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Problemas especiales de Hornos
HORNOS PROBLEMAS ESPECIALES
Universidad de Buenos Aires72.02 - INDUSTRIAS I
72.02 - Industrias I 2
Problemas especiales de Hornos
HORNOS
• Alto Horno
• Horno Convertidor LD
• Hornos Eléctricos
• Horno rotativo para cemento
• Otros hornos
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Problemas especiales de Hornos
Otros Hornos
• Hornos especiales en la siderurgia
• Hornos para producción de cobre
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Ejercicio 1
COMBUSTIÓN
Combustión: reacción química que consiste en la oxidación violenta de un elemento con desprendimiento de calor y generalmente llamas
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Conceptos a tener en cuenta:
• Combustión perfecta
• Combustión completa
• Combustión incompleta
• Fórmulas generales de combustión de carbones e hidrocarburos
• Exceso de aire
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Problemas especiales de Hornos
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.
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Horno de reverbero
Carbón
Aire
Gases de combustión
Para una tonelada de carbón, tenemos presentes:
C: 0,85 * 1000 kg = 850 kgH: 0,05 * 1000 kg = 50 kgN: 0,01 * 1000 kg = 10 kgS: 0,02 * 1000 kg = 20 kgO: 0,07 * 1000 kg = 70 kg
Resolución problema 1
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Reacciones de combustión:
C + O2 CO2
H2 + ½ O2 H2O
S + O2 SO2
O2: 850 kg C * 32/12 = 2268 kg O2
O2: 50 kg H * 16/2 = 400 kg O2
O2: 20 kg S * 32/20 = 32 kg O2
Oxígeno necesario para las reacciones de combustión:
O2: 2268 kg+400kg+32kg = 2700 kg O2
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Considerando el oxígeno presente en el propio carbón, el oxígeno necesario será entonces menor, según:
O2 necesario = 2700 kg – 70 kg =2630 kg O2
Luego, el volumen de aire necesario será (CNPT):
Volumen O2 (CNPT) = 2630000 gO2 * (1/32 g/mol) * 22,4 l/mol = 1841000 litros O2
Volumen Aire (CNPT) = 1841 m3 O2 / 0,21 m3 O2/ m3 aire
Volumen Aire (CNPT) = 8766 m3 aire/ton carbón
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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
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Ejercicio 2
Tostación
Tostación: reacción química en la cual se calienta una sustancia en presencia de oxígeno
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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 FeS2 – pirita): 25%
Zn (presente como ZnS – blenda): 4%
S: 33,6%
SiO2: 20%
Otros (CaO, Al2O3, etc.): 11,4%
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El mineral de Cu oxida a CuO, el de Fe a Fe2O3 y el de Zn a ZnO
A su vez, el análisis de los gases arroja los siguientes resultados:
SO2: 2,5%
SO3: 0,4%
Resto: O2 y N2 según relación 21%/79%
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Problemas especiales de Hornos
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:
SO2 + ½ O2 SO3
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Problemas especiales de Hornos
Resolución problema 2:
Horno de Tostación
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
Aire
Productos:CuOFe2O3ZnO
Gases:SO2 2,5%SO3 0,4%Resto: O2/N2 (relación 21/79)
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Problemas especiales de Hornos
Reacciones de tostación de los minerales
CuS + 3/2 O2 CuO + SO2
2 FeS2 + 11/2 O2Fe2O3 + 4 SO2
ZnS + 3/2 O2 ZnO + SO2
A su vez, ocurre la siguiente reacción:
SO2 + ½ O2 SO3
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Problemas especiales de Hornos
CuS + 3/2 O2 CuO + SO2
64 g Cu 64 + 16 = 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
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2 FeS2 + 11/2 O2 Fe2O3 +4 SO2
2*56 =112 g Fe 2*56 + 3*16 = 160 g Fe2O3
Entonces, 250 kg de Fe presentes en el mineral cargado producirán:
Fe2O3 producido = 160/112 * 250 kg Fe2O3/tn min
Fe2O3 producido = 357 kg Fe2O3/tn min
Del mismo modo:
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ZnS + 3/2 O2 ZnO + SO2
65 g Zn 65 + 16 = 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
Del mismo modo:
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Problemas especiales de Hornos
CuO producido = 75 kg CuO/tn min
Fe2O3 producido = 357 kg Fe2O3/tn min
ZnO producido = 49,85 kg ZnO/tn min
Los productos obtenidos por tonelada de mineral son:
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2 – Volumen de Gases de tostación por tonelada de mineral procesado.
