Combustion y tostación

1. EJERCICIOS ESPECÍFICOS DE HORNOS:
COMBUSTIÓN Y
TOSTACIÓN
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Unidad ProfesionalInterdisciplinaria de
Ingeniería Campus Zacatecas UPIIZ
INGENIERÍA METALÚRGICA
Equipo 3
Integrantes:
Zabdi Gadiel Castañón Lira
Ana Cristina Frías Martínez
Claudia Macias Lizardo
Luis Ángel Mondragón Robles
Jesús Antonio Montes Mandujano.
Docente: Dra. ElviaAngelica Sánchez Ramírez.
Grupo: 6EM1.
1

2. Ejercicio #1
COMBUSTIÓN: Reaccion quimica que consiste en la
oxidación violenta de un elemento con desprendimiento
de calor
2

3. Combustión completa
Combustión
incompleta Exceso de aire
Conceptos a tener en cuenta
Combustión exacta
𝐸𝐴 =
𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑙 − 𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜
𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜
3
𝐶𝐻 + 𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜 = 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 + 𝑁2
Se producecon la combustión completa pero realizada
también con la cantidad exacta de oxígeno para oxidar
totalmente el combustible
Tiene lugar una combustión incompleta cuando no se oxidan
todos los componentesdelcombustible.
Se produce la oxidación de todo el combustible
𝐶𝐻 + 𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜 + 𝐸𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑢𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
= 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 + 𝑁2 + (𝑂2 + 𝑁2)
𝐶𝐻 + 𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜 + 𝐸𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖𝑛𝑠𝑢𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
= 𝐶𝑂2 + 𝐶𝑂 + 𝑁2 + 𝐻2𝑂 + 𝐶𝐻 + 𝑃𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 + 𝑂2

4. Ejercicio #1
El análisis de cierto carbón, utilizado para calentar un horno de reverbero, arroja
la siguiente composición en peso: C 85%, H 5%, N 1%, S 2%, O 7%. Calcular el
volumen de aire necesario en CNPT por tonelada de carbón considerando una
combustión perfecta.
4

5. 0.02 * 1000 kg =
20 kg
Azufre
0.01 * 1000 kg =
10 kg
Nitrogeno
0.05 * 1000 kg =
50 kg
Hidrogeno
0.85 * 1000 kg =
850 kg
Carbono
0.07 * 1000 kg =
70 kg
Oxigeno
C H N S O
5

6. Reacciones de Combustión
850𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝐶
32 ൗ
𝐾𝑔
𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑂2
12 ൗ
𝐾𝑔
𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐶
= 2268 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑂2
O2 = 2268 Kg+ 400 Kg+ 20 Kg
= 𝟐𝟔𝟖𝟖 𝑲𝒈 𝒅𝒆 𝑶𝟐
50 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝐻
16 ൗ
𝐾𝑔
𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑂2
2 ൗ
𝐾𝑔
𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐻
= 400 𝐾𝑔 𝑑𝑒𝑂2
20 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑆
32 ൗ
𝐾𝑔
𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑂2
20 ൗ
𝐾𝑔
𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑆
= 20 𝐾𝑔 𝑑𝑒𝑂2
𝐶 + 𝑂2 → 𝐶𝑂2
𝑶𝟐Nesesario para que se lleve a cabo la reacción:
𝐻2 + ൗ
1
2𝑂2 → 𝐻2𝑂 𝑆 + 𝑂2 → 𝑆𝑂2
6

7. Volumen de Aire en CNPT:
Haciendo la consideración del oxígeno que ya
se encuentra en el carbón, tenemos que:
𝑂2 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2688 𝐾𝑔 − 70 𝐾𝑔
= 𝟐𝟔𝟏𝟖 𝑲𝒈 𝒅𝒆 𝑶𝟐.
1832600 𝐿 𝑑𝑒 02
0.001𝑚3
1 𝐿
= 1832.6 𝑚3 𝑑𝑒 𝑂2
2618000 𝑔 𝑑𝑒 𝑂2
1 𝑔 𝑑𝑒 𝑂2
32 ൗ
𝑔
𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑂2
=81812.50 moles
de 𝑂2.
2618 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑂2
1000𝑔
1 𝐾𝑔
= 2618000 𝑔 𝑑𝑒 𝑂2
81812.50 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑂2 22.4 ൗ
𝐿
𝑚𝑜𝑙
= 1832600 𝐿 𝑑𝑒 𝑂2
Cambiamos de L a m3
:
Si sabemos que el aire se componede:
• 21% 𝑑𝑒 𝑂2
• 79% 𝑑𝑒 𝑁2
21% 𝑑𝑒 𝑂2 −−−−→ 1832.6𝑚3
79% 𝑑𝑒 𝑁2 −−−−→ x
𝑥 = 6894.0666666667 𝑚3 𝑑𝑒 𝑁2
7

