UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

CARRERA: INGENIERÍA INDUSTRIAL

DISEÑO EN INGENIERIA

[HORNO ROTATORIO PARA CALCINACION DE PIEDRA CALIZA]

DOCENTE: ING. PASCUAL MALDONADO LOPEZMATERIA: DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORAESTUDIANTES: ARIAN CRESPO JOSE CAYO MAMANI ROMER ESPINOZA PAREDES DENNIS MALDONADO TERRAZAS NELCY

GRUPO: #5

COCHABAMBA – BOLIVIA

HORNO ROTATORIO PARA LA CALCINACION DE PIEDRA CALIZA

INTRODUCCIÓN.-

El horno rotativo es un horno continuo, a calentamiento externo y llama libre, cuyo uso está dirigido a la calcinación de piedra caliza.

OBJETIVO GENERAL.-

- Diseñar un horno rotatorio para el cosido de piedra caliza para los productores de yeso de Suticollo y Montenegro.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS.-

- Disminuir el tiempo de cocido de la piedra caliza - Reducir el gasto de energía - Minimizar las emisiones de gases tóxicos minimizar

ANTECEDENTES.-

A 35 kilómetros de la ciudad de Cochabamba, en la zona de Suticollo y Montenegro de la Provincia Quillacollo, existen industrias rurales que producen yeso.

Estas industrias utilizan como principal combustible la leña, siendo que solamente un 15%posee en la actualidad abastecimiento de gas natural.Los productores se hallan organizados en la ASOCIACIÓN DE PRODUCTORES DE YESO YCAL (APYC) - Villa Montenegro y Suticollo (2do.Cantón de la provincia Quillacollo) -fundada en 1978. Cuentan con personería jurídica y más de 100 asociados con una alta heterogeneidad cultural y económica y entre los cuales se aprecia grandes, medianos y pequeños productores.

Las actividades de la Asociación sobre todo se han dirigido a la nivelación de los precios, especialmente del yeso. Sin embargo la heterogeneidad anteriormente mencionada ha provocado a la Asociación serias dificultades en la coordinación y en la toma de decisiones sobre otros aspectos importantes (mejoras tecnológicas, crédito, mercado, problemas ambientales, etc.).

Los asociados se caracterizan por representar una pequeña empresa familiar que procesa minerales para la obtención de yeso y cal, como también ladrillo. Los dos procesos principales que demandan bastante energía son: quitar el agua del mineral y la molienda del producto resultante. Para ello cada empresa familiar cuenta con los equipos indispensables, entre ellos un camión que servirá para traer materia prima, un molino que pulverizará el material y un horno rústico calentado por leña.

El sistema de combustión utilizado es bastante ineficiente lo cual repercute enormemente en la demanda excesiva de leña, en los costos y en una fuerte contaminación ambiental. La quema de leña no solamente es fuente de CO2, sino de diferentes tipos de contaminantes resultantes de la combustión

(material particulado, monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados, óxidos de nitrógeno, etc.).

La leña utilizada en los hornos es extraída de la misma localidad en algunos casos o de otros lugares, como ser: Tiquipaya (principalmente), Chapare, Cruce Taquiña, Quillacollo, provincias vecinas y aserraderos. La leña de la región es siempre preferida debido a su cercanía y el bajo costo que su transporte implica; sin embargo, las consecuencias se han hecho sentir, al evidenciarse problemas de deforestación en la zona.

Por lo general la sustitución de la leña por otro energético en la pequeña industria rural, está en función de un análisis comparativo y de oportunidades de costos, de ahí la importancia capital de mostrar una alternativa tecnológica de combustión, que sea económica viable y de impacto ambiental menor.

PRODUCTO

Combustible

Leña Gas Natural

YESO

Cantidad de Producto Obtenido por Horneada

16.720 kg. 17.780 kg

Costo Total de Producción 2500 Bs. 862.50 Bs.

