Dosificaci贸n de Cementos
Qu铆mica Industrial 2 Prof. Glenda Noboa
Te indicaré paso a paso, cómo hacer la dosificación de un Cemento Portland, lo cual te ayudará en el proceso de selección de las materias primas, obtener las propiedades deseadas del cemento, o determinar las características que se obtendrán del cemento de acuerdo a la composición de las materias primas empleadas. Este material es una adaptación de la guía de Ejercicios Prácticos de la Prof. Elisabetta Orlandoni1. 1:
Orlandoni, E. Química Industrial 2. Tercera parte: CEMENTO. ULA,
¿De qué se trata este método? El método gráfico consiste en realizar una representación del problema en un sistema de coordenadas cartesiano, en el cual se lleva al eje de las abscisas el %peso de SiO2, y en las ordenadas, el %peso de CaO presentes en todas las materias primas y que estén disponibles para formar los silicatos.. Tal como se muestra a continuación…
% CaO 100
100
% SiO2
Recordemos que los componentes del clinquer de un Cemento Portland son: Silicato Dicálcico (C2S) 2CaO. SiO2 60-80% Silicato Tricálcico (C3S) 3CaO. SiO2 Ferrito Aluminato Tetracálcico (C4AF) 4CaO. Al2O3. Fe2O3 20-40% Aluminato Tricálcico (C3A) 3 CaO. Al2O3
% CaO 100
Sobre esta línea se puede representar cualquier combinación de SiO2 y CaO para formar silicatos cálcicos
100
% SiO2
Como el C2S y el C3S son mezclas de oxido de calcio (CaO) y sílice (SiO2) puros, se pueden ubicar fácilmente en la diagonal del diagrama, es decir a 100% CaO y 100% SiO2Ubiquemos entonces estos puntos:
Para el C2S tenemos en total 3 moléculas, de las cuales 2 son de CaO y 1 de SiO2. Buscamos las coordenadas: %𝑆𝑖𝑂2 =
%𝑆𝑖𝑂2 =
1 𝑚𝑜𝑙𝑆𝑖𝑂2 𝑥 60 𝑔/𝑚𝑜𝑙 𝑔
𝑔
1 𝑚𝑜𝑙𝑆𝑖𝑂2 𝑥 60𝑚𝑜𝑙+ 2𝑚𝑜𝑙𝐶𝑎𝑂 𝑥 56𝑚𝑜𝑙
%𝐶𝑎𝑂 = %𝐶𝑎𝑂 =
𝑚𝑜𝑙𝑆𝑖𝑂2 𝑥 𝑃𝑀𝑆𝑖𝑂2 𝑚𝑜𝑙𝑆𝑖𝑂2 𝑥 𝑃𝑀𝑆𝑖𝑂2 +𝑚𝑜𝑙𝐶𝑎𝑂 𝑥 𝑃𝑀𝐶𝑎𝑂
x 100 = 34.9%
𝑚𝑜𝑙𝐶𝑎𝑂 𝑥 𝑃𝑀𝐶𝑎𝑂 𝑚𝑜𝑙𝑆𝑖𝑂2 𝑥 𝑃𝑀𝑆𝑖𝑂2 +𝑚𝑜𝑙𝐶𝑎𝑂 𝑥 𝑃𝑀𝐶𝑎𝑂 2 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑎𝑂 𝑥 56 𝑔/𝑚𝑜𝑙 𝑔
𝑔
1 𝑚𝑜𝑙𝑆𝑖𝑂2 𝑥 60𝑚𝑜𝑙+2𝑚𝑜𝑙𝐶𝑎𝑂 𝑥 56𝑚𝑜𝑙
x 100
x 100
x 100 = 65.1%
Coordenadas para el C2S: X : 34.9 Y : 65.1
Pto. A
¿Puedes hacer el cálculo para el C3S?.... …..En este caso tienes 3 moléculas de CaO y 1 molécula de SiO2 …Coordenadas para el C3S: X : 26 Y : 74
Pto. B
Ahora ubiquemos estos puntos en el diagrama…
% CaO 100
C3S (A) C2S (B)
Este segmento contiene todas las mezclas posibles de C2S y C3S
(O) 26 34.9
100
% SiO2
El Triรกngulo ABO contiene todas las composiciones de los clinquers y a medida que nos acercamos al segmento AB, aumentamos la cantidad de silicatos y disminuimos los fundentes. (Los compuestos que aportan fundentes son el C4AF y el C3A)
Por otra parte, ya sabes que un clinquer de cemento portland contiene entre 60 – 80% de silicatos di y tricálcicos, por lo que el triángulo ABO, se reducirá al área HIJK
Cemento Portland Óptimo
Un cemento óptimo está ubicado justo en el centro del área de cementos, es decir a 70% de silicatos (30% fundentes) y una proporción C3S : C2S = 1: 1, es decir: 𝐶3 𝑆 =1 𝐶2 𝑆
En la tabla 1 se muestran las materias primas (MP) disponibles para preparar cemento; ¿qué proporción de MP combinarías para obtener un cemento portland Óptimo?
