝐶4 AF
·
CaO. Al2O3 + 2CaO -----> 3𝐶𝑎𝑂. 𝐴𝑙2𝑂3 (Aluminato
tricálcico): ……………………………….….(5,5%) 𝐶3A
Estos compuestos se forman en el interior del
horno cuando la temperatura alcanza el punto en que la mezcla cruda se
transforma en un líquido pastoso, que al enfriarse da origen a sustancias
cristalinas de los primeros compuestos citados, rodeados por un material
intersticial que contiene C4AF y otros compuestos.
La Alita
(a base de C3S) es la fase principal en la mayoría de los
clinkers Pórtland y de ella dependen en buena parte las características de
desarrollo de resistencia mecánica; el C3S endurece más rápidamente
por tanto tiene mayor influencia en el tiempo del fraguado y en la resistencia
inicial.
La Belita
es usualmente la segunda fase en importancia en el clinker y su componente
principal, el C2S, se hidrata más lentamente y su contribución al
desarrollo de la resistencia empieza a sentirse después de una semana.
Estos son los 4 componentes que
se forman en el interior del horno a diferentes temperaturas con sus
respectivos porcentajes que componen el klinker una vez que sale del horno,
entonces tenemos que el klinker está compuesto por: silicato tricalcico en un
66,5%, con silicato bicalcico 15,5%, con Ferro aluminato tetra cálcico 9,2% y con
aluminato tricalcico en un 5,5%.
El SiO2 3CaO (silicato tricalcico)
es el más importante ya que determina la alta resistencia mecánica del cemento
y su inercia química una vez fraguado, pero su formación es la más difícil que
la de los demás compuestos porque requiere más calor y una temperatura superior
a los 1400°c. Las normas internacionales exigen que un cemento Portland tenga un
mínimo de 50% de este compuesto.
El SiO2. 2CaO (silicato di cálcico)
también produce buena resistencia mecánica, aunque no tan alta como la
del SiO2. 3CaO (silicato tricalcico), y su formación es más sencilla.
Dependiendo de las materias primas usadas, puede empezar a formarse en
cantidades significativas a 1200°c y estará totalmente formado a 1400°c. Las
normas piden que la suma de silicatos de un cemento (SiO2.3CaO + SiO2.
2CaO) sea mayor del 70%.
El AI2O3. 3CaO (aluminato tricalcico)
es un compuesto que se logra a la relativamente a temperatura de 1338°c,
y se encuentra ya fundido a 1400°c y se comporta como un Liquido muy viscoso pero
poco adhesivo. En el cemento final produce fraguados muy rápidos, resistencia mecánica
rápida, mucho calor de hidratación y se puede atacar fácilmente por salitres.
Aunque nos ayuda mucho a
controlar el horno por la formación del líquido, en ocasiones es necesario limitar
su cantidad para no afectar las propiedades finales del cemento.
El Fe2O3. AI2O3.4CaO (ferrroaluminato tetra cálcico) también se logra a temperaturas muy bajas, y estará
totalmente fundido a 1338°c, formando un líquido muy fluido y muy adherente.
Este compuesto permite que a 1338°c la materia prima (principalmente cal) que
no ha reaccionado, se disuelva y pueda hacerlo con mayor facilidad. Cuando los demás
compuestos ya se han formado y entran a la zona de enfriamiento del horno en forma
de pequeños cristales o polvo, el Fe2O3. AI2O3.4CaO se adhiere a ellos y, por el
giro del horno, los une y forma nódulos o pellets
En el proceso general de la fabricación
del cemento, las reacciones se van llevando a cabo diferentes temperaturas a todo
Io largo del horno, en la siguiente forma:
110°c.- Toda la humedad de los
diferentes materiales alimentados se evapora y abandona el equipo. Esto se
conoce como secado.
450°c.- los materiales que tengan
agua químicamente unida, como algunas arcillas, el yeso y la llamada caolinita,
la pierden y están listos para reaccionar. Esto se llama deshidratación.
600°c.- Los materiales que perdieron
agua en el paso anterior empiezan a reaccionar y encontramos formación de SiO2.
2CaO (silicato di cálcico) en pequeña cantidad y compuestos intermedios como AI2O3
CaO (aluminato cálcico) y Fe2Oa.2CaO (ferrocalcita).
900°c.- La caliza pierde el gas carbónico
y se convierte en cal viva, lista para reaccionar con el medio ambiente. Esta
cal debe ser llevada rápidamente a la zona de sinterizacion para que reaccione como
deseamos, ya que de otra manera reaccionara con los gases de combustión y formara
anillos a costras, que pueden provocar tapones. De todos modos tenemos la formación
adicional de SiO2. 2CaO (silicato di cálcico).
1200°c.- Las arcillas se empiezan a
descomponer liberando sílice, alúmina y óxidos de fierro. Esta sílice inicia la
reacción con la cal formando más SiO2. 2CaO (silicato di cálcico).
