Dimensionamiento de Un Horno Rotatorio para La Produccion de Clinker de Cemento Portland

DIMENSIONAMIENTO DE UN HORNO ROTATORIO PARA LA PRODUCCION DE CLINKER DE
CEMENTO PORTLAND
Este proyecto tiene como finalidad abordar el dimensionamiento de un horno no aislado para
la producción de Clinker del cemento portland mediante via seca.
Definiendo algunos conceptos básicos en el siguiente proyecto se tiene como concepto de

cemento el siguiente, es un conglomerante hidráulico, es decir, un material inorgánico
finamente molido que, amasado con agua, forma una pasta que fragua y endurece en virtud
de reacciones y procesos de hidratación y que una vez endurecido, conserva su resistencia y
estabilidad aún bajo el agua. Compuesto de materia prima que contienen los componentes
principales del cemento: cal, sílice, alúmina y óxido férrico. Por ello, las dos materias primas
principales son los materiales calizos (ricos en carbonato cálcico) y los materiales arcillosos
(ricos en silicatos de aluminio hidratados). Donde la caliza consiste principalmente en
carbonato cálcico; la creta en oposición a la caliza, posee una estructura suelta, térrea, esta
propiedad califica a la creta de un modo especial para la fabricación del cemento por vía
húmeda; la marga es un excelente material para la fabricación de cemento, puesto que
presentan material calcáreo y arcilloso en estado homogéneo y son muy abundantes en la
naturaleza y la arcilla segunda materia prima importante para la fabricación del clinker de
cemento Portland.
Para la selección de materias primas se tienen en cuenta las características químicas físicas y
económicas. La composición química del Clinker esta prácticamente formado por el 95% de
óxidos de cal, sílice, aluminio y hierro, el resto lo forman óxidos que proceden de las impurezas
que también cumplen funciones importantes.
En la viabilidad tecnológica del proceso existen 2 tipos vía seca y vía húmeda ambas vías sólo
difieren en la primera fase de la fabricación, es decir, en el pretratamiento de las materias
primas, formada generalmente por una mezcla de piedra caliza y arcilla en una proporción
aproximada de 4:1. La elección que se hizo para el procedimiento de fabricación no es posible
definirlo por tanto, es inviable demostrar inequívocamente la supremacía de uno sobre otro en
cuanto a la calidad del Clinker.
Como fuente de energía para la producción pueden desglosarse atendiendo a su naturaleza

térmica o eléctrica. La energía térmica se consume prácticamente en su totalidad en el horno.
La energía eléctrica resulta más difícil de estimar dependiendo más de las circunstancias de la
instalación que del proceso seguido.
Las distintas operaciones básicas de las que consta el proceso de fabricación del cemento
Portland son las siguientes: Extracción de las materias primas y trituración, dosificación y
prehomogeneización, secado y molienda del crudo, homogeneización, fabricación del Clinker:
calentamiento, cocción del crudo y enfriamiento del mismo, molienda y ensilado.
Tenemos al horno rotatorio como unidad central del proceso cementero inventado en 1884
por el inglés Frederik Ransome, y perfeccionado posteriormente EE.UU. por Thomas Edison en
1903, revolucionó de tal modo la industria del cemento que puede considerarse la invención
más importante en fabricación desde la introducción de los molinos de bolas. Además es uno
de los tipos más importantes de los hornos de proceso porque es probablemente el más
empleado por las más diversas industrias.
El horno rotatorio está formado por un cilindro de acero ligeramente inclinado, por la carcasa
de acero y por el refractario del tipo de magnesia-espinela que ocupa toda la superficie
interna de la propia virola y que soportará las elevadas temperaturas de operación. Dentro de
este se llevan a cabo la formación de la costra protectora. Por lo tanto, de cara al
dimensionamiento en este proyecto, se ha decidido que la clase de refractario para conformar
el revestimiento de éste, será del tipo magnesia-espinela ALMAG AF de la marca Refratechnik.
Entre los tipos de hornos rotatorios se tienen los hornos rotatorios vía húmeda que se
caracterizan por su gran simplicidad, realizándose todas las fases de la cocción en la misma
unidad; los hornos rotatorios vía seca (horno Lepol, horno Humboldt, etc).
Los equipos en contacto directo con el horno rotatorio son los intercambiadores de calor
(Humboldt, Polysius, Miag, Krupp, etc); los enfriadores (tambor rotatorio, planetario, parrilla,
cuba vertical,etc).
Dentro de los aspectos medioambientales se analizó los residuos utilizados como combustibles
siendo el carbón el más utilizado, para que un residuo sea considerado interesante para su
utilización como combustible alternativo ha de tener una ventaja económica respecto a éstos y
además ha de reunir las características propias de un buen combustible como: suficiente poder
calorífico, ausencia de interferencias en las características del producto y ausencia de
emisiones contaminantes.
Con relación al medio ambiente la normativa básica comúnmente aceptada para las
actividades cementeras se concreta en el RAMINP que aprueba el reglamento de actividades
molestas, insalubres, nocivas y peligrosas en este marco la reglamentación de las emisiones
resulta muy escasa y desfasada. Hoy por hoy, la referencia legal más clara es la Directiva IPPC ,
relativa a la prevención y al control integrado de la contaminación en la Unión Europea. Tiene
como objetivo garantizar un elevado grado de protección del medio ambiente en relación con
los efectos ambientales de plantas industriales, entre las que se incluyen las fábricas de
cemento.
El marco legal se asigna la función de seguridad a todas las personas que forman la estructura
organizativa de la empresa. Los riesgos profesionales durante el proceso de fabricación del
cemento el trabajador está expuesto a diversos tipos de riesgos que varían en función de la
tarea desempeñada. Durante el proceso de fabricación, el peligro principal es el polvo, cuya
concentración máxima permisible en el aire no debe superar los límites que se señalan son
polvo de cemento sin sílice libre 6 mg/m3, polvo de cemento con menos del 10% de sílice libre
5 mg/m3, polvo de amianto-cemento con más del 10% de amianto 5 mg/m3.
Se tomaron distintas bases de partida para este proyecto como el dimensionamiento parte
principal del este, las zonas del horno rotatorio y longitud de calentamiento.
Las condiciones para el balance de energía en los hornos rotatorios, la marcha de las
reacciones que tienen lugar entre los componentes del crudo y que define la distribución de
calor, es análoga en correspondencia, con los procesos químicos que tienen lugar a: una zona
de secado (para hornos vía húmeda), una zona de precalentamiento, una zona de calcinación,
una zona de sinterización o clinkerización concluyendo con una zona de enfriamiento.
En la resolución de los balances de energía se tendrán en cuenta las siguientes

