OPERACIONES UNITARIAS

Operaciones Unitarias en la Ingeniería Ambiental

OPERACIONES UNITARIAS DEL CEMENTO



Catedrático: Dra. Norma Quispe



Catedra: Operaciones Unitarias en la Ingeniería Ambiental



Presentado por: 

TORRES ROJAS ,Cesar Deyvis  CRISPIN JURADO, Abel

Huancayo – Perú 2011


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I.

INTRODUCCION: El cemento es una material inorgánico 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 químicas durante la hidratación y que, una vez endurecido, conserva su resistencia y estabilidad.

Existen diferentes tipos de cemento los cuales varían según su composición, características y aplicaciones. Así, existen cementos para un amplio rango de necesidades de construcción. En la producción industrial del cemento se observan procesos que van desde la extracción de la piedra caliza, pasando por el trasporte de materias primas, trituración, pre-homogenización, almacenamiento y molienda de la materia prima, homogenización de la harina cruda, calcinación y molienda hasta su envase y embarque. A pesar del gran impacto económico que tiene la industria del cemento hay que considerar el impacto ambiental que éste tiene sobre una población, ya que no se puede ignorar la gran cantidad de partículas de polvo que emite, el dióxido de carbono entre otros gases que degradan la calidad del aire.

El cemento es un material básico para la construcción de edificios y obras civiles. La producción de la industria cementera está directamente relacionada con el sector de la construcción en general y, por lo tanto, es un buen indicador de la situación económica global. En 1995, la producción de cemento en la Unión Europea alcanzó la cifra de 172 millones de toneladas, que equivale al 12% de la producción mundial. LOS ALUMNOS


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II.

OBJETIVOS: 

Exponer las generalidades de la producción industrial del cemento.



Enunciar las operaciones, materias primas, intermediarios, productos,

subproductos

y

equipos

relacionados

con

la

producción industrial del cemento. 

Enunciar los impactos ambientales que trae la industria del cemento.

III.

ORIGEN DEL CEMENTO: El cemento tiene sus orígenes en la cal u óxido de calcio, a partir del cual y luego de cientos de años de estudios empíricos y científicos, se llega a lo que hoy se conoce como cemento. A través de la historia de los pueblos egipcios, griegos y romanos, se utilizó la cal como ligante en sus construcciones. En la América Prehispánica los Aztecas la emplearon también en la fabricación de tabiques y techos armados con caña y bambú. En 1824, un albañil Inglés llamado Joseph Aspdin, patentó un producto que él llamó cemento Portland, pues al endurecerse adquiría un color semejante al de una piedra de la isla Portland en Inglaterra. En 1838, este cemento se utilizó por primera vez en una construcciónde importancia en uno de los túneles construidos bajo el río Támesis en Londres. David Saylor, un técnico norteamericano, fue el primero en fabricar cemento en América, así nacía en 1850 la industria cementera en Norteamérica. El uso del cemento Portland continuó extendiéndose hasta convertirse en el material de construcción más 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 clínquer que se muele con una pequeña proporción de

yeso

(sulfato

de

calcio)

hasta

quedar

finamente

pulverizada.

Es el aglutinante básico del hormigón y de muchos otros productos que se utilizan en la construcción, 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 estéticos y de decorados, siendo su requerimiento principal el por ciento de blancura que a su vez determina su categoría de calidad en el mercado mundial.

V.

CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS EQUIPOS a. TRITURADOR CONICO Básicamente consisten en un eje vertical largo articulado por la parte superior a un punto (spider) y por la parte inferior a un excéntrico. Este eje lleva consigo un cono triturador. Todo este conjunto se halla ubicado dentro del cóncavo 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 partículas que entran a la cámara de trituración (espacio comprendido entre el cono triturador y el cóncavo) fragmentándolas continuamente por compresión. Figura 1