1300°c.-
Los óxidos de fierro empiezan a reaccionar con la alúmina y la cal para formar Fe2O3.Al2O3.4CaO
(Ferro aluminato tetra cálcico) líquido. En este líquido se disuelven todos los
demás materiales incrementándose la reacción entre ellos. Como se trata de un Líquido
muy adhesivo, empieza a penetrar en los poros del ladrillo refractario, aislándolo
y enfriándolo, con lo cual queda pegado a su superficie y se inicia la formación
de la costra.
1338°c.- Los materiales disueltos en
el Fe2O3.AI2O3. 4CaO (Ferro aluminato tetracacico) reaccionan, formándose todo
el SiO2. 2CaO (silicato di cálcico) e iniciándose el AI2O3.3CaO (aluminato
tricalcico).
1400°c.- Se ha formado totalmente el
AI2O3. 3CaO, un líquido muy viscoso, que le da consistencia a la costra y posteriormente
a los nódulos. El SiO2. 2CaO (silicato di cálcico) formado empieza a reaccionar
con la cal que se encuentra en exceso para formar AI2O3. 3CaO (aluminato
tricalcico).
1450°c. - Deben estar totalmente
formados todos los compuestos.
Propiedades de los constituyentes del klinker
·
Resistencia
mecánica: se debe fundamentalmente a los silicatos.
·
Propiedades
hidráulicas: gracias al SC3 y SC2.
·
Fundentes:
son productos que mezclados con el crudo, hacen que obtengamos el klinker a
menos temperatura (aluminatos y ferrito aluminatos).
·
Calor de
hidratación: es el calor perdido debido a las reacciones de hidrolisis que
se producen al fabricar la pasta de cemento. AC3 y SC3 > SC2.
·
Resistencia
a los agentes externos: con el AC3 + yeso se forma ettringita
(sulfoaluminato) que es muy expansivo por tener un volumen elevado (después del
fraguado por una parte con un efecto regulador del fraguado y por otra el
riesgo de agrietamiento.
·
Ph básico
= 13 gracias a la portlandita (Ca(OH2)), cal sobrante que se produce al
hidratarse SC3 y protege las armaduras.
Enfriamiento
El klinker sale del horno a una temperatura
de 1200 ºC pasa por el proceso de enfriamiento rápido por enfriadores de
parrilla, el enfriamiento se lo hace con la inyección de aire frio proveniente
de 5 ventiladores a presión a 95 bar, llevando el klinker hasta una temperatura
cercana a la ambiente a 40 ºC, entonces los compuestos del klinker se
cristalizan quedando siempre algo de líquido que se solidifica como vidrio,
pero la velocidad de enfriamiento debe ser la apropiada, puesto que si el
klinker se enfría de una manera lenta, es casi seguro que se dé una conversión
espontanea del silicato cálcico en polvo lo cual haría que se hidrate
lentamente, haciéndolo inservible como aglutinante.
Esto ocurre debido a la dilatación que se da
cuando se transforma este compuesto de forma beta o gama.
Ventiladores
El nivel de ruido para los equipos no deben de exceder 85 dba cuando este es medido a 1.5 m de la fuente en condiciones normales, por lo que se incluirán silenciadores para la disminución del ruido. Todos los ventiladores deben ser dimensionados para motores de 1750 rpm, no deben exceder los 2000 rpm.
Molienda
del cemento o molienda de acabado
La molienda de acabado es el
proceso final de la fabricación del cemento en donde se realiza la mezcla y
dosificación en cantidades controladas de clinker, yeso y materiales de adición
ya sean de origen natural o artificial que caracterizan el tipo de cemento a
fabricar. Este proceso puede ser realizado en prensas hidráulicas, molinos
verticales u horizontales, pero el más común es el molino de bolas, cuyas
dimensiones dependen de la capacidad de molienda.
Entre las adiciones permitidas
están: escoria de alto horno, humo de sílice, filler de caliza, cenizas
volantes, puzolanas naturales (estas adiciones se hacen para los diferentes
tipos de cemento en nuestro caso será el cemento común el cual solo se le hará
la adición del yeso).
Finalmente, se procede con el proceso de
empaquetado del cemento contenido en bolsas de 25 ó 50 kg, mediante el uso de
máquinas ensacadoras rotativas de cemento para su despacho a través de camiones
de transporte. También se despacha cemento a granel usando camiones cisterna
que llevan el producto directamente al sitio de la obra en construcción.
El equipo
principal es el molino de bolas, con un diámetro de 3,66m y una longitud total
de 11,28m, es de tipo horizontal dividido en dos cámaras: la primera de 3,66m
de longitud en la que se realiza la molienda gruesa y la segunda de 7,62m en la
que se realiza la molienda fina.