Horno de Tostación
60 kg Cu/tn min
250 kg Fe/tn min
40 kg Zn/tn min
AireProductos:75 kg CuO357 Fe2O349,85 ZnO
Gases:SO2 2,5%SO3 0,4%Resto: O2/N2 (relación 21/79)
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En base a la cantidad de producto obtenido, podemos calcular la cantidad de SO2 producido en las reacciones:
CuS + 3/2 O2 CuO + SO2
• Sabiendo que:
80 g CuO ⇒ 1 mol CuO
75 kg CuO ⇒ 1/80 * 75 kmol CuO = 0,9375 kmol CuO
1 mol CuO ⇒ 1 mol SO2
• Obtenemos: V1 = 0,9375 kmol SO2/tn min
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Del mismo modo:
• Sabiendo que:
160 g Fe2O3 ⇒ 1 mol Fe2O3
357 kg Fe2O3 ⇒ 1/160 * 357 kmol Fe2O3 = 2,2313 kmol Fe2O3
1 mol Fe2O3 ⇒ 4 mol SO2
• Obtenemos: V2 = 8,925 kmol SO2/tn min
2 FeS2 + 11/2 O2 Fe2O3 +4 SO2
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• Sabiendo que:
81 g ZnO ⇒ 1 mol ZnO
49,85 kg ZnO ⇒ 1/81 * 49,85 kmol ZnO = 0,6154 kmol ZnO
1 mol ZnO ⇒ 1 mol SO2
• Obtenemos: V3 = 0,6154 kmol SO2/tn min
ZnS + 3/2 O2 ZnO + SO2
Del mismo modo:
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Entonces, tenemos la siguiente cantidad de SO2 generado por las reacciones de tostación:
VSO2 = V1 + V2 + V3 =10,48 kmol SO2
En CNPT, 1 mol = 22,4 l = 22,4 dm3 = 0,0224 m3 con lo cual:
VSO2 = 234,7 m3 CNPT (generado por las reacciones de tostación)
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Problemas especiales de Hornos
Sabemos que parte de ese SO2 reacciona generando SO3, según la siguiente relación:
VSO2 real = 235 m3 – VSO3
VSO2 real = 0,025 * Vgases
VSO3 = 0,004 * Vgases
De modo que:
0,025 * Vgases = 235 m3 – 0,004 Vgases
Vgases = 235 m3 / (0,025 + 0,004)
Vgases = 8.103 m3 (CNPT)
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La composición de los gases será:
VSO2 = 0,025 * 8103 = 202,6 m3 CNPT
VSO3 = 0,004 * 8103 = 32,4 m3 CNPT
VO2 =0,21 * (8103 – 202,6 – 32,4) = 1652,4 m3 CNPT
VN2 = 8103 – 202,6 – 32,4 – 1652,4 = 6216 m3 CNPT
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3 – Exceso de aire
Calculemos la cantidad de aire estequiométrico necesaria para llevar a cabo las reacciones de tostación:
CuS + 3/2 O2 CuO + SO2
Recordando que el exceso de aire se define como:
e % = 100 * (aire real – aire esteq.)/aire esteq.
64 g Cu ⇒ 3/2 * (2*16) = 48 g O2
60 kg Cu ⇒ 48/64 * 60 kg O2 = 45 kg O2
VO2 (CuS) = 22,4 * 45/32 = 31,5 m3
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2 FeS2 + 11/2 O2Fe2O3 + 4 SO2
Del mismo modo:
2*56 = 112 g Fe ⇒ 11/2 * (2*16) = 176 g O2
250 kg Fe ⇒ 176/112 * 250 kg O2 = 392,86 kg O2
VO2 (FeS2) = 22,4 * 392,86/32 = 275 m3
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ZnS + 3/2 O2 ZnO + SO2
Del mismo modo:
65 g Zn ⇒ 3/2*(2*16) = 48 g O2
40 kg Zn ⇒ 48/65 * 40 kg O2 = 29,54 kg O2
VO2 (ZnS) = 22,4 * 29,54/32 = 20,68 m3
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Teniendo en cuenta que ocurre la reacción:
SO2 + ½ O2 SO3
1 mol SO3 ⇒ 1/2 mol O2
VO2 (SO3) = 32,4 m3 * 1/2 = 16,2 m3
Con lo cual:
1 m3 SO3 ⇒ 1/2 m3 O2
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La cantidad de aire estequiométrico será:
VO2 = VO2 (CuS) + VO2 (FeS2) + VO2 (ZnS)+ VO2 (SO3)
VO2 = 31,5 m3 +275 m3 + 20,68 m3 + 16,2 m3 = 343,38 m3
Aire esteq. = 343,38 m3 / 0,21
Aire esteq. = 1635 m3
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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 m3 + 1652,4 m3/0,21
Aire real = 1635 m3 + 1652,4 m3/0,21
Aire real = 9504 m3
72.02 - Industrias I 34
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Entonces:
e % = 100 * (aire real – aire esteq.)/aire esteq.
e % = 100 * (9504 m3 – 1635 m3)/1635 m3
e % = 481 %
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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.
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Muchas gracias por su atención!