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Calcinación

CALCINACIÓN 1. Introducción. La calcinación como es el proceso de calentar una sustancia a temperatura elevada, temperatura de descomposición, para provocar la descomposición térmica o un cambio de estado en su constitución física o química. El proceso, que suele llevarse a cabo en largos hornos cilíndricos, tiene a menudo el efecto de volver frágiles las sustancias. El proceso de calcinación logra la eliminación de agua, presente como humedad absorbida por el mineral, también el de reducir metales a partir de sus menas.

2. Objetivos. -

Determinar la composición del mineral en estudio.

-

determinar la temperatura de descomposición en condiciones de presión atmosférica de Oruro.

3. Fundamento teórico. “El término calcinación es empleado para denotar la descomposición térmica de sólidos y se expresa por la ecuación general: Solido 1 = Solido 2 + gas La calcinación es una operación unitaria ampliamente utilizada en procesos metalúrgicos, y el compuesto representado como Solido 1 es generalmente un carbonato y Solido 2 un oxido. La descomposición de los hidróxidos, que es denominado secado, tal como se indicó en la anterior sección, es también llamada calcinación.”[1]

3.1.

Termodinámica.

“Si consideramos la descomposición del carbonato, esta puede ser expresada químicamente como: 𝑀𝐶𝑂3 = 𝑀𝑂(𝑠) + 𝐶𝑂2 (𝑔) Asumiendo que la fase solida es pura, la presión de dióxido de carbono en equilibrio es solo dependiente de la temperatura: 𝑃𝐶𝑂2 = 𝑓(𝑇) = 𝐾 = exp(

−∆𝐺° ) 𝑅𝑇

Donde K es la constante de equilibrio y ∆𝐺° es el cambio de energía libre estándar de la anterior reacción. El ploteo de la presión de vapor del dióxido de carbono en equilibrio como una función de la temperatura se muestra en la figura 1.

1

Calcinación

Figura 1. Efecto de la temperatura sobre la presión de disociación de carbonatos. [1] “Se observa que a medida que aumenta la temperatura, la presión de vapor del dióxido de carbono en equilibrio exhibe un rápido incremento. La temperatura a la cual la presión de vapor alcanza 1 atm defiere de sustancia a sustancia, pero todas estas temperaturas son fácilmente alcanzadas en la práctica. Para citar algunos ejemplos, se debe mencionar que mientras que la temperatura requerida para el caso de carbonato ferroso (𝐹𝑒𝐶𝑂3 ) es solo 200°C, las temperaturas requeridas para el carbonato de magnesio (𝑀𝑔𝐶𝑂3 ) y carbonato de calcio (𝐶𝑎𝐶𝑂3 ) son 400 y 900 °C, respectivamente. El punto de descomposición para los carbonatos esta referido a la temperatura a la cual 𝑃𝐶𝑂3 = 1 𝑎𝑡𝑚. “[1] “La presencia de impurezas puede causar una caída en el punto de disociación. Esto implica que la temperatura y presión de equilibrio para la reacción de descomposición del carbonato son incrementados. El efecto de la sílice es particularmente ilustrado en el caso de la piedra caliza. Si la sílice esta presente como impureza, disminuye el punto de descomposición de la piedra caliza. Las escorias acidas anhidridas de sílice se combinan con el oxido de calcio básico de acuerdo a: 𝐶𝑎𝐶𝑂3 + 𝑆𝑖𝑂2 = 𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝑆𝑖𝑂 2 + 𝐶𝑂2 Y la constante de equilibrio, 𝐾 = 𝑃𝐶𝑂2 ∙ 𝑎𝐶𝑎𝑜 Debido a que el valor de K es fijo a una temperatura dada y que la 𝑎𝐶𝑎𝑜 es menor que la unidad, los valores de la presión de descomposición 𝑃𝐶𝑂2 para la reacción de descomposición del carbonato de calcio a una temperatura fija mayor en presencia de sílice en la piedra caliza. Por tanto, la presencia de