8. Con lo obtenido anteriormente:
𝐴𝑖𝑟𝑒 = 𝑂2 + 𝑁2
𝐴𝑖𝑟𝑒 = 1841 𝑚3
𝑑𝑒 𝑂2 + 6894.06𝑚3
𝑑𝑒 𝑁2
𝐴𝑖𝑟𝑒 = 𝟖𝟕𝟑𝟓. 𝟎𝟔𝟔𝟔𝟕 𝒎𝟑
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝐴𝑖𝑟𝑒 = 𝟖𝟕𝟑𝟓. 𝟎𝟔𝟔𝟔𝟕 𝒎𝟑
𝒅𝒆
𝒂𝒊𝒓𝒆
𝑻𝒐𝒏
𝒅𝒆 𝑪.
8

9. Ejercicio #2
Tostación
Reacción química en la cual se
calienta una sustancia en presencia
de oxígeno
9

10. • 𝐶𝑢 (Presente como 𝐶𝑢𝑆 (𝐶𝑜𝑣𝑒𝑙𝑖𝑡𝑎)) → 6%
• 𝐹𝑒 (Presente como 𝐹𝑒𝑆2 (𝑃𝑖𝑟𝑖𝑡𝑎)) → 25%
• 𝑍𝑛 (Presente como 𝑍𝑛𝑆 (𝐵𝑙𝑒𝑛𝑑𝑎)) → 4%
• 𝑆 → 33.6%
• 𝑆𝑖𝑂2 (𝑂𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑆𝑖𝑙𝑖𝑐𝑖𝑜) → 20%
• 𝑂𝑡𝑟𝑜𝑠 (𝐶𝑎𝑂,𝐴𝑙2𝑂3,𝑒𝑡𝑐. ) → 11.4%
Se alimenta un horno de tostación con mineral de cobre (Cu) de la siguiente composición (en peso)
Problema
10

11. Análisis de los Gases
Se arrojan los siguientes resultados
• 𝑆𝑂2 → 2.5%
• 𝑆𝑂3 → 0.4%
• 𝑂2 → 21%
• 𝑁2 → 79%
El problema solicita calcular:
Volumen de Gases de tostación por
tonelada de mineral procesado.
Exceso de aire.
NOTA:
Durantela tostación también se producela reacción:
Peso de los productos de tostación
obtenidos por tonelada de mineral
procesado.
Los minerales oxidan a los
compuestos:
𝐶𝑢 𝐶𝑢𝑂
𝐹𝑒 → 𝐹𝑒2𝑂3
𝑍𝑛 𝑍𝑛𝑂
𝑆𝑂2+
1
2
𝑂2 → 𝑆𝑂3
11

12. Ocurrieron las siguientes reacciones de tostación:
𝐶𝑢𝑆 +
3
2
𝑂2 → 𝐶𝑢𝑂 + 𝑆𝑂2
2𝐹𝑒𝑆2 +
11
2
𝑂2→ 𝐹𝑒2𝑂3 + 4𝑆𝑂2
𝑍𝑛𝑆 +
3
2
𝑂2→ 𝑍𝑛𝑂 + 𝑆𝑂2
Al mismotiempo ocurre la siguiente reacción:
𝑆𝑂2 +
1
2
𝑂2→ 𝑆𝑂3
Solución:
12

13. Solución
Diagrama de distribución
13

14. 𝐶𝑢𝑆 +
3
2
𝑂2 → 𝑪𝒖𝑶 + 𝑆𝑂2
En el caso de 𝑪𝒖𝑶
Peso Atómico:
Cu = 64
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
O = 16
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
Suma = 80
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
14

