Calcinación Del Carbonato De Calcio

ESTUDIO DE LA REACCIÓN DE DESCOMPOSCIÓN MEDIANTE CALCINACIÓN DEL CARBONATO DE CALCIO POR DIFERENTES MÉTODOS

Fernando Reinoso

Estudiante de la Escuela Politécnica Nacional

Av. Teniente Hugo Ortiz S27-19 y calle Moro Moro. Quito-Ecuador

Teléfonos: Fijo: 5006271, Móvil: 099803062

bf_reinoso@hotmail.es

ABSTRACT

The aim of this study is the design of a kiln for the production of calcium oxide from calcium carbonate, for this reason an investigation into calcium carbonate calcinations kinetics was undertaken. This process consists in four experimental methodologies with different temperatures and size particles.

The thermo gravimetric method, that allow determined the conversion and the reaction rate constant measuring the variation in the mass was applied with exception for the Nicholls Furnace, in which one DRX was used. The methodologies consisted in the analysis in four different kilns: a tubular kiln, an electric kiln, a gas kiln and the Nicholls Furnace. The procedure is the same, the sample is introduced in the kiln and after a period of time it is weighted to determinate the weight loss.

The chosen reaction rate constant was the obtained from the data of the Nicholls Furnace, because it’s the closest thing to industrial kilns and its coefficient of determination is the highest, the results was 1.023E-09 s-1 with a coefficient of determination (R2) of 0.939.

RESUMEN

Se realizó una serie de 4 metodologías experimentales para analizar la cinética de la descomposición del carbonato de calcio, variando la temperatura y la granulometría de las muestras, con el objetivo de diseñar un horno industrial para producción de cal.

La técnica de termogravimetría, que consiste en determinar la conversión y la constante cinética midiendo la variación de la masa, fue usada en todas las metodologías excepto para el horno Nicholls, en el que se analizó por difracción de rayos X. Para la primera metodología, la cual se llevó a cabo en un horno tubular, se introdujo muestras de 1 g durante diferentes tiempos de residencia y se pesó. Para la segunda se utilizó un horno eléctrico, en el cual se introdujeron muestras de 1 g y se pesó durante diferentes intervalos de tiempo. En la tercer metodología se llevó a cabo la calcinación en un horno a gas, para lo cual se usó muestras de 30g y se registró el pesó para varios tiempos de residencia. Finalmente se llevó a cabo la calcinación en el horno Nicholls, al que se introdujeron muestras de 7.25 Kg, las cuales se pesaron a diferentes intervalos de tiempo.

La constante cinética más representativa fue la que se determinó con el análisis de los datos del horno Nicholls debido a que es el equipo que se asemeja más a un horno industrial y a que la confiabilidad de sus datos es la más alta, obteniéndose 1.023E-09 s-1 con un coeficiente de determinación (R2) de 0.939.

INTRODUCCIÓN

La calcinación de carbonato de calcio es una de las principales y más importantes etapas en varios procesos pirometalúrgicos, en la producción industrial de cal apagada, en la producción de cemento y en la regeneración de pulpa de papel por ejemplo. [1][2][3][4]

CaCO_3→CaO+CO_2 (1)

Esta reacción es fuertemente endotérmica, lo que indica que es favorecida por temperaturas altas, además la reacción solo se lleva a cabo a temperaturas entre 780°C y 1340°C. Para que la reacción continúe, la temperatura debe mantenerse en este rango y el CO2 producido debe ser removido. [2][5]

El análisis de la descomposición del carbonato de calcio permite mejorar la eficiencia de los hornos en los cuales se lleva a cabo la calcinación, aumentando su velocidad de producción y disminuyendo su consumo de energía. [2]

Para el estudio de la cinética de la reacción se han propuesto varios modelos pero el más aceptado es el modelo del corazón no reaccionado que consiste en asumir que la reacción inicialmente tiene lugar en la superficie de la partícula de carbonato, y cuando avanza la reacción ésta se cubre de una capa porosa de óxido de calcio mientras en el interior existe un núcleo sin reaccionar de carbonato de calcio. [2]

