OPERACIONES UNITARIAS

Operaciones Unitarias en la Ingeniera Ambiental

FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURASESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL DE INGENIERA AMBIENTAL

OPERACIONES UNITARIAS DEL CEMENTO

Catedrtico: Dra. Norma Quispe Catedra: Operaciones Unitarias en la Ingeniera Ambiental Presentado por: TORRES ROJAS ,Cesar Deyvis CRISPIN JURADO, Abel

Huancayo Per 2011


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I.

INTRODUCCION:El cemento es una material inorgnico finamente pulverizado, que al agregarle agua, ya sea solo o mezclado con arena, grava, asbesto u otros materiales similares, tiene la propiedad de fraguar y endurecer, incluso bajo el agua, en virtud de reacciones qumicas durante la hidratacin y que, una vez endurecido, conserva su resistencia y estabilidad.

Existen diferentes tipos de cemento los cuales varan segn su composicin, caractersticas y aplicaciones. As, existen cementos para un amplio rango de necesidades de construccin. En la produccin industrial del cemento se observan procesos que van desde la extraccin de la piedra caliza, pasando por el trasporte de materias primas, trituracin, pre-homogenizacin, almacenamiento y molienda de la materia prima, homogenizacin de la harina cruda, calcinacin y molienda hasta su envase y embarque. A pesar del gran impacto econmico que tiene la industria del cemento hay que considerar el impacto ambiental que ste tiene sobre una poblacin, ya que no se puede ignorar la gran cantidad de partculas de polvo que emite, el dixido de carbono entre otros gases que degradan la calidad del aire.

El cemento es un material bsico para la construccin de edificios y obras civiles. La produccin de la industria cementera est directamente relacionada con el sector de la construccin en general y, por lo tanto, es un buen indicador de la situacin econmica global. En 1995, la produccin de cemento en la Unin Europea alcanz la cifra de 172 millones de toneladas, que equivale al 12% de la produccin mundial.

LOS ALUMNOS


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II.

OBJETIVOS: Exponer las generalidades de la produccin industrial del cemento. Enunciar las operaciones, materias primas, intermediarios, productos,

subproductos

y

equipos

relacionados

con

la

produccin industrial del cemento. Enunciar los impactos ambientales que trae la industria del cemento.

III.

ORIGEN DEL CEMENTO:

El cemento tiene sus orgenes en la cal u xido de calcio, a partir del cual y luego de cientos de aos de estudios empricos y cientficos, se llega a lo que hoy se conoce como cemento. A travs de la historia de los pueblos egipcios, griegos y romanos, se utiliz la cal como ligante en sus construcciones. En la Amrica Prehispnica los Aztecas la emplearon tambin en la fabricacin de tabiques y techos armados con caa y bamb. En 1824, un albail Ingls llamado Joseph Aspdin, patent un producto que l llam cemento Portland, pues al endurecerse adquira un color semejante al de una piedra de la isla Portland en Inglaterra. En 1838, este cemento se utiliz por primera vez en una construccinde importancia en uno de los tneles construidos bajo el ro Tmesis en Londres. David Saylor, un tcnico norteamericano, fue el primero en fabricar cemento en Amrica, as naca en 1850 la industria cementera en Norteamrica. El uso del cemento Portland continu extendindose hasta convertirse en el material de construccin ms utilizado en el mundo.


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IV.

TIPOS DE CEMENTO: a. CEMENTO GRIS:Es una mezcla de piedra caliza y arcilla, triturada y calcinada hasta el punto fundente, convertida en una escoria granulada llamada clnquer que se muele con una pequea proporcin de yeso (sulfato de calcio) hasta quedar finamente

pulverizada.

Es el aglutinante bsico del hormign y de muchos otros productos que se utilizan en la construccin, tales como: mosaicos, baldosas, bloques, asbestos cemento, tubos para acueducto y alcantarillado, etc.

b. CEMENTO BLANCO:El cemento blanco como aglomerante es sustituto del cemento gris, aunque su uso especifico responde a principios estticos y de decorados, siendo su requerimiento principal el por ciento de blancura que a su vez determina su categora de calidad en el mercado mundial.

V.

CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS EQUIPOS a. TRITURADOR CONICOBsicamente consisten en un eje vertical largo articulado por la parte superior a un punto (spider) y por la parte inferior a un excntrico. Este eje lleva consigo un cono triturador. Todo este conjunto se halla ubicado dentro del cncavo o cono fijo exterior. El conjunto, eje y cono triturador se halla suspendido del spider y puede girar libremente (85 150 rpm), de manera que en su movimiento rotatorio va presionando las partculas que entran a la cmara de trituracin (espacio comprendido entre el cono triturador y el cncavo) fragmentndolas continuamente por compresin. Figura 1


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b. MOLINO DE BOLASEs una herramienta eficiente para la pulverizacin de muchos materiales en polvo fino. El molino de bolas es usado para moler muchos tipos de minerales y otros materiales. El Molino de bolas es un equipo clave para la re-pulverizacin. El triturador de bolas funciona haciendo que el cuerpo del barril gire y luego produzca una fuerza centrfuga, en ese momento, las bolas de acero son llevadas hasta cierta altura y caen para moler y golpear los materiales. Despus de ser molidos de forma gruesa en el primer compartimiento, los materiales entran en el segundo compartimiento para ser re molidos con las bolas de acero. Al final, el polvo es descargado hacia la salida de materiales. Figura 2

c. HORNO ROTATORIOEl horno rotatorio empleado para la produccin de clinker de cemento, como unidad central del proceso, no se encuentra aislado, sino que se encuentra interconectado dentro del engranaje de operaciones bsicas y unidades existentes en una planta de produccin de cemento. El crudo procedente del molino a 70 C pasa a un intercambiador de ciclones de cuatro etapas donde es calentado mediante los gases de combustin generados en el horno rotatorio que se encuentran a 340 C. Una vez que el material ha pasado por la ltima etapa del intercambiador de ciclones, se introduce en un pre-calcinador antes de constituir la alimentacin del horno rotatorio. En este pre-calcinador, el material crudo es descarbonatado y calcinado casi en su totalidad mediante corriente cruzada con los gases del horno a 1500 C. Posteriormente, el crudo descarbonatado llega al tubo del horno rotatorio donde se alcanzan las temperaturas lo suficientemente elevadas como para que se lleven a cabo las reacciones de sinterizacin responsables de la formacin del clinker. En el horno rotatorio, el material alcanza la temperatura de 1450 C y los gases de combustin una temperatura de 2000


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Operaciones Unitarias en la Ingeniera Ambiental C. Finalmente, el clinker es enfriado en un enfriador de parrilla utilizando una corriente de aire de 22 C, hasta que la temperatura de ste desciende hasta unos 140 C. Figura 3

VI.

OPERACIONES UNITARIAS DEL CEMENTO: a. EXTRACCION DE LA MATERIA PRIMA:De las canteras de piedra se extrae la piedra caliza y la arcilla a travs de perforacion estas mquinas perforadoras son de gran rendimiento que realizan su trabajo apoyadas por grandes voladuras con barrenos desde la superficie tambin se extrae la materia prima por detonacin con explosivos, su impacto es mnimo, gracias a la alta tecnologa empleada.

b. TRASPORTE DE LA MATERIA PRIMA:Una vez que las grandes masas de piedra han sido fragmentadas, se transportan a la planta por medio de cinta, camiones o bandas.

c. TRITURACIONLos bloques de rocas calcreas y las arcillas provenientes de las canteras, ingresan a la trituradora, que por efecto de impacto y presin son reducidas a tamaos inferiores a los 10 Cm.

d. PRE-HOMOGENIZACIONEs la mezcla proporcional de los diferentes tipos de arcilla, caliza o cualquier otro material que se requiera dependiendo del tipo de cemento.

e. ALMACENAMIENTO DE LA MATERIA PRIMA


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Operaciones Unitarias en la Ingeniera Ambiental Cada una de las materias primas es transportada por separado a depsitos en donde son dosificadas para la produccin de diferentes tipos de cementos.