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Calcinación sílice hace más fácil de descomposición del carbonato de calcio. En la calcinación de la piedra caliza, se debe ajustar factores ambientales, incluyendo la temperatura, de tal manera que se obtenga el producto deseado. Cal quemado suave, que es mas poroso, con mayor área superficial y reactividad mejorada se obtiene por calcinación de la piedra caliza entre 750 y 850 °C. la calcinación a 1200 y 1300 °C produce un cal menos reactiva en la que las partículas presentan parcial sintonización.” [1]

3.2. Cinética, mecanismo de calcinación. “Además de determinar la temperatura de descomposición de la piedra caliza, es necesario conocer la cinética de la reacción. Se han realizado muchas investigaciones para describir de manera exacta la forma en la que se lleva acabo la descomposición. Se ha encontrado que la calcinación de piedra caliza se lleva acabo sobre una superficie limite definida, el límite entre dos fases sólidas, una de cal (CaO) y la otra de piedra caliza (𝐶𝑎𝐶𝑂3 ). Este plano progresa desde la superficie de la partícula de la piedra caliza que esta siendo calcinada en dirección al centro a una velocidad definida, manteniendo la misma forma exterior de la partícula.” [1] “Basado en los datos de calcinación, Furnas derivo la siguiente ecuación, la cual puede ser usada para determinar la penetración progresiva de la zona de calcinación: log(𝑅) = 0.003145 𝑇 − 3.3085 Dónde: R= velocidad de avance de la interface de calcinación, cm/hr T= temperatura del ambiente, °C Asumiendo que el calor absorbido por la piedra caliza es proporcional al área superficial de la interfase que disminuye, se predice una velocidad constante de avance de la interfase. Si la velocidad de movimiento de la interfase es dependiente solo de la temperatura y área disponible y es independiente del tamaño y forma de la partícula, el tiempo requerido para calcinar es directamente proporcional al tamaño de la partícula. Conley, Pelke y Kim, han demostrado la validez de la velocidad varia con la particularidad de la piedra bajo estudio. Así, en la práctica, es necesario evaluar el comportamiento de calcinación de un material antes de especificar las condiciones de operación para un proceso de calcinación.” [1]

3.3.

Temperatura de descomposición

“El punto de descomposición o temperatura de descomposición es la temperatura a la cual un compuesto químico sufre una termólisis es decir, se descompone en otros mas simples, sin llegar necesariamente a dividirse en los elementos que lo constituyen. Se calcula a partir de la lectura termoquímica ala que se observar signos de descomposición térmica, como la presencia de humos, cambios de coloración o variación erráticas de temperatura. Estos proceso suelen ser endotérmicos pues se requiere energía para romper los enlaces químicos entre los átomos. En el caso de la

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Calcinación descomposición exotérmica, podría producirse una reacción auto acelerada, de consecuencias peligrosas. “[2] “El cálculo se realiza con la ecuación de Clausius-Clepeyron” [2] : ∆𝐻𝑑𝑒𝑠𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑃 = 𝑑𝑇 𝑇𝑑𝑒𝑠𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛 ∗ ∆𝑉 “El efecto de la temperatura para diferentes especies para el sistema Ca-O-C es el siguiente.[3]: log pCO2(g) 0

Predominance Diagram for Ca-O-C S ystem

-5 CaCO3 -10 -15 -20 CaO -25 -30 -35 -40 0

100

200

300

Constant value: pO2(g) = 1.00E-20

400

500

600

700

800

900 T / °C

Figura 2. Diagrama de predominancia para el sistema Ca-O-C a presión de oxigeno de 0.13atm. [3] En la figura 2, se puede notar una línea roja que representa la presión de dióxido de carbono constante, de 0.64 atm.

3.4.