Tiempo de cocido 24 h 12 h

Costo de Combustible por Horneada

1400 Bs. 212,50 Bs.

Participación del Combustible en el Costo Total deProducción

56 % 24.6 %

Costo de 28- 30 kg (equivalente a 1 bolsa)

10 Bs. 10 Bs.

ALCANCE.-

Con el presente diseño queremos llegar a cubrir las necesidades de los productores de yeso (Suticollo-Sipe-Sipe) minimizando costo, tiempo en el proceso de la calcinación del yeso (sulfato de calcio)

MARCO TEÓRICO.-

Generalidades sobre la piedra caliza.-

El piedra caliza es un mineral de color blanco a blanco grisáceo en estado puro y con diversas tonalidades de amarillo, rojizo, castaño, azul grisáceo o rosa como consecuencia de impurezas. Puede presentarse en tres variedades principales:

Químicamente está compuesto por sulfato de calcio cristalizado conjuntamente con agua, en la proporción de dos moléculas de agua por cada molécula de sulfato de calcio (CaSO4 . 2H2O) también llamado sulfato de calcio dihidratado o bihidratado. Está compuesto aproximadamente:

Propiedades Quimicas

CaO SO3 H2O

32.6% 46.5% 20.9%

Propiedades físicas

Dureza Tenacidad

Densidad Gravedad específica o

Peso Específico

Exfoliación Solubilidad

1,5 - 2,5 en la Escala de Mohs

Flexible, inelástico

2.32 g/cm³

2.3 Perfecta en una dirección, irregular en dirección opuesta

Es ligeramente soluble en el agua (13.78x10-3 mol L-1 a 25°C y presiónatmosférica. Su solubilidad muestra una dependencia positiva con latemperatura en aguas frías, llegando a un máximo alrededor de los 58°C ydespués decrece. Soluble en ácido clorhídrico.

HORNO ROTATORIO

Este horno consiste de un cilindro de acero, recubierto interno o externo por un material refractario. Los hornos rotatorios 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 diseña para aplicaciones en los que la temperatura esta entre 100 y 600 °C, como es el caso de los hornos de calcinación de yeso.

El mineral de yeso o sulfato de calcio bihidratado, con dos moléculas de agua de cristalización, es lo que se denomina yeso crudo, que al calentarlo entre 160 a 180 °C se transforma en sulfato de calcio semihidratado.

Al calentar entre 180 y 200 °C, se elimina la mayor parte de la media molecular 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 mas 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 anhidro o yeso cocido a muerte, de fraguado casi nulo.

De 750 a 800 °C empieza a formarse el yeso hidráulico.

Tipos de horno rotatorio

Los tipos hornos rotatorios se dividen en los procedimientos empleados para la producción del yeso, (procesamiento mojado, semi-seco y seco) o por la longitud del horno (hornos largos y hornos cortos)

Procedimiento húmedo

Abarca todos los procedimientos en los cuales la carga del horno penetra en la misma forma de suspensión con un contenido de humedad de 30 a 40%. Un horno de procesamiento mojado necesita una zona adicional (zona de deshidratación) para secar el agua de la carga, por la cual, deberá ser considerablemente más largo y requiere teóricamente más combustible para poder obtener la misma producción. Ventajas de un horno de procesamiento mojado.

Uniformidad de la mezcla Menor perdidas en polvo Mejor calidad de materia prima

Procesamiento semi-seco

También conocido como horno de procesamiento de rejilla, comprende los hornos Polysius y Lepol. Son los hornos más económicos debidos que el consumo de consumo de combustible es reducido.

Es un procedimiento en que la carga seca pulverizada primeramente es granulada en nódulos pequeños mediante una adición de 10 a 15% de agua.

Ventaja de los hornos de procesamiento semi-seco:

Tamaño uniforme de salida del yeso Consumo de combustible

Inconvenientes:

Producción de nódulos Control del espesor de la carga sobre la rejilla movible

Procesamiento seco

En este proceso la carga es inducida en el horno en forma de polvo seco. Un buen número de diferentes hornos de procesamiento seco son utilizados hoy en dia, la mayoría de estos se encuentran provistos de algunas característica de recuperación de una parte de la cantidad de calor proveniente de los gases que salen del horno.