15. 2𝐹𝑒𝑆2 +
11
2
𝑂2→ 𝑭𝒆𝟐𝑶𝟑 + 4𝑆𝑂2
En el caso de 𝑭𝒆𝟐𝑶𝟑
Peso Atómico:
Fe = 56
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
(2)
O = 16
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
(3)
Suma = 160
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
15

16. 𝑍𝑛𝑆 +
3
2
𝑂2→ 𝒁𝒏𝑶 + 𝑆𝑂2
En el caso de 𝒁𝒏𝑶
Peso Atómico:
Zn = 65
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
O = 16
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
Suma = 81
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
16

17. Volumen de Gases de tostación por tonelada de mineral
Calculamos el 𝑆𝑂2 producido
1 𝐾𝑚𝑜𝑙 → 80𝑘𝑔 𝐶𝑢𝑂
1 𝐾𝑚𝑜𝑙
80 𝐾𝑔 𝐶𝑢𝑂
∗ 75 𝐾𝑔 = 0.9375 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑢𝑂
𝑉1 = 0.9375 𝐾𝑚𝑜𝑙
𝑆𝑂2
𝑡𝑜𝑛
𝑚𝑖𝑛
17

18. Volumen de Gases de tostación por tonelada de mineral
Calculamos el 𝑉2 producido
1 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒2𝑂3 → 160𝑘𝑔 𝐹𝑒2𝑂3
1 𝐾𝑚𝑜𝑙
160 𝐾𝑔𝐹𝑒2𝑂3
∗ 357 𝐾𝑔 = 2.2313 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑢𝑂
𝑉2 = 8.925 𝐾𝑚𝑜𝑙
𝑆𝑂2
𝑡𝑜𝑛
𝑚𝑖𝑛
18

19. Volumen de Gases de tostación por tonelada de mineral
Calculamos el 𝑉3 producido
1 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑍𝑛𝑂 → 81 𝑘𝑔 𝑍𝑛𝑂
1 𝐾𝑚𝑜𝑙
81 𝐾𝑔 𝑍𝑛𝑂
∗ 49.85 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 0.6154 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑍𝑛𝑂
𝑉3 = 0.6154 𝐾𝑚𝑜𝑙
𝑆𝑂2
𝑡𝑜𝑛
𝑚𝑖𝑛
19

20. Volumen de Gases de tostación por tonelada de mineral
𝑉𝑆𝑂2 = 234.7 𝑚3(generado por las
reacciones de tostación)
En condicionesnormalizadas de presióntemperatura 1 mol = 22.4 l = 22.4 dm³ = 0.0224 m³
𝑉1 = 0.9375 𝐾𝑚𝑜𝑙
𝑆𝑂2
𝑡𝑜𝑛
𝑚𝑖𝑛
𝑉2 = 8.925 𝐾𝑚𝑜𝑙
𝑆𝑂2
𝑡𝑜𝑛
𝑚𝑖𝑛
𝑉3 = 0.6154 𝐾𝑚𝑜𝑙
𝑆𝑂2
𝑡𝑜𝑛
𝑚𝑖𝑛
𝑉
𝑆𝑂2 = 10.4779kmol * 22.4
20

21. Volumen de Gases de tostación por tonelada de mineral
𝑉
𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 = 8103 𝑚3𝐶𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑦 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎
Sabemos que parte de ese SO2 reacciona generando SO3 según la siguiente relación:
𝑉
𝑆𝑂2 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 235 m³ - 𝑉
𝑆𝑂3
𝑉
𝑆𝑂2 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 0.025 ∗ 𝑉
𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠
𝑉
𝑆𝑂3 = 0.004 ∗ 𝑉
𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠
21

22. Volumen de Gases de tostación por tonelada de mineral
𝑉𝑆𝑂2 = 0.025 ∗ 8103 = 202.6 𝑚3
𝑉𝑆𝑂3 = 0.004 ∗ 8103 = 32.4 𝑚3
𝑉𝑂2 = 0.21 ∗ 8103 − 202.6 − 32.4 = 1652.4 𝑚3
𝑉𝑁2 = 8103 − 202.6 − 32.4 − 1652.4 = 6216 𝑚3
22

23. Exceso de aire
Recordando que el exceso de aire se define como:
𝑒 % = 100 ∗
(𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑙 – 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞.)
𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞
Calculemos la cantidad de aire estequiométrico necesaria para llevar a
cabo las reacciones de tostación↓
23