Tabla 1. Análisis de las Materias prima Componente
% Peso ARCILLA
CALIZA
BAUXITA
75
3.5
10.3
Al2O3
18.2
1.3
62.6
Fe2O3
6.2
0.6
24.3
CaO
0.2
94.4
---
Otros
0.4
0.2
2.8
PI
12.1
42.3
0.7
SiO2
PI : pérdidas por ignición, básicamente representa el contenido de CO2 y H2O
Debes tener presente antes de comenzar a calcular, que el % en composición de las MP debe estar en base seca, es decir, sin tomar en cuenta las PI; de lo contrario, deberás recalcular los % en base seca.…¿ Tienes claro por qué debes hacer esto??
Solución: 1. Calcular el %de CaO disponible en cada materia prima para formar silicatos. El % de SiO2 lo reporta directamente el análisis (¿tienes claro por qué?)
Comencemos con ARCILLA: - Primero se calcula la cantidad de CaO que se consume para formar el C4AF, teniendo en cuenta que el Fe2O3 es el reactivo limitante para este compuesto
đ??śđ?‘Žđ?‘‚đ??ś4 đ??´đ??š
% đ??šđ?‘’2 đ?‘‚3 đ?‘šđ?‘œđ?‘™ đ??śđ?‘Žđ?‘‚ = ∗ ∗ đ?‘ƒđ?‘€đ??śđ?‘Žđ?‘‚ đ?‘ƒđ?‘€đ??šđ?‘’2 đ?‘‚3 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??šđ?‘’2 đ?‘‚3
đ??śđ?‘Žđ?‘‚đ??ś4đ??´đ??š =
6.2 160
∗
4 đ?‘šđ?‘œđ?‘™ đ??śđ?‘Žđ?‘‚ 1đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??šđ?‘’2 đ?‘‚3
∗ 56= 8.7 %
- Luego se calcula la cantidad de CaO que se consume para formar el C3A, en este caso el limitante es el Al2O3 que queda despuĂŠs de reaccionar una parte con el Fe2O3 para formar el C4AF, es decir:
đ??śđ?‘Žđ?‘‚đ??ś3đ??´
% đ??šđ?‘’2 đ?‘‚3 đ?‘šđ?‘œđ?‘™ đ??´đ?‘™2 đ?‘‚3 1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™ đ??śđ?‘Žđ?‘‚ = % đ??´đ?‘™2 đ?‘‚3 − ∗ ∗ đ?‘ƒđ?‘€đ??´đ?‘™2đ?‘‚3 ∗ ∗ ∗ đ?‘ƒđ?‘€đ??śđ?‘Žđ?‘‚ đ?‘ƒđ?‘€đ??šđ?‘’2đ?‘‚3 đ?‘šđ?‘œđ?‘™ đ??šđ?‘’2 đ?‘‚3 đ?‘ƒđ?‘€đ??´đ?‘™2đ?‘‚3 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??´đ?‘™2 đ?‘‚3
đ??śđ?‘Žđ?‘‚đ??ś3đ??´
6.2 1đ?‘šđ?‘œđ?‘™ đ??´đ?‘™2 đ?‘‚3 1 3đ?‘šđ?‘œđ?‘™ đ??śđ?‘Žđ?‘‚ = 18.2 − ∗ ∗ 102 ∗ ∗ ∗ 56 = 23.5% 160 1đ?‘šđ?‘œđ?‘™ đ??šđ?‘’2 đ?‘‚3 102 1đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??´đ?‘™2 đ?‘‚3
- Finalmente se estima el %CaO disponible, este será: CaOpara silicatos = CaOtotal – CaOC4AF – CaOC3A CaOpara silicatos = 0.2l – 8.7 – 23.5 = -32 % No te sorprenda si da un valor negativo, también lo puedes representar en el diagrama …lo que esto significa es que esta MP tiene déficit de CaO
- Las Coordenas para la Arcilla serán: (Pto A) Y: -32% X: 75% directamente del análisis
2. Estas coordenadas se ubican en el diagrama para obtener el Pto. A, que corresponde a la Arcilla: % CaO 100
C3S 70
Este es el punto que queremos obtener
C2S
75 100 -32%
A
% SiO2
3. Ahora aplica el mismo procedimiento para la MP CALIZA, obtendrรกs el Pto C, con las coordenadas: Y = 92% % CaO X = 3,5% 100 92%
C C3S
Este es el punto que queremos obtener
C2S
3.5 -32%
75 100
A
% SiO2
Si unes el pto A con el C, puedes notar que no pasa por el punto deseado “P”….. ¿qué crees que se debería hacer? % CaO 100
C C3S
Este es el punto que queremos obtener
C2S
P
100
A
% SiO2
Al quedar por encima del pto. P quiere decir que la mezcla resultante (en cualquier proporción cercana al punto óptimo) tiene un contenido de silicatos superior al deseado, por lo tanto debes agregar una tercera MP que aumente el contenido de fundentes.