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b. MOLINO DE BOLAS Es una herramienta eficiente para la pulverización 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-pulverización. El triturador de bolas funciona haciendo que el cuerpo del barril gire y luego produzca una fuerza centrífuga, en ese momento, las bolas de acero son llevadas hasta cierta altura y caen para moler y golpear los materiales. Después 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 ROTATORIO El horno rotatorio empleado para la producción de clinker de cemento, como unidad central del proceso, no se encuentra aislado, sino que se encuentra interconectado dentro del engranaje de operaciones básicas y unidades existentes en una planta de producción de cemento. El crudo procedente del molino a 70º C pasa a un intercambiador de ciclones de cuatro etapas donde es calentado mediante los gases de combustión generados en el horno rotatorio que se encuentran a 340º C. Una vez que el material ha pasado por la última etapa del intercambiador de ciclones, se introduce en un pre-calcinador antes de constituir la alimentación 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 1500º 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 sinterización responsables de la formación del clinker. En el horno rotatorio, el material alcanza la temperatura de 1450º C y los gases de combustión una temperatura de 2000º


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Operaciones Unitarias en la Ingeniería Ambiental C. Finalmente, el clinker es enfriado en un enfriador de parrilla utilizando una corriente de aire de 22º C, hasta que la temperatura de éste desciende hasta unos 140º 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 través de perforacion estas máquinas perforadoras son de gran rendimiento que realizan su trabajo apoyadas por grandes voladuras con barrenos desde la superficie también se extrae la materia prima por detonación con explosivos, su impacto es mínimo, gracias a la alta tecnología 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. TRITURACION Los bloques de rocas calcáreas y las arcillas provenientes de las canteras, ingresan a la trituradora, que por efecto de impacto y presión son reducidas a tamaños inferiores a los 10 Cm.

d. PRE-HOMOGENIZACION Es 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 Ingeniería Ambiental Cada una de las materias primas es transportada por separado a depósitos en donde son dosificadas para la producción de diferentes tipos de cementos.

f. SECADO Y MOLIENDA EN CRUDO Según el proceso empleado, la molienda se realiza en seco o en húmedo. En el caso de la vía seca, la humedad del crudo impone limitaciones técnicas en la molienda y es por ello necesario procederá un secado previo del crudo.El secado necesita unos gases que pueden tener diversas procedencias. En los sistemas vía 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 transformación en el tiempo, los gases del horno siguen expulsándose a la atmósfera, previo paso por electrofiltros y en otros directamente a la atmósfera 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 único con varios compartimientos. La elección del sistema de molienda puede realizarse según los esquemas básicos:



Molienda en circuito abierto : en el que el material que abandona el molino ya no retorna al mismo. El elevado consumo energético 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 separación 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. HOMOGENIZACION Dado que las materias primas utilizadas para la fabricación del clínquer de cemento deben cumplir unas especificaciones definidas, antes de proceder a su cocción es necesario realizar un ajuste definitivo. Esta operación se conoce con el nombre de homogenización. En esta fase del proceso se determina la composición elemental del crudo resultante y se establecen relaciones numéricas entre los componentes químicos más importantes resultando una serie de módulos. De la eficiencia de la homogenización depende en buena medida

la

marcha

regular

del

horno,

teniendo

por

consiguiente una gran incidencia en el consumo energético de la planta. Las instalaciones de homogenización en los procesos de vía seca pueden ser discontinuas o continuas. En estas últimas es necesaria una prehomogenización a partir de unas materias primas previamente ajustadas.

h. FABRICACION DEL CLINQLER Esta operación incluye los procesos comprendidos desde la alimentación del crudo hasta la salida del clínquer del enfriador. Previamente, en el proceso de vía húmeda, la pasta homogenizada se alimenta directamente al horno. Por último en

la

vía

seca,

el

crudo

(harina)

a

su

salida

de

homogenización pasa a los sistemas de alimentación y de este a un precalentador constituido al menos por una etapa de ciclones. Los procesos físico-químicos por los que atraviesa el crudo a medida que se va calentando son los siguientes:


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Operaciones Unitarias en la Ingeniería Ambiental 

Secado hasta una temperatura próxima a los 150ºC.



Eliminación del agua de constitución de la arcilla hasta los 500ºC.



Descarbonatación desde 850ºC hasta unos 1.100ºC.



Clinkerización entre 1.250 y 1.475°C.

En general las reacciones que se producen hasta la obtención del clínquer son de carácter fuertemente endotérmico consumiéndose entre 380 y 440 kcal/kg de clínquer. Las reacciones que tienen lugar quedan reflejadas en la Figura 5.