24. Volumen de 𝑂2
𝐶𝑢𝑆 +
3
2
𝑂2 → 𝑪𝒖𝑶 + 𝑆𝑂2
● 64𝑔 𝐶𝑢 →
3
2
× 2 × 16 = 48𝑔 𝑂2
● 60𝑘𝑔 𝐶𝑢 → (
48𝑔 𝑂2
64𝑔 𝐶𝑢
× 60𝑘𝑔 𝑂2)= 45kg 𝑂2
● 𝑉𝑂2 CuS → 22.4 ×
45
32
= 𝟑𝟏. 𝟓 𝒎𝟑
Peso Atómico:
Cu = 64
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
O = 16
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
Mol de gas= 22.4
24

25. Volumen de 𝑂2
2𝐹𝑒𝑆2 +
11
2
𝑂2→ 𝑭𝒆𝟐𝑶𝟑 + 4𝑆𝑂2
● 112𝑔 𝐹𝑒 →
11
2
× 2 × 16 = 176𝑔 𝑂2
● 250𝑘𝑔 𝐹𝑒 → (
176𝑔 𝑂2
112𝑔 𝐶𝑢
× 250𝑘𝑔 𝑂2)= 392.86kg 𝑂2
● 𝑉𝑂2𝐹𝑒𝑆2 → 22.4 ×
392.86
32
= 𝟐𝟕𝟓 𝒎𝟑
Peso Atómico:
Fe = 56 x(2)=112
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
O = 16
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
25

26. Volumen de 𝑂2
𝑍𝑛𝑆 +
3
2
𝑂2→ 𝒁𝒏𝑶 + 𝑆𝑂2
● 65𝑔 𝑍𝑛 →
3
2
× 2 × 16 = 48𝑔 𝑂2
● 40𝑘𝑔 𝑍𝑛 → (
48𝑔 𝑂2
65𝑔 𝐶𝑢
× 40𝑘𝑔 𝑂2)= 29.54kg 𝑂2
● 𝑉𝑂2 ZnS → 22.4 ×
29.54
32
= 𝟐𝟎. 𝟔𝟖 𝒎𝟑
Peso Atómico:
Zn= 65
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
O = 16
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
Mol de gas= 22.4
26

27. Volumen de 𝑂2
𝑆𝑂2 +
1
2
𝑂2→𝑆𝑂3
● 1𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂3 →
1
2
𝑚𝑜𝑙 𝑂2 Por lo tanto:
● 1𝑚3 𝑆𝑂3 →
1
2
𝑚3𝑂2
● 𝑉𝑂2 𝑆𝑂3 → 32.4𝑚3 ×
1
2
= 𝟏𝟔. 𝟐 𝒎𝟑
Peso Atómico:
S= 32.4
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
O = 16
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
Mol de gas= 22.4
27

28. Aire estequiométrico
La cantidad de aire estequiométrico será:
𝑉𝑂2 = 𝑉𝑂2 𝐶𝑢𝑆 + 𝑉𝑂2𝐹𝑒𝑆2 + 𝑉𝑂2 𝑍𝑛𝑆 + 𝑉𝑂2 𝑆𝑂3
𝑉𝑂2 = 31.5𝑚3
+ 275𝑚3
+ 20.68𝑚3
+ 16.2𝑚3
= 343.38𝑚3
𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞𝑢𝑖𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 =
343.38𝒎𝟑
0.21
= 𝟏𝟔𝟑𝟓𝒎𝟑
28

29. Aire Real
El aire real lo podemos calcular sabiendo cuanto oxígeno
contienen los gases que salen del horno
𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞. + 𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠
𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 1635𝒎𝟑
+ (
1652,4𝒎𝟑
0,21
)
𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝟗𝟓𝟎𝟒 𝒎𝟑
29

30. Exceso de aire
Aplicando la formula que vimos al principio, se sustituyen valores
𝑒 % = 100 𝑥 (
9504𝑚3
− 1635𝑚3
1635𝑚3
)
𝒆% = 𝟒𝟖𝟏%
𝑒 % = 100 ∗
(𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑙 – 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞.)
𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞
30

31. GRACIAS POR SU ATENCIÓN.
31