Estos pueden ser subdivididos en los siguientes grupos:

Hornos pre-calentadores de gases en suspensión

Hornos con intercambiadores internos de calor Hornos con unidades de recuperación del calor para la generación de

energía.

Hornos rotatorios largos

Son hornos que tienen que pueden ser alimentados por vía húmeda o por vía seca, con diámetro de cilindro de hasta siete metros, y longitud comprendida entre 32 a 35 veces el diámetro del cilindro. Su inclinación suelen ser de 3 a 4.5%, con una velocidad de rotación de 1.5 a 2.5 r.p.m., lo que corresponde a una velocidad tangencial de 0.3 a 0.9 m/s. en estos el tiempo de permanencia del material a dentro varia de 3 a 5 horas.

Hornos rotatorios cortos

Son hornos que tienen que pueden ser alimentados por vía semi-seca o por vía seca, con diámetro de cilindro de hasta siete metros, y longitud comprendida entre 15 a 17 veces el diámetro del cilindro. Su inclinación suelen ser de 3 a 4.5%, con una velocidad de rotación de hasta 2.5 r.p.m., en estos el tiempo de permanencia del material a dentro varia de 40 a 60 minutos.

Partes principales del horno rotatorio

Alimentador tiene sistema de intercambio térmico, por el que se recupera el calor residual evacuado con los gases de combustión salientes.

Horno es el cuerpo cilíndrico del horno rotatorio. En este caso el horno es cilíndrico simple sin variación de diámetros y la curva térmica es simple

o Zona fríao Zona intermediao Zona caliente

Cabezal comprende el recinto y los dispositivos que conforman el sistema de combustión.

Pendiente del horno.-El horno no se encuentra completamente horizontal. Este posee un grado de inclinación. Las pendientes requieren velocidades más altas, esto ofrece la ventaja de favorecer la mezcla del material y origina un intermedio de calor más intenso. También si la inclinación es pequeña de alcanza un grado de llenado más alto.Grado de llenado.-

El material ocupa una fraccion de la seccion del horno rotatorio. A la relacion del area de esta fraccion y el area de la seccion total del horno, expresada en porcentaje , se le llama grano de llenado del horno.los grados de llenado flucctuan entre 5-17%. Sin embargo en la práctica sea demostrado q el grado de llenado no debe pasar 13% ya q superior a este no favorecen la transferencia de calor

PROCESO DE PRODUCCIÓN

Comercialización

Proceso de enfriamiento

Molienda

Embolsado

Calcinación

Trituración

Extracción de la piedra caliza

NORMAS

La temperatura al q debe llegar lo máximo el material es a 2000C

NORMAS PARA EL CONTROL DE CALIDAD. (ASTM C471, C 472)

• PUREZA DEL YESO

Se exige que el yeso tenga como mínimo un 37.5% de oxido de calcio y un mínimo de 53.5% expresado como SO3, determinados por valoración, y un máximo del 6% como agua combinada. Este último parámetro limita el contenido de los hemidratos o yeso sin calcinar.

• CONSISTENCIA

La consistencia indica la relación agua yeso para que la pasta adquiera una consistencia dada y se reporta como los mililitros de agua adicionados a 100 gramos de yeso. Dependiendo del tipo de yeso se encuentra entre 30 y 80 ml. Se mide con el diámetro de 6” formado por la pasta de yeso retardado, usando la copa con orificio de salida o con la aguja de Vicat modificada y con una penetración de tres centímetros.

• TIEMPO DE VIDA DE LA SUSPENSION

Este método se aplica para la determinación del tiempo de vida de las suspensiones de yeso retardado que indica el tiempo requerido para perder sus propiedades de fluido.