f. SECADO Y MOLIENDA EN CRUDOSegn el proceso empleado, la molienda se realiza en seco o en hmedo. En el caso de la va seca, la humedad del crudo impone limitaciones tcnicas en la molienda y es por ello necesario proceder un secado previo del crudo.El secado necesita unos gases que pueden tener diversas procedencias. En los sistemas va seca generalmente los gases de escape del horno realizan el secado, bien en su totalidad, bien apoyados por gases procedentes de un hogar auxiliar cuando la humedad del crudo lo hace necesario. No obstante, en algunas instalaciones que han sufrido una importante transformacin en el tiempo, los gases del horno siguen expulsndose a la atmsfera, previo paso por electrofiltros y en otros directamente a la atmsfera y todo el calor necesario para el secado se genera en un hogar auxiliar. La molienda del crudo se puede efectuar en varios escalones o en un molino nico con varios compartimientos. La eleccin del sistema de molienda puede realizarse segn los esquemas bsicos: Molienda en circuito abierto: en el que el material que abandona el molino ya no retorna al mismo. El elevado consumo energtico y su poca flexibilidad al tratar de variar la finura del producto hacen que tienda a abandonarse. Molienda en circuito cerrado: en el cual un sistema de separacin establece dos flujos, uno de gruesos que retornan al molino y otro de finos que se incorporan al proceso principal.


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g. HOMOGENIZACIONDado que las materias primas utilizadas para la fabricacin del clnquer de cemento deben cumplir unas especificaciones definidas, antes de proceder a su coccin es necesario realizar un ajuste definitivo. Esta operacin se conoce con el nombre de homogenizacin. En esta fase del proceso se determina la composicin elemental del crudo resultante y se establecen relaciones numricas entre los componentes qumicos ms importantes resultando una serie de mdulos. De la eficiencia de la homogenizacin depende en buena medida la marcha regular del horno, teniendo por

consiguiente una gran incidencia en el consumo energtico de la planta. Las instalaciones de homogenizacin en los procesos de va seca pueden ser discontinuas o continuas. En estas ltimas es necesaria una prehomogenizacin a partir de unas materias primas previamente ajustadas.

h. FABRICACION DEL CLINQLEREsta operacin incluye los procesos comprendidos desde la alimentacin del crudo hasta la salida del clnquer del enfriador. Previamente, en el proceso de va hmeda, la pasta homogenizada se alimenta directamente al horno. Por ltimo en la va seca, el crudo (harina) a su salida de

homogenizacin pasa a los sistemas de alimentacin y de este a un precalentador constituido al menos por una etapa de ciclones. Los procesos fsico-qumicos por los que atraviesa el crudo a medida que se va calentando son los siguientes:


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Operaciones Unitarias en la Ingeniera Ambiental Secado hasta una temperatura prxima a los 150C. Eliminacin del agua de constitucin de la arcilla hasta los 500C. Descarbonatacin desde 850C hasta unos 1.100C. Clinkerizacin entre 1.250 y 1.475C.

En general las reacciones que se producen hasta la obtencin del clnquer son de carcter fuertemente endotrmico consumindose entre 380 y 440 kcal/kg de clnquer. Las reacciones que tienen lugar quedan reflejadas en la Figura 5.

Reacciones que ocurren en el horno:

i. MOLIENDA DEL CEMENTOEl clinker es molido a travs de bolas de acero de diferentes tamaos a su paso por las dos cmaras del molino, agregando el yeso para alargar el tiempo de fraguado (endurecimiento en contacto con el agua) del cemento. La molienda se puede efectuar por: Circuito abierto: la premolienda y el refino se efectan en un solo molino,normalmente dividido en dos cmaras, estando la ltima dotada de un clasificador de bolas. Las dificultades de este sistema son, la disipacin del calor latente del clnquer y de molturacin, lo que requiere una fuerte ventilacin del molino e incluso la inyeccin de agua, y la dificultad del cambio rpido a otras finuras distintas a la prefijada. Circuito cerrado: la instalacin va dotada de un separador, siendo la disposicin del conjunto similar a la de molienda de crudo.


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Operaciones Unitarias en la Ingeniera Ambiental El separador hace posible la regulacin de finura dentro de ciertos lmites. Los molinos suelen ser de dos cmaras: al igual que en el caso anterior es necesario eliminar una gran cantidad de calor, aunque aqu se vea favorecido este hecho por la posibilidad de utilizar mayores caudales de aire, pero puede seguir siendo necesaria una inyeccin de agua. Normalmente se emplea el circuito cerrado puro, no el doble rotatorio ya que no se observan ventajas apreciables en el segundo sistema y tiene en contra un mayor costo de instalacin. Salvo en lo referente al aprovechamiento de los gases no existen diferencias esenciales entre los sistemas de

molturacin del crudo y del clnquer. Aqu esta ms acentuada la utilizacin de molienda en circuito cerrado, por las mayores exigencias de la granulometra del cemento.

j. ENVASE Y ENBARQUE DEL CEMENTOEl cemento es enviado a los silos de almacenamiento; de los que se extrae por sistemas neumticos o mecnicos, siendo transportado a donde ser envasado en saco de papel.

