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• Alex Paul Muñoz

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Cinética de Calcinación del Carbonato de Calcio _________________________________________________________________________________________________________________________

Cinética de Calcinación del Carbonato de Calcio 1Escuela

 Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Química y Agroindustia, Quito, Ecuador

Resumen: La calcinación es el proceso de calentar una sustancia para inducir la descomposición térmica o un cambio de estado en su constitución física o química. El óxido de calcio es producto de la calcinación del carbonato de calcio, en este estudio se determinó la conversión de carbonato de calcio en función del tiempo. Para esto se pesaron 5 crisoles y se añadió aproximadamente 1 g de CaCO 3 98% en cada uno de ellos para luego llevarlos a una mufla y retirarlos uno a uno cada 5 minutos, siendo llevados a un desecador por 15 minutos y fueron finalmente pesados. Se determinó que la conversión alcanzada a los 25 minutos de calcinación es del 97,4% y que la conversión de carbonato de calcio a óxido de calcio aumenta conforme aumenta el tiempo de calcinación, que la velocidad de conversión es mayor durante los primeros 10 minutos de calcinación y que esta disminuye conforme aumenta el tiempo de reacción. Además se obtuvo que la velocidad de conversión a 850 °C corresponde a una ecuación polinomial de cuarto grado. Palabras clave: calcinación, carbonato de calcio, corazón no reaccionado, conversión

Calcium Carbonate Calcination Kinetics Abstract: Calcination is the process of heating a substance to induce thermal decomposition or a change of state in its physical or chemical constitution. Calcium oxide is the product of calcination of calcium carbonate, in this study the conversion of calcium carbonate was determined as a function of time. For this, 5 crucibles were weighed and about 1 g of CaCO3 98% was added in each of them and then taken to a muffle and removed one by one every 5 minutes, being brought to a desiccator for 15 minutes and finally weighed. It was determined that the conversion achieved at 25 minutes of calcination is 97,4% and that the conversion of calcium carbonate to calcium oxide increases as the calcination time increases, the conversion rate is higher during the first 10 minutes of calcination and that this decreases as the reaction time increases. Also it was found that the conversion rate at 850 °C corresponds to a fourth degree polynomial equation. Keywords: calcination, calcium carbonate, unreacted heart, conversion

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1. INTRODUCCIÓN

La cal viva u óxido de calcio CaO es un material muy importante ya que es utilizada en una serie de procesos como la fabricación de vidrio, sosa cáustica, se utiliza para uso estructural como en la producción de cemento, para el blanqueado, en la industria textil, en el refinado de azúcar, en la fabricación de papel, para ablandar el agua, para el curtido del cuero, como un fertilizante para el suelo, entre otros (Universidad de Cantabria, 2014). El óxido de calcio (CaO) o cal viva es producto de la calcinación del carbonato de calcio (CaCO3) o piedra caliza. 2. MARCO TEÓRICO/METODOLOGÍA Calcinación Es el proceso de calentar una sustancia hasta la temperatura de descomposición para inducir la descomposición térmica o un cambio de estado en su constitución física o química. [email protected]

La calcinación de carbonato de calcio se define mediante la siguiente reacción: CaCO3 → CaO + CO2

(1)

Existen factores influyentes en el proceso de calcinación de la caliza como impurezas, tamaño de roca, presión barométrica, tiempo y temperatura de calcinación (Quiñonez, 2015). De acuerdo a Quiñonez (2015) el proceso ocurre en etapas (siendo estos valores teóricos) que incluye:    

Hasta los 100 °C el precalentamiento de la piedra caliza. De 100 a 450 °C la evaporación de agua higroscópica. De 450 a 800 °C la descomposición del carbonato de magnesio y el comienzo de la descomposición del carbonato de calcio A temperaturas mayores a 800 °C la descomposición del carbonato de calcio restante.

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De donde se obtiene una recta en la gráfica (1 − (1 − 𝑓)1/3 )) en función del tiempo.

Modelo de corazón no reaccionado Si se considera una partícula de caliza esférica, el calor suministrado causa la descomposición en la superficie y conforme avanza el tiempo, esta superficie de descomposición se va moviendo hacia el corazón de la caliza, ya que las capas exteriores se van calcinando (Quiñonez, 2015). De acuerdo a Cabascango (2004) en el modelo de corazón no reaccionado las 4 etapas fundamentales controlan la reacción son:    

Conducción de calor a través de la capa de producto formado hacia el corazón no reaccionado. Reacción química. Difusión del CO2 producido, a través de la capa porosa. Difusión del CO2 a través de la capa de gas formada alrededor de la partícula que reacciona.

El modelo de corazón no reaccionado sugiere que la partícula requiere energía que induce a la disociación de la caliza, ésta se encoge a medida que se forma CaO desde la superficie hacia el interior (Cabascango, 2004). Durante la reacción se desprende el CO2, el cual se difunde a través de la capa porosa de CaO (Cabascango, 2004).

Tiempo de calcinación del carbonato de calcio La reacción de descomposición del carbonato de calcio se asume que es de primer orden, donde el tiempo de calcinación se determina por medio de la siguiente ecuación (Cabascango, 2004): 𝑡=

𝑟𝑜 𝛽

1

∙ [1 − (1 − 𝑓)3 ]

(2)

En la Figura 2.1 se representa el modelo de corazón no reaccionado.