El molino tiene
un diseño con descarga axial, es accionado por un motor eléctrico de 3000HP con
una garantía de producción de 60 TMPH de cemento, con una superficie específica
media de 4300 cm2/g (Blaine). La clasificación del producto se realiza mediante
un circuito dinámico con un separador de partículas por aire.
En el proceso de la molienda, se
alimentan los materiales (Clinker, yeso y adición) según el tipo de cemento a
fabricar, y se determina la finura del cemento. En el proceso de molienda y a
la salida del molino, el material es conducido a través de un clasificador de
partículas que separa las gruesas para reintroducirlas al molino y las partículas
finas se transportan a los silos de cemento.
Cuando se fabrica el Clinker se ha tenido en cuenta el tipo o los tipos de cemento que se deseaban obtener.
Yeso adición (sulfato de calcio di hidratado CaSO4.2H2O)
Es un compuesto que se encuentra en la
naturaleza en forma de sulfato de calcio di hidratado, que se adiciona al
clinker en el molino de cemento en un 4 al 6 % en masa. Le confiere al cemento
un efecto retardante en las condiciones de fraguado. El yeso es generalmente
agregado al clinker para regular el fraguado. Su presencia hace que el fraguado
inicie aproximadamente en 45 minutos. El yeso reacciona con el aluminato
tricíclico para formar una sal expansiva llamada etringita.
Empaque
Para la venta de
cemento a los consumidores, se dispone de un área totalmente moderna en la que
se encuentran instaladas dos ensacadoras rotativas con 8 bocas cada una y una
capacidad de enfundar 2000 sacos/hora por máquina. Cada una de estas
ensacadoras está alimentada con sus respectivos aplicadores RADIMATIC, que son
servomecanismos autómatas que permiten un flujo continuo y estable en la
emisión de sacos. Paralelamente para el despacho a granel se dispone de dos
sistemas de alimentación para carros cisterna.
El respectivo
control en el despacho relacionado con la variable de peso (50 +- 0,5 kg/saco),
se lo realiza a la salida del vehículo de transporte por dos modernas básculas
electrónicas de 80 toneladas de capacidad.
Despacho
Área que programa y ordena el cargue de cemento de acuerdo a
la solicitud del cliente.
CONCLUSIONES
·
En este
trabajo se demostró a través de los cálculos como es el proceso de cada
operación unitaria para la fabricación del cemento portland normal.
·
A
través de los cálculos realizados en el diagrama de flujo determinamos las
cantidades necesarias que ingresan y salen en cada operación para producir una
cantidad aproximada a los 1040,198 kg de cemento.
·
Se tuvo
una mayor investigación en las industrias productoras de cemento para así tener
un mayor conocimiento sobre el proyecto que se realizó.
·
El
horno rotatorio es la parte más importante en la fabricación del cemento ya que
es ahí donde suceden las reacciones de la caliza y la arcilla a diferentes
temperaturas para producir el klinker el
compuesto principal del cemento portland.
·
Gracias
a la elaboración de este proyecto se tuvo una mejor aplicación de los
ejercicios vistos en clase y así poner en práctica lo ya visto durante el
parcial.
·
Se
aplicó todos los conocimientos aprendidos durante el parcial y también se
investigó sobre cómo se producen materiales de plástico para la elaboración del
informe.
RECOMENDACIONES
·
se
recomienda investigar profundamente para tener una mejor visión del proyecto
que se realiza, para entender los procesos y el proyecto no se haga tan
complicado ya que se tendría una mejor idea de lo que se va a realizar y como
está constituido cada operación para la producción del cemento.
·
Se
recomienda trabajar como guía con los ejercicios realizados en clases para
sacar los cálculos de balance de masa de cada operación del cemento.
·
Se
recomienda investigar de una manera profunda el horno rotatorio ya que es la parte
más importante del proceso y hay que tenerlo claro, de como funciona y a las
diferentes temperaturas que este produce las propiedades que caracterizan al
cemento portland tales como el silicato tricalcico, aluminato tricalcico,
silicato di cálcico y Ferro aluminato tetra cálcico.
·
Se
recomienda primero realizar los cálculos, el diagrama de producción del cemento
y después la animación de la fábrica para que así exista una mejor
coordinación.
· Trabajar en equipo es la mejor manera de entender cómo realizar los cálculos y de cómo llevarlos a la realidad por medio de la realización del prototipo.
BIBLIOGRAFIA
https://es.slideshare.net/macerval/cemento-portland
https://sjnavarro.files.wordpress.com/2008/09/def-y-elaboracion-cemento.pdf
http://materias.fi.uba.ar/7202/MaterialAlumnos/TeoricaCemento0616.pdf
http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/7859/Capitulo9.pdf
file:///C:/Users/HOME/Downloads/Tesis%20(1).pdf
https://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/25396/1/TESIS.pdf
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