Figura 1: Modelo del corazón no reaccionado

Este modelo considera 4 etapas que influyen en la velocidad de descomposición del carbonato de calcio: la conducción de calor a través de la capa de ceniza hacia el corazón, la reacción química en el corazón, la difusión de CO2 fuera del corazón a través de la capad e ceniza y la difusión de CO2 a través de la capa de gas alrededor de la partícula. Esta última puede ser despreciada debido a que es mucho más pequeña en comparación a la difusión a través de la capa de ceniza. Entonces, la reacción puede estar controlada por la transferencia de calor, por la transferencia de masa, la reacción química o una combinación de estas. La etapa que sea la más lenta será la que controla la reacción. La temperatura a la que se da la reacción y el tamaño de partícula determinan cual es la etapa controlante, a mayor temperatura y a menor tamaño de partícula se requiere un menor tiempo de conversión como se puede ver en la Figura 2. Pero si se eleva demasiado la temperatura se puede producir el fenómeno de la sinterización, que consiste en la fundición de la capa superficial, la cual disminuye la porosidad y el área superficial, entonces la salida del CO2 disminuye críticamente y la reacción se detiene. [1][2][5]

Figura 2. Variación de la velocidad de reacción con el tamaño de partícula

Se puede determinar 3 números adimensionales: Lewis, Damkohler y el número de transferencia calor-químico, y mediante estos obtener un diagrama que muestre el comportamiento de la reacción para diferentes valores de temperatura y tamaño de partícula como se puede aprecia en la Figura 3. [2]

Figura 3. Efecto de la temperatura y tamaño de partícula en la reacción

Los datos para el análisis de la reacción de descomposición del carbonato de calcio pueden ser obtenidos mediante varios métodos como: difracción de rayos X (DRX) y termogravimetría e.g. Para el tratamiento de los datos se puede considerar un período de tiempo en el cual la reacción química es la etapa controlante, entonces con la velocidad de formación de CO2 expresada en función de la velocidad de reacción se determinan dos ecuaciones para el cálculo del tiempo para lograr una conversión definida y otra para determinar la constante cinética de la reacción. [1][6]

t= r_o/B (1-(1-f)^(1/3) ) (2)

(k(p^*-p_o))/ρ=B (3)

Cuando la etapa de reacción química es la etapa controlante al graficar ro(1-(1-f)1/3) versus el tiempo se debe obtener una línea recta, cuya pendiente es B, y a partir del cual se puede determinar la constante cinética de la reacción (k) a partir de la ecuación (3). [1]

El objetivo planteado para este trabajo es la determinación experimental a nivel de laboratorio de la constante cinética de la reacción de descomposición de carbonato de calcio. Y el parámetro B para así poder encontrar el tiempo de residencia necesario para lograr una conversión dada, parámetros fundamentales en el diseño de un horno para calcinación. Además también llevar a cabo un análisis de las diferentes metodologías usadas.

METODOLOGÍA

Horno Tubular

Se taró las navecillas (crisoles), a continuación se pesó un gramo de carbonato de calcio lo más exacto posible en las mismas, se precalentó el horno aproximadamente a 950°C + 5°C, temperatura deseada para la reacción, se colocó las navecillas dentro del horno aproximadamente en la mitad con ayuda de un alambre metálico, se dejó la muestra durante el tiempo correspondiente de conversión (5, 10, 15, 30 minutos) dentro del horno, se reguló el flujo de nitrógeno dentro del horno para eliminar el CO2 producido. Se retiró la muestra con cuidado evitando pérdidas de la misma por mala manipulación del alambre metálico, se dejó enfriar cada muestra en el desecador durante 10 minutos aproximadamente y finalmente se pesó y se registró. Este procedimiento se llevó a cabo tanto para carbonato con un dp entre 38-74 µm como para uno de dp entre 74-140 µm.

Horno Eléctrico

Para este horno se pesó un gramo de carbonato de calcio, con un dp entre 74 – 104 µm, en una balanza analítica en cinco crisoles de porcelana previamente tarados y pesados, luego se introdujo en el horno eléctrico de lecho fijo a una temperatura entre 900-915 ºC, secándolos a intervalos de tiempo de: 5, 10, 15, 20, 30 minutos y luego se dejó enfriar en el desecador y se pesó.

Horno a gas

Se prendió el horno, se encendió el blower, se tapó el horno, se dejó que el horno se caliente hasta la temperatura de trabajo 800-1000 °C (no se registró la temperatura real debido a un daño en la termocupla), se pesó en seis crisoles 30g de CaCO3, se sacó el crisol del horno con una pinza, se puso el siguiente crisol en el horno, el crisol sacado se dejó enfriar, se añadió agua a la muestra con una piceta, se observó la presencia o ausencia de hidróxido de calcio, este proceso se realizó cada 5,10,15,20,25 y 30 minutos.

Horno Nichols

Este procedimiento se realizó en el

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