PERMEABILIDAD DE COQUES METALÚRGICOS AL AGUA

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Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (1): 307-312

PERMEABILIDAD DE COQUES METALÚRGICOS AL AGUA

Luz Mary Rodríguez Cuevas

1

, Eidelman González López

1*

9 Este artículo forma parte del “Volumen Suplemento” S1 de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales (RLMM). Los suplementos de la RLMM son números especiales de la revista dedicados a publicar memorias de congresos.

9 Este suplemento constituye las memorias del congreso “X Iberoamericano de Metalurgia y Materiales (X IBEROMET)” celebrado en Cartagena, Colombia, del 13 al 17 de Octubre de 2008.

9 La selección y arbitraje de los trabajos que aparecen en este suplemento fue responsabilidad del Comité Organizador del X IBEROMET, quien nombró una comisión ad-hoc para este fin (véase editorial de este suplemento).

9 La RLMM no sometió estos artículos al proceso regular de arbitraje que utiliza la revista para los números regulares de la misma.

9 Se recomendó el uso de las “Instrucciones para Autores” establecidas por la RLMM para la elaboración de los artículos. No obstante, la revisión principal del formato de los artículos que aparecen en este suplemento fue responsabilidad del Comité Organizador del X IBEROMET.

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Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (1): 307-312

PERMEABILIDAD DE COQUES METALÚRGICOS AL AGUA

Luz Mary Rodríguez Cuevas

1

, Eidelman González López

1*

1: Escuela de Metalurgia, Facultad de Ingeniería, Grupo de Carbones y Carboquímica, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja, Colombia

2: Escuela de Física, Facultad de Ciencias, Grupo de Física de Materiales, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja, Colombia

*E-mail: eidelmango@

Trabajos presentados en el X CONGRESO IBEROAMERICANO DE METALURGIA Y MATERIALES IBEROMET Cartagena de Indias (Colombia), 13 al 17 de Octubre de 2008

Selección de trabajos a cargo de los organizadores del evento Publicado On-Line el 20-Jul-2009

Disponible en: www.polimeros.labb.usb.ve/RLMM/home.html

Resumen

Se presenta los resultados de permeabilidad del coque al agua, medida con un permeámetro a carga constante, correlacionándola con propiedades de porosidad, tamaño de grano y densidad de los coques obtenidos a partir de diferentes procesos; junto con su respectiva caracterización química de las muestras de coque. Con el estudio se establece un parámetro de caracterización esencial a tener en cuenta en la calidad del coque, de suma importancia en procesos como filtración de impurezas de algunos líquidos.

Palabras Claves: Porosidad del coque, permeabilidad del coque, densidad del coque, tamaño de grano del coque. Abstract

In this present the results the permeability of the coke to the water, measure in a permeameter a load constant, relate with property of porosity, size of grain and density of the cokes obtain to split of differents process; joined with the respective characterize chemistry of the samples of coke. The study establish a parameter of characterize essential to have in count in the quality of the coke, of sum importance in process as filter of impurity of some liquids.

Keywords: Porosity of the coke, permeability of the coke, density of the coke and size of grain of the coke

1. INTRODUCCIÓN

La permeabilidad del coque no ha sido estudiada como un parámetro de calidad, con miras a usos o aplicaciones en diferentes procesos al cual va a ser sometido.

Se realizó un estudio de la permeabilidad, a varios tipos de coques producidos a partir de diferentes procesos en la región de Boyacá de las empresas Inverminsa, Colcarbón y Acerías Paz del Río en función de la porosidad, tamaño de grano, y la densidad y se analiza el comportamiento del agua en su paso a través del espacio trasgranular (entre granos) y del espacio intragranular (a través de los poros) del coque.perrmeámetro a cabeza constante, con previa preparación mecánica de las muestras. La permeabilidad del coque al agua dentro del permeámetro a carga constante, se realiza midiendo la cantidad de agua que pasa a través de los agregados en un determinado tiempo.

2. . MODELO TEÓRICO 2.1 Ley de Darcy.

La capacidad de un medio poroso de permitir un flujo a través de él, está dada por la ley de Darcy. La ley fue obtenida en forma experimental, observando el movimiento de un fluido a través de un medio poroso. Se mide por medio de un registro del caudal saliente del sistema.