Diagrama Ellingham

“El diagrama ha sido construido para representar la carga en la cual la cantidad de carbón es mas que suficiente para reaccionar con todo el oxígeno de la carga pero no es suficiente para convertir todo el metal en carburo. La representación grafica es el ploteo de la presión de dióxido de carbono y la presión del oxígeno, a una determinada temperatura.” [1] En el caso de Calcinación del mineral de calcio se tiene el siguiente diagrama:

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Calcinación

Figura 3. Diagrama Ellingham para los carbonatos [3]

4. Procedimiento experimental. Se hizo con una muestra de Plomo, mineral Cerusita:

4.1.

Materiales.

4.2.

Horno. Crisol. Balanza de precisión. Guates. Pinza. Balanza. Cronometro Procedimiento experimental. 

Primeramente el mineral se debe hacer el análisis de la humedad, para obtener así el peso del mineral seco.



Pesar una muestra de mineral.



Introducir la muestra pesada al horno a la temperatura de aproximadamente 1000°C por un tiempo de 2 horas (observar el color de la muestra)

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Calcinación 

Una vez pasada las dos horas, retirar la muestra a un ladrillo para su enfriamiento a temperatura ambiente. (Observar el color de la muestra recién salida del horno).



4.3.

Después del enfriamiento pesar la muestra y hacer el balance (observar el color en frio).

Resultados.

Los resultados obtenidos en la calcinación de mineral de plomo son los siguientes:

masa inicial= masa final= Tdescomposicion= THorno= Humedad= tiempo=

100 85.6 856.7 1000 5.74 2

gr gr °C °C % hr

Tabla 1. Composición química del mineral seco. composición mineral seco Contenido, % Peso, gr H2O= 5.74 5.74 CaCO3= 31.40 31.4 Otros= 63.86 63.86 TOTAL 100 100 𝑃1 = presión atmosférica en condiciones normales = 1 atm 𝑃2 = presión atmosférica en Oruro = 0.64 atm ∆𝐻𝑑𝑒𝑠𝑐 = entalpia de descomposición en condiciones normales= 165810 J 𝑅 = constante de los gases = 8.314 J/°K mol 𝑇1 = temperatura de descomposición en condiciones normales = 886 °C= 1159 °K 𝑇2 = temperatura de descomposición en Oruro =T2 = 1129.7 °K = 856.7 °C Se pudieron observar las siguientes transformaciones en el crisol de la muestra:

Figura 4. Muestra recien sacada del horno

Figura 5. Muestra fria 6

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5. Análisis de resultados. En la tabla 1, se muestra la composición del mineral en seco, con un porcentaje mayoritario de aproximadamente de 73% de plomo. Tal como predicho en la figura 2, se observó un color rojizo característico de la especie 𝑃𝑏𝑂. Se puede mostrar en la figura 4. Ya frio la muestra se observó un color blanco amarillento, tal como dicho teóricamente en la figura 2, representa como especie estable al dióxido de plomo. 𝑃𝑏𝑂2 . Se puede mostrar en la figura 5.

6. Discusión. -

En la determinación de la composición se supone una calcinación completa, quiere decir que no existe restos de carbonato en el sólido 2, que todo el carbón se desprende en dióxido de carbono.

-

Para la temperatura de descomposición se puede notar una disminución de temperatura con el analizado en condiciones normales.

7. Conclusiones. -

En el proceso de calcinación se puede notar que el solido 2, que es el CaO, es puro con un peso de 85.6 gr mas las impurezas.

-

La temperatura de descomposición en condiciones de la ciudad de Oruro es inferior a la teorica en condiciones normales: 856.7°C.