La constante 𝛽 es un parámetro que relaciona la constante de velocidad de reacción (𝑘) a través de la siguiente ecuación: 𝛽=

𝑘∙(𝑃∗ −𝑃0 ) 𝜌

(3)

Metodología Inicialmente se pesaron en una balanza analítica 5 crisoles y se colocó una muestra de aproximadamente 1 g de CaCO3 al 98% de pureza en cada uno de ellos. Posteriormente se llevaron a una mufla previamente calentada a 950°C y cada 5 minutos se retiró un crisol y se llevó a n un desecador por 15 minutos. Finalmente, se pesaron los crisoles con las muestras calcinadas. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN A continuación se presenta la Tabla 3.1 y la Figura 3.1 donde se muestra la conversión en función del tiempo. Tabla 3.1. Conversión en función del tiempo Tiempo

Conversión

5

0,626

10

0,946

15

0,951

20

0,963

25

0,974

La conversión de carbonato de calcio a óxido de calcio aumenta conforme aumenta el tiempo de calcinación como se aprecia en al Tabla 3.1. Esto se debe a que a mayor tiempo de calcinación una mayor superficie del carbonato alcanzará la temperatura necesaria para descomponerse térmicamente. Además en la Figura 3.1 se aprecia que la pendiente de la curva de conversión vs tiempo, es decir la velocidad de conversión, es mayor durante los primeros 10 minutos de calcinación, donde luego decrece y se mantiene aproximadamente constante. A los 25 minutos se alcanzó una conversión del 97,4% que es bastante alta ya que de acuerdo a Quiñonez (2015) es imposible alcanzar un 100% de conversión ya que la reacción de descomposición del carbonato de calcio es reversible, y conforme aumenta el tiempo de reacción, la concentración de dióxido de carbono aumentará en la mufla facilitando la recarbonatacion.

Figura 2.1. Modelo de corazón no reaccionado (Quiñonez, 2015)

Finalmente de acuerdo a Quiñonez (2015) la curva de descomposición de CaCO3 a 850 °C corresponde a un

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Conversión = f (tiempo) 1.20 1.00

Conversión

0.80 0.60

y = 2E-08x4 + 0.0002x3 - 0.01x2 + 0.1737x - 0.0026 R² = 0.9977

0.40 0.20 0.00 -0.20

0

5

10

15

20

Tiempo (min) Figura 3.1. Conversión en función del tiempo.

polinomio de cuarto grado. Como se aprecia en la Figura 3.1 la curva conversión de carbonato de calcio vs tiempo se ajusta a una ecuación de orden 4 con un R2 de 0,9977, por lo que corresponde con el valor bibliográfico. 4. CONCLUSIONES La conversión de carbonato de calcio a óxido de calcio aumenta conforme aumenta el tiempo de calcinación. La velocidad de conversión es mayor durante los primeros 10 minutos de calcinación. La velocidad de conversión disminuye conforme aumenta el tiempo de reacción. La velocidad de conversión de carbonato de calcio a óxido de calcio a 850 °C corresponde a una ecuación polinomial de cuarto grado. La conversión alcanzada a los 25 minutos de calcinación es 97,4%. REFERENCIAS Cabascango, G. (2004), Estudio de la reacción de calcinación del carbonato de calcio utilizando el modelo del corazón no reaccionado, Obtenido de: https://es.scribd.com/document/30242545/Paper-Carbonato-de-Calcio, (Junio, 2017), Quiñonez, H. (2015), Evaluación de la cinética de reacción de conversión de piedra caliza a cal viva por efecto de tres temperaturas, utilizando un tamaño de partícula, Obtenido de http://www.repositorio.usac.edu.gt/3375/1/Henry%20Estuardo%20Qui%C3 %B1%C3%B2nez%20Fern%C3%A1ndez.pdf, (Junio, 2017), Universidad de Cantabria. (2014), Fundamentos de Química, Prácticas, Obtenido de: http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/fundamentos-dequimica/practicas-1/Practicas%20Quimica_10_11.pdf, (Junio, 2017).

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ANEXOS ANEXO I DATOS EXPERIMENTALES A continuación se presenta la Tabla AI.1 donde se muestra los pesos iniciales y finales de cada navecilla, así como de la masa de carbonato. Tabla AI.1. Peso del crisol y del de carbonato de calcio Tiempo (min)

Peso crisol (g)

Peso carbonato (g)

Peso final (g)

5

13,05

1,00

13,78

10

12,73

1,03

13,34

15

12,08

1,00

12,67

20

13,77

1,06

14,39

25

14,6

1,00

15,18

En la Tabla AI.2 se muestra las condiciones de operación de la mufla y tamaño de grano. Tabla AI.2. Condiciones de operación Propiedad

Valor

Temperatura (°C)

950

Tamaño de grano (mm)

0,37

ANEXO II EJEMPLO DE CÁLCULO Para el crisol de tiempo de calcinación 5 minutos: Masa calcinada: mcalcinada = mfinal − mcrisol mcalcinada = (13,78 − 13,05) g mcalcinada = 0,73 g Masa producida de CO2: mCO2 = minicial − mcalcinada mCO2 = (1,00 − 0,73) g mcalcinada = 0,27 g Masa que reacciona de CaCO3:

mCaCO3 𝑅𝑥 = 0,27 g CO2 ×

1 mol CO2 1 mol CaCO3 100 g CaCO3 × × 44 g CO2 1 mol CO2 1 mol CaCO3

mCaCO3 𝑅𝑥 = 0,614 g Conversión de CaCO3:

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conv =

mCaCO3𝑅𝑥 100 mCaCO3 𝑜 × mCaCO3 𝑜 98 mCaCO3 𝑝𝑢𝑟𝑜 conv = 0,626 g