La ley de darcy establece, que el fluido a través de un medio poroso en determinado tiempo es proporcional a la pérdida de presión (

i

), al área transversal de la muestra (a) y a la permeabilidad (k). relación que se aprecia en la ecuación (1):

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Gonzalez et al.

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donde, q: es el caudal o volumen de fluido que atraviesa un medio poroso en la unidad de tiempo, medido en cm3/s o m3/s.

A: Área de la sección transversal de la muestra, en

cm2 o m2.

i: Gradiente hidráulico. Es la variación de la

presión de entrada con respecto a la variación de la presión en el medio.

K: Constante de proporcionalidad que recibe el nombre de “coeficiente de permeabilidad” o

permeabilidad del medio poroso que se constituye

en una propiedad de dicho medio. Tiene dimensiones de velocidad (cm/s o m/s). La ley de Darcy, empleando un permeámetro a carga

constante es (ver figura 1), es la siguiente:

P

Q

KAi

KA

P

=

D

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g h

h

Q

KA

gL

L

r

D

=

(3)

Figura 1. Permeámetro a carga constante

Donde,

i

h

L

D

=

: Es el gradiente hidráulico para el

permeámetro a carga constante.

∆h: Es la diferencia de altura entre la altura del

nivel del agua en el embudo y el nivel del agua en la salida del permeámetro.

L: Longitud de la muestra o medio poroso.

2.2 Permeámetro a carga constante.

El permeámetro a carga constante, es un equipo que permite medir la velocidad del flujo del agua a través de un medio poroso como el coque, (ver figura 1). El permeámetro consta de un recipiente cilíndrico, conectado por la parte inferior a una manguera que sube a un embudo con desprendimiento lateral. En la parte superior del cilindro hay un tubo con desprendimiento lateral conectado a una probeta mediante una manguera flexible.

Una llave de agua provee la alimentación, que es a carga constante, dado que el exceso de líquido en el embudo es evacuado por el desprendimiento lateral que éste posee. La diferencia de altura se determina entre el nivel de agua en el embudo y el nivel de agua a la salida del cilindro. El caudal de agua que pasa a través de la muestra se mide por el flujo a la salida del desprendimiento lateral del recipiente que llega a la probeta (Braja[1]

3. METODOLOGIA:

El trabajo se realizó en las siguientes etapas:

3.1 Muestreo y selección.

Se seleccionaron cinco muestras, de tres empresas de coque: dos de Inverminsa, dos de Colcarbón y una muestra de Acerías Paz del Río. 3.2 Trituración, tamizado.

Inicialmente las muestras de coque fueron obtenidas en forma de trozos. Luego se pasaron por una trituradora de mandíbula, los fragmentos resultantes se pasaron por tamices hasta obtener muestras representativas: mayor a 6.3 mm, 4.75 mm y 0.25 mm (ver tabla 1), que corresponden en la serie de tamices: ¼, 4 y 60.

3.2 Análisis inmediato.

En el análisis inmediato se evalúan los siguientes ítems: humedad (D 3173-73), cenizas (D 3174), materia volátil (D 3175-73) y carbono fijo (D 3172).

3.3 Densidad y porosidad.

Se determinó la densidad aparente y real de las muestras de coque, bajo la norma ISO 1014 (1975), cuyo cociente nos da el porcentaje de porosidad (Becerra [2].

%

1

a

100%

r

D

P

D

⎛

⎡ ⎤

⎞

= −

_⎜

_{⎢ ⎥}

_⎟

×

⎣ ⎦

⎝

⎠

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Permeabilidad de coques metalúrgicos al agua

Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 307-312 309

Donde,

Da: Densidad aparente Dr: Densidad real

La porosidad también se obtuvo utilizando el microscopio electrónico de barrido (MEB), logrando las micrografías. A cada micrografía se le marcan los contornos de los poros y se les lee sus áreas. El área de los poros AP se relaciona con el área total de la foto AF (largo x ancho).

%

P

AP

100%

AF

⎛

⎞

=

_⎜

_⎟

×

⎝

⎠

(5) 4. RESULTADOS Y ANÁLISIS 4.1 Muestras de Estudio.

Se tomaron cinco (5) muestras representativas de coque de las empresas Colcarbón, Inverminsa y Acerías Paz del Río, como se muestra en la tabla 1, a partir de las cuales, se llegó a quince (15) en de diferentes tamaños granulométricos. El tamaño de las muestras granulares utilizadas en el ensayo fueron: > 6.3 mm, 4.75 mm y 0.25 mm (Tabla 2).