4. Realiza los cálculos para la MP BAUXITA, obtendrás las siguientes coordenadas señaladas con el punto B en el diagrama: Y : -111.6 % X : 10.3%
% CaO 100
C
C3S Este es el punto que queremos obtener
C2S P
10.3
100
A
-111.6
B
% SiO2
Para obtener exactamente el punto deseado, traza una línea partiendo de B, pasando por P y cortando el segmento AC en el punto M. Aplicando la regla de la palanca obtendrás entonces la proporción másica de las materias primas usadas. Inténtalo!!
% CaO 100
C
C3S Este es el punto que queremos obtener
M C2S
P
10.3
100
A
-111.6
B
% SiO2
Para que tengas claro la interpretación de la regla de la palanca, veamos el siguiente segmento dividido en dos partes en el pto M, donde M representa la mezcla resultante de A+B: A
M
B
Ahora mide la distancia de cada segmento, por ejemplo: AB = 6 cm ; AM = 2.5 cm ; MB = 3.5 cm Según la regla de la Palanca, se tiene: 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝐴 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑀𝐵
=
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝐵 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑀 = 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐴𝑀 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐴𝐵
Sabiendo que M = A+B y asumiendo una base de cálculo de cualquier masa (A, B o M) puedes obtener un sistema de 2 ec. con 2 incógnitas y puedes calcular las masas deseadas
Entonces, para el ejemplo en estudio se obtiene: % CaO 100
C
CM = 3.2cm M
MP = 1.1cm
P
MA = 10.5cm
100
PB = 16.2cm
A
B
% SiO2
Realiza los cálculos para determinar la proporción de MP para producir 1000Kg de Clinquer (P)… Resultados: % Caliza = 77% % Arcilla = 19% % Bauxita = 4% ¿Tus resultados son iguales o se aproximan a éstos?
QuizĂĄs te diste cuenta que la proporciĂłn de materias primas calculada estĂĄ en base seca, es decir, una vez eliminado en el horno todo el CO2 y la humedad; pero en la prĂĄctica, cuantificas las cantidades de MP crudas, tal cual como se extraen del yacimiento, por lo que entonces debes hacer la conversiĂłn a MP cruda, esto es, aplicando una simple regla de tres:
đ?‘?đ?‘œđ?‘&#x; đ?‘?đ?‘Žđ?‘‘đ?‘Ž 100 đ??žđ?‘” đ?‘‘đ?‘’ đ?‘€đ?‘ƒ đ?‘?đ?‘&#x;đ?‘˘đ?‘‘đ?‘Ž ∗ %đ?‘€đ?‘ƒ đ?‘ đ?‘’đ?‘?đ?‘Ž = đ??žđ?‘” đ?‘€đ?‘ƒ đ?‘?đ?‘&#x;đ?‘˘đ?‘‘đ?‘Ž đ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘’đ?‘šđ?‘œđ?‘ 100 − đ?‘ƒđ??ź %đ?‘‘đ?‘’ đ?‘€đ?‘ƒ đ?‘ đ?‘’đ?‘?đ?‘Ž
Para la Arcilla, se tiene: 100 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑐𝑖𝑙𝑙𝑎 𝑐𝑟𝑢𝑑𝑎 ∗ 19% 𝑠𝑒𝑐𝑎 = 21.62 𝐾𝑔 100 − 12.1 % 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑐𝑖𝑙𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎
Para la Caliza: 100 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎 𝑐𝑟𝑢𝑑𝑎 ∗ 77% 𝑠𝑒𝑐𝑎 = 133.44 𝐾𝑔 100 − 42.3 %𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎
Para la Bauxita: 100 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑢𝑥𝑖𝑡𝑎 𝑐𝑟𝑢𝑑𝑎 ∗ 4% 𝑠𝑒𝑐𝑎 = 4.02 𝐾𝑔 100 − 0.7 %𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎
Que llevadas a % Peso representan: Caliza = 83.88% Arcilla = 13.59 % Bauxita = 2.53 %
En este momento, si has seguido y entendido correctamente todo los pasos, ya estás listo para comenzar a probar con diferentes materias primas. Te aconsejo que elabores una hoja de cálculo de las ecuaciones a emplear, de manera que te sea mucho más sencillo el proceso. Finalmente te invito a que resuelvas el mismo ejercicio pero ahora produciendo un cemento con las siguientes características: • Contenido de fundentes = 35% • C3S : C2S = 2: 1 Suerte !!