• TIEMPO DE FRAGUADO

Nos indica el tiempo útil de la pasta de yeso y se mide con la aguja de Vicat convencional. El yeso se considera fraguado cuando la aguja no penetra más hacia el fondo de la pasta. Los tiempos de fraguado indican la velocidad de las reacciones químicas y varían para cada yeso. Estos se deben acondicionar según las necesidades.

• GRANULOMETRIA

Se mide la distribución del tamaño de las partículas de yeso con la serie de tamices estándard. En los yesos finos regularmente hay un porcentaje considerable de material que pasa la malla 325 y un porcentaje mínimo en la malla 200. La muestra se debe secar a una temperatura de 40° C.

• Otros ensayos son la medición de la masa específica y la masa unitaria que pueden indicar sobre la homogeneidad del yeso y se usa como en los cementos el frasco de Le Chatelier. Dependiendo del peso unitario se debe corregir el peso de 50 gramos que indica la norma. Las resistencias mecánicas a los esfuerzos de ruptura para flexión, tracción, dureza y compresión. La humedad total y el pH a una temperatura de 25 °C, también son importantes. En algunos casos especiales es importante determinar el color y la apariencia que indiquen su pureza, blancura, olores, sabores y la presencia de materias extrañas. Otro parámetro importante es la observación de la estabilidad del yeso bajo condiciones adversas.

NORMA IRAM 1607 (ARGENTINA)

La norma IRAM 1607 establece las características propiedades o requerimientos que debe cumplir el yeso cocido. Definiendo a este como el material obtenido por parcial deshidratación de la piedra de yeso

natural (algez), de modo que en su forma este constituido por sulfato de calcio hemihidratado (S4Oca1/2H2O).

Requisitos

Unidad

Clase Método de

Ensayo A B

Finura

Material que pasa el tamiz IRAM 1.2 mm

(16)

g /100 g

(mínimo) 100 93

IRAM

1608

Material que pasa el tamiz IRAM 590

(30) 95 85

Material que pasa el tamiz IRAM 149

(100) 70 45

Tiempo de

Fraguado

Inicialminut

os

3 MIN -

3 MIN -

Final -

25 MAX -

35 MAX

Resistencia a la compresión

mínima N/cm2 80 50

Contenido de sulfato de calcio hemihidratado

g /100 g 80 60

Otras características según normas

DIMENSIONAMIENTOY ESPECIFICACIONES DEL PROBLEMA

[ARBOL DE: OBJETIVOS, MEDIOS Y FUNCIONES]

ÁRBOL DE OBJETIVOS.-

COSTO MINIMO

ESTABLE

GAS

ELECTRICIDAD

REDUCCION EN TIEMPO

PROTECCION

MENOR CONSUMO DE

COMBUSTIBLE

SEGURO

BARATO

DURADERO

COCIDO UNIFORME

CUIDAR EL MEDIO

AMBIENTE

COMERCIABLE

HORNO ROTATORIO

Calcinador de piedra caliza

Rotacion del cilindro(rpm)

Mezclar material (Kg)

Uniformizar cocido

Soportar peso del material

P=(kg)

soportar movimiento circular del

material

Guiar rotacion fijar cilindro

Entrada de materialP=(Kg)

Resistir peso dela piedra caliza

P=(Kg)

Dosificar entrada de material

Seleccionar material

Generar calor Qtotal=(Kcal)

Minimizar radiacion de

calorTemperatura externa

Deshidratar materialReducir

contaminacion

descargar material

ARBOL DE FUNCIONES.-

ARBOL DE FUNCIONESY MEDIOS.