consideraciones: a) Los flujos de calor en el interior del horno rotatorio se transmiten en
“estado estacionario”. b) Aunque la temperatura en el inter8ior del horno rotatorio presenta
perfiles axiales y radiales, se considera que la variación de la temperatura sólo se da en la
coordenada z, es decir, que la temperatura en el sistema solo varía a lo largo de la coordenada
axial (con la longitud del horno).
En la obtención de los perfiles de temperatura del sólido y los gases de combustión se tomo la
consideración que apuntaba que el sólido sólo recibe energía de los gases de combustión
mediante convección y radiación, luego el balance de energía para el sólido puede escribirse
de la siguiente forma:
𝑊𝑆 . 𝐶𝑝𝑆 . 𝑑𝑇𝑆 = ℎ𝐶 . 𝑑𝐴𝑆 . (𝑇𝑔 − 𝑇𝑆 ) + ℎ𝑟 . 𝑑𝐴𝑠 (𝑇𝑔 − 𝑇𝑠 )
Ws· Cps· dTs ; flujo de energía recibida por el sólido de los gases de combustión a través de los
mecanismos de transmisión de calor de convección y radiación. Donde: Ws ; es el caudal
másico de sólido en kg/s. ‰Cps ; es el calor específico a presión constante del sólido, en J/kg·K.
‰dTs ; diferencial de temperatura del sólido, en K.
El dimensionamiento del horno rotatorio los balances de energía formulados dan lugar a dos
ecuaciones diferenciales de primer orden, que muestran el comportamiento de las
temperaturas del sólido y de los gases de combustión con respecto a la longitud del horno. El
modelo matemático planteado no tiene por tanto, solución analítica, y necesita de un método
iterativo de resolución numérica. El método elegido para resolver este conjunto de ecuaciones
diferenciales de primer orden es el Método de Runge-Kutta de orden IV, utilizando un paso de
integración de 0,1 m y recalculando los valores de todas las variables dependientes de la
temperatura en cada intervalo.
Para iniciar este método iterativo necesitamos una “condición inicial” donde sepamos el valor
de todas las variables, Ts, Tg y z; y en consecuencia, el valor de las demás variables que
dependen de Ts, Tg y z. Por ello, para la resolución del modelo, se partirá del extremo del
horno donde se sitúa el quemador en z=0 m y donde Ts y Tg son conocidas. Para la obtención
del coeficiente de transferencia de calor por convección se utilizará la ecuación que
recomienda Nusselt para el cálculo de la transferencia de calor en flujo turbulento
completamente desarrollado en tubos lisos
La velocidad de los gases de combustión se calculó con el valor de caudal volumétrico de gases
de combustión a la entrada del horno (Qv) gases de combustión = 130.000 Nm3 / h, y para
evaluar la densidad de la mezcla se toman valores tabulados de densidad a distintas
temperaturas para cada uno de los componentes de la mezcla de gases, es decir, para CO2, O2
y N2 , para obtener una correlación de la densidad con la temperatura que permita calcular la
densidad de cada uno de ellos a la Tpromedio de 2023,15 K. El coeficiente global de
transmisión de calor se da a través de una pared constituida por capas múltiples donde el
producto resultante de este coeficiente multiplicado por la superficie y por la diferencia total
de temperatura

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Definiendo algunos conceptos básicos en el siguiente proyecto se tiene como concepto de

Como fuente de energía para la producción pueden desglosarse atendiendo a su naturaleza

En la resolución de los balances de energía se tendrán en cuenta las siguientes

𝑊𝑆 . 𝐶𝑝𝑆 . 𝑑𝑇𝑆 = ℎ𝐶 . 𝑑𝐴𝑆 . (𝑇𝑔 − 𝑇𝑆 ) + ℎ𝑟 . 𝑑𝐴𝑠 (𝑇𝑔 − 𝑇𝑠 )

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