-

Las figuras 4 y 5. Muestran que los predicho teóricamente cumplen con la transformación de los compuestos en función de la temperatura representadas en la figura 2

8. Referencias bibliográficas. [1]

León, Texto de Pirometalurgia 1, 2014

[2]

pagina web, Wikipedia, Calcinación

[3]

programa computacional de datos tabulados en condiciones estándar, HSC 6

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APÉNDICE Los resultados obtenidos de la tabla 2 se tienen:

tabla 2. Composición química y del mineral en estudio DATOS DE ENTRADA masa inicial= 100gr masa final= 85.6gr Tdescomposicion= 856.7°C THorno= 1000°C Humedad= 5.74% tiempo= 2hr composición mineral seco Contenido, % Peso, gr H2O= 5.74 5.74 CaCO3= 31.40 31.4 Otros= 63.86 63.86 TOTAL 100 100 Para el balance se usó la estequiometria en base a los gases de salida, sabiendo que la masa perdida es la masa de los gases, con el peso del carbono, se puede trabajar con estequiometria para el cálculo de la composición del mineral, suponiendo que la calcinación es completa. Primeramente se debe tomar en cuenta la reaccion de descomposicion del carbonato de calcio a oxido de calcio según: 𝐶𝑎𝐶𝑂3 = 𝐶𝑎𝑂 + 𝐶𝑂2 Donde en la practica se medira la cantidad de peso que se perdio en forma de dioxido de carbono y estequimetricamente calcular la cantidad de carbonato que aun queda en la muestra. Y según esto tenemos que : 𝑚𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 100 𝑔𝑟 𝑚𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 85.6 𝑔 𝑚𝐶𝑂2+𝐻2𝑂 = 100 − 85.6 = 14.4 𝑔𝑟 𝑚𝐶𝑂2 = 14.4 − 0.582 = 13.818 𝑔𝑟 Por estequimetria calculamos el % de carbonato

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%𝐶𝑎𝐶𝑂3 -

100 ∗ 13.818 = 44 ∗ 100 = 31.4045% 100

Para el calculo de la temperatura de descomposición en condiciones de presión atmosférica de Oruro: De la ecuación de CLausius clepeyron: 𝑑𝑃 ∆𝐻𝑑𝑒𝑠𝑐. = 𝑅𝑇 𝑑𝑇 𝑇 𝑑𝑒𝑠𝑐 ∗ 𝑃

Despejando, dP, e integrando: 𝑃2

∫ 𝑃1

𝑇2 𝑑𝑃 ∆𝐻𝑑𝑒𝑠𝑐 𝑑𝑇 =∫ ∗ 2 𝑃 𝑅 𝑇 𝑇1

𝑃2 ∆𝐻𝑑𝑒𝑠𝑐 (−1) 1 1 ln ( ) = ∗ ∗( − ) 𝑃1 𝑅 2 𝑇2 𝑇1 De la ecuación final, se reemplaza datos, donde: 𝑃1 = presión atmosférica en condiciones normales = 1 atm 𝑃2 = presión atmosférica en Oruro = 0.64 atm ∆𝐻𝑑𝑒𝑠𝑐 = entalpia de descomposición en condiciones normales= 165810 J 𝑅 = constante de los gases = 8.314 J/°K mol 𝑇1 = temperatura de descomposición en condiciones normales = 886 °C= 1159.15 °K 𝑇2 = temperatura de descomposición en Oruro (incógnita) Despejando 𝑇2 , de la ecuación, se tiene: 𝑃 ln ( 2 ) 1 1 𝑃1 ( − )= ∆𝐻𝑑𝑒𝑠𝑐 (−1) 𝑇2 𝑇1 ∗ 𝑅 2 𝑃2 ln ( ) 1 1 𝑃1 = + 𝑇2 ∆𝐻𝑑𝑒𝑠𝑐 (−1) 𝑇1 ∗ 𝑅 2 1 𝑇2 = 𝑃 ln ( 1 ) 1 𝑃2 −∆𝐻𝑑𝑒𝑠𝑐 − 𝑇1 𝑅∗2 Reemplazando los datos numéricos: 𝑇2 =

1 0.64 ln ( 1 ) 1 + −165810 J/mol 1159.15 °𝐾 𝐽 2 ∗ 8.314 °𝐾𝑚𝑜𝑙

𝑻𝟐 = 𝟏𝟏𝟐𝟗. 𝟕 °𝑲 = 𝟖𝟓𝟔. 𝟕 °𝑪

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