VII.

MATERIAS PRIMAS, PRODUCTOS FINALES a. MATERIAS PRIMASExisten varias clases de cemento, sus propiedades y caractersticas varan dependiendo de la proporcin que se agregue de cada materia prima.A pesar de que las composiciones de las materias primas del cemento varan de acuerdo con las necesidades, pueden enunciarse de manera general los siguientes componentes: CaCO3 (Piedra caliza) SiO2 (Naturalmente o como aditivo) Al2O3 (Naturalmente o como aditivo) FeCO3 (Naturalmente o como aditivo) CaSO4


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b. PRODUCTOS FINALESDependiendo del tipo de cemento el producto final puede tener diferentes composiciones: Cemento Portland 64% xido de calcio 21% xido de silicio 5,5% xido de aluminio 4,5% xido de hierro 2,4% xido de magnesio 1,6% sulfatos 1% otros materiales, principalmente agua.

Cemento puzolnico 55-70% de clinker Portland 30-45% de puzolana (materiales silceos o aluminosilceos) 2-4% de yeso

Cemento aluminoso 35-40% xido de calcio 40-50% xido de aluminio 5% xido de silicio 5-10% xido de hierro 1% xido de titanio


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VIII.

IMPACTO AMBIENTAL DE LA INDUSTRIA DEL CEMENTO

Uno de los procesos ms contaminantes en la industria del cemento esta asociado con los hornos de calcinacin ya que estos consumen una gran cantidad de energa para alcanzar las temperaturas necesarias y expulsan todo tipo de emisiones como partculas de polvo, gases como dixido de azufre, xidos de nitrgeno, monxido y dixido de carbono, sin olvidar los cloruros, fluoruros, compuestos orgnicos txicos y metales pesados. Recordemos que el gas dixido de carbono es uno de los principales responsables del efecto invernadero producido por el cambio climtico. Es por esta razn que la industria del Cemento tiene un gran impacto negativo al medio ambiente a pesar de su gran impacto

econmico. Una forma de reducir la emisin de partculas de polvo con el objeto de no afectar la salud de una poblacin aledaa es el uso de filtros de bolsa en los hornos. De igual forma, es necesario el uso de recolectores mecnicos de polvo en zonas donde se encuentren los trituradores, transportadores, sistema de carga, etc. En suma, las empresas encargadas de la produccin de cemento deben comprometerse con el uso de procesos que garanticen la sostenibilidad ambiental y la reduccin en los impactos en la salud.

IX.

CONCLUSIONES:

A

pesar del gran impacto econmico que tiene la industria del

cemento hay que considerar el impacto negativo al medio ambiente y a la salud.

Las

empresas encargadas de la produccin de cemento deben

comprometerse con la adecuacin de procesos que minimicen el


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Operaciones Unitarias en la Ingeniera Ambiental impacto ambiental y mejoren las condiciones de salud de las poblaciones aledaas.

X.

BIBLIOGRAFA:TomoII. Editorial Centro de estudios de la energa. ISBN 84-7474-168-8

Tcnicas de Conservacin Energtica en la Industria/Ahorro en Proceso. Diagnstico Energtico/Rama Cemento. Direccin de Energtica,Departamento de la Inspeccin Estatal Energtica, Cuba. 2000. Disponible enInternet: http://www.energia.inf.cu/ieemep/Document/Cemento.pdf. Cemento y Cal. Disponible en Internet: http://circa.europa.eu/ Proceso de fabricacin del cemento. Disponible en Internet: www.ieca.es/fabcemento.php

XI.

ANEXOS:

Figura 1: Triturador conico

Figura 2: Triturador de bolas


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Figura 3: Horno rotatorio

Figura 3: Horno Rotarorio

Figura 4: Etapas de produccin de cemento


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Figura 5: Reacciones de coccin del clinquer


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