Reacciones que ocurren en el horno:                              

i. MOLIENDA DEL CEMENTO El clinker es molido a través de bolas de acero de diferentes tamaños a su paso por las dos cámaras 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 efectúan en un

solo molino,normalmente dividido en dos cámaras, estando la última dotada de un clasificador de bolas. Las dificultades de este sistema son, la disipación del calor latente del clínquer y de molturación, lo que requiere una fuerte ventilación del molino e incluso la inyección de agua, y la dificultad del cambio rápido a otras finuras distintas a la prefijada.  Circuito cerrado:

la instalación va dotada de un separador,

siendo la disposición del conjunto similar a la de molienda de crudo.


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Operaciones Unitarias en la Ingeniería Ambiental El separador hace posible la regulación de finura dentro de ciertos límites. Los molinos suelen ser de dos cámaras: al igual que en el caso anterior es necesario eliminar una gran cantidad de calor, aunque aquí se vea favorecido este hecho por la posibilidad de utilizar mayores caudales de aire, pero puede seguir siendo necesaria una inyección 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 instalación. Salvo en lo referente al aprovechamiento de los gases no existen

diferencias

esenciales

entre

los

sistemas

de

molturación del crudo y del clínquer. Aquí esta más acentuada la utilización de molienda en circuito cerrado, por las mayores exigencias de la granulometría del cemento.

j. ENVASE Y ENBARQUE DEL CEMENTO El cemento es enviado a los silos de almacenamiento; de los que se extrae por sistemas neumáticos o mecánicos, siendo transportado a donde será envasado en saco de papel.

VII.

MATERIAS PRIMAS, PRODUCTOS FINALES a. MATERIAS PRIMAS Existen varias clases de cemento, sus propiedades y características varían dependiendo de la proporción que se agregue de cada materia prima.A pesar de que las composiciones de las materias primas del cemento varían 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 FINALES Dependiendo del tipo de cemento el producto final puede tener diferentes composiciones:

Cemento Portland 

64% óxido de calcio



21% óxido de silicio



5,5% óxido de aluminio



4,5% óxido de hierro



2,4% óxido de magnesio



1,6% sulfatos



1% otros materiales, principalmente agua.

Cemento puzolánico 

55-70% de clinker Portland



30-45% de puzolana (materiales silíceos o alumino-

silíceos) 

2-4% de yeso

Cemento aluminoso 

35-40% óxido de calcio



40-50% óxido de aluminio



5% óxido de silicio



5-10% óxido de hierro



1% óxido de titanio


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VIII.

IMPACTO AMBIENTAL DE LA INDUSTRIA DEL CEMENTO Uno de los procesos más contaminantes en la industria del cemento esta asociado con los hornos de calcinación ya que estos consumen una gran cantidad de energía para alcanzar las temperaturas necesarias y expulsan todo tipo de emisiones como partículas de polvo, gases como dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, monóxido y dióxido de carbono, sin olvidar los cloruros, fluoruros, compuestos orgánicos tóxicos y metales pesados. Recordemos que el gas dióxido de carbono es uno de los principales responsables del efecto invernadero producido por el cambio climático. Es por esta razón que la industria del Cemento tiene un gran impacto negativo al medio ambiente a pesar de su gran

impacto

económico. Una forma de reducir la emisión de partículas de polvo con el objeto de no afectar la salud de una población aledaña es el uso de filtros de bolsa en los hornos. De igual forma, es necesario el uso de recolectores mecánicos de polvo en zonas donde se encuentren los trituradores, transportadores, sistema de carga, etc. En suma, las empresas encargadas de la producción de cemento deben comprometerse con el uso de procesos que garanticen la sostenibilidad ambiental y la reducción en los impactos en la salud.

IX.

CONCLUSIONES:  A pesar del gran impacto económico que tiene la industria del cemento hay que considerar el impacto negativo al medio ambiente y a la salud.

 Las empresas encargadas de la producción de cemento deben comprometerse con la adecuación de procesos que minimicen el


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Operaciones Unitarias en la Ingeniería Ambiental impacto ambiental y mejoren las condiciones de salud de las poblaciones aledañas.

X.

BIBLIOGRAFÍA: 

Técnicas de Conservación Energética en la Industria/Ahorro en Proceso. TomoII. Editorial Centro de estudios de la energía. ISBN 84-7474-168-8



Diagnóstico Energético/Rama Cemento. Dirección de Energética,Departamento de la Inspección Estatal Energética, 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 fabricación del cemento. Disponible en Internet: www.ieca.es/fabcemento.php

XI.

ANEXOS:


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