CALCINADOR DE

PIEDRA CALIZA

Rotacion del cilindro(rpm) motor

trifasico

Mezclar material

(Kg)

rotacion

Uniformizar cosido

cilindro rotatorio

Soportar peso del material P=(kg)

rodillos de soporte

soportar movimiento circular del material

rodillos de soporte

Guiar rotacion

catalinas rodamientos

fijar cilindro

Entrada de materialP=(Kg)

tolva de resepcion de material

Resistir peso dela piedra caliza

P=(Kg)

soporte de tolva

Dosificar entrada de

material

compartimiento de disificacio

Seleccionar material

tamaño menor a

7mm

Generar calor Qtotal=(Kcal)

quemador

Deshidratar material

quemador

Reducir contaminacion

uso de gas natural

descargar material

orificio de salida

CALCULOS

DATOS OBTENIDOS DE LOS PRODUCTORES DE SUTICOLLO

PRODUCTO

Combustible

Leña Gas Natural

YESO COMERCIAL

Cantidad de Producto Obtenido por Horneada

16.720 kg. 17.780 kg

Costo Total de Producción 2500 Bs. 862.50 Bs.

Tiempo de cocido 24 h 12 h

Costo de Combustible por Horneada

1400 Bs 212,50 Bs.

Participación del Combustible en el Costo Total de

Producción

56 % 24.6 %

Costo de 28- 30 kg (equivalente a 1 bolsa)

10 Bs. 10 Bs.

DATOS OBTENIDOS DE LA PRUEBA REALIZADA EN EL HORNO ROTATORIO PARA LA CALCINACION DE LA PIEDRA CALIZA.

Tiem1=Tiempo de inicio.Tiem2=Tiempo de pasada de la tolva.Tiem3=Tiempo que tarda en aparecer el material del cilindro.Tiem4=Tiempo de pasada total. α=0

TABLA N1

N0 TIEMPOS(min)

1 0

2 8

3 5

4 22

T1=Temperatura ambienteT2=Temperatura dentro del cilindroT3=temperatura del material al pasar por el horno a la salida

TABLA N2

N0 TEMPERATURA(0C)

1 25

2 252

3 170

TIEMPOS DE FRAGUADO:

TABLA N3

N0PRUEBA DESCRIPCION TIEMPOS(min)

1 SIN MOLER 6,5

2 MOLIDO 5

3 SUTICOLLO 5,10

CALCULOS PARA HALLAR FLUJO DE MASA

TABLA N4

CANTIDAD DE LA

MUESTRA (kg)

TIEMPO DE PASADA

TOLVA(min)

FLUJO MASICO

TOLVA(kg/h)

6,5 8 48,75

FLUJO DE MASA TOLVA=6,58

∗60= 48,75(kg/h)

CONCLUSION: La cantidad ingresada a través del tornillo sin fín es 48,75(kg/h)

TABLA N5

N0 CANTIDAD DE MUESTRA (kg)

TIEMPO DE PASADA DE LA MUESTRA DENTRO DEL HORNO(min)

FLUJO DE MASA DENTRO DEL HORNO(kg/h)

1 6,5 22 17,72

n

Se puede observar el paso de la masa a través del horno.

La masa ingresa a través de la tolva pasando por el tornillo sinfin para si luego pasar al cilindro

Entrada a la tolva de la masa triturada

FLUJO MASICO DENTRO DEL CILINDRO= 6,522

∗60=17,72(kg/h)

DATOS DE LA GARRAFA(GLP)

TABLA N6

CONSUMO DE GLP

N0 TIEMPO(min) MASA GLP(kg) CONSUMO(kg/h)

1 50 1 1,2

CONSUMO

150

∗60=1,2(kg/h)

GRAFICA DE LA PENDIENTE DEL HORNO ROTATORIO

TABLA 7

Longitud de referencia(mm)

ΔX (mm) Ángulo Tiempo Angulo en porcentaje

117020 0,98 43 1,70940170916 0,49 80 0,8547008554 0,196 112 0,3418803420 0,000045 165 00 0,000045 180 0

DIMENSIONAMIENTO DE LA HELICE DEL TORNILLO SIN FIN:Utilizando el programa logiTRACE se calculo las dimensiones exactas para la fabricacion de las helices del tornillo sin fin.