Tabla 1. Muestras seleccionadas

Por razones de confidencialidad de ahora en adelante no se identificaran los orígenes de los carbones y se mencionarán como M1, M2, M3, M4 y

M5, en orden aleatorio, como se registran en la

siguiente tabla:

Tabla 2. Muestras utilizadas en los análisis de

permeabilidad Muestra >6.3mm 4.75mm 0.25m m M1 M11 M12 M13 M2 M21 M22 M23 M3 M31 M32 M33 M4 M41 M42 M43 M5 M51 M52 M53

Las muestras y las granulometrías se representan por la matriz Mxy, donde los subíndices:

x: Son el tipo de coque

y: Representa el tamaño de grano

4.2 Análisis inmediatos.

En la tabla 3 se presentan los resultados del análisis inmediato de los coques estudiados: humedad (Hd), cenizas (Cz), materias volátiles (M.V.) y carbono fijo (Cf).

Tabla 3. Análisis inmediatos de los coques

MUESTRA Hd % Cz % M.V. % Cf % M1 2.13 10.18 1.075 86.615 M2 2.295 10.68 0.83 86.195 M3 2.55 10.76 1.21 85.48 M4 2.296 14.56 1.045 82.099 M5 2.26 12.41 1.57 83.76

Los contenidos de humedad fluctuaron entre (2.13 - 2.55%), siendo mayor para M3 y de menor valor

para M1, las cenizas variaron entre los (10.18 -

14.56 %), siendo de menor valor para M1, las

materias volátiles están entre los (0.83 - 1.21%) y el carbono fijo varia entre (86.615 - 82.099 %). La calidad del coque exigida por la industria siderúrgica es Humedad 2.0 - 3.0%, Ceniza 11.0 - 12.5%. Las muestras que están dentro del parámetro de calidad son M1, M2 y M3, de éstas la muestra con

mayor porcentaje en carbono fijo es M1. 4.3 Densidad y porosidad.

A las cinco (5) muestras M1, M2, M3, M4 y M5 se le

realizaron pruebas de densidad aparente y densidad real, por triplicado, determinando los valores mediante promedios (norma ISO). La porosidad también se determinó por análisis de imagen de las micrografías obtenidas en el MEB (Figuras 1y 2) para determinar la porosidad.

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Gonzalez et al.

Micrografía de M3 y Micrografía de M4

Micrografía de M5

Figura 3. Micrografías de las muestras M3, M4 y

M5.

Los resultados se muestran en la tabla 4.

Tabla 4. Resultados de densidad, porosidad y

permeabilidad. Mxy Da (g/cm3) Dr (g/cm3) %P (ISO) %P (MEB) K (m/s) M11 M12 M13 0.9242 1.98 53.32 54 3.567 3.545 3.516 M21 M22 M23 0.89 1.62 45.06 46.1 3.564 3.543 3.513 M31 M32 M33 0.75 1.29 41.86 43.2 3.5632 3.5416 3.508 M41 M42 M43 0.73 1.15 36.52 40.8 3.5628 3.5407 3.5054 M51 M52 M53 0.71 0.906 21.63 21.93 3.5616 3.538 3.5028

De acuerdo a los datos obtenidos se puede ver que los valores de densidad aparente aumentan a medida que se incrementa el porcentaje de porosidad, por tanto con la mayor porosidad el volumen aparente del coque se incrementa y por ende la densidad aparente.

En la tabla 4 se aprecia que, el coque M5 es el de

menor densidad aparente y porosidad, mientras que M1 tiene la mayor densidad aparente y porosidad.

Se puede observar que los valores de porosidad con las micrografías presentan valores entre (54 – 21.93%) y los porcentajes de porosidad por la NORMA ISO 1014 nos da los valores entre (52.83-21.63%), donde se puede observar que los cuatro primeros coques tienen valores cercanos y con el valor más bajo y lejano M5. Por lo tanto, se puede

notar que los dos métodos para determinar la porosidad nos da valores distintos con la misma tendencia.

Para muestras de diferente coque con igual granulometría, la permeabilidad aumenta con la porosidad, lo cual indica que los fluidos no sólo pasan alrededor de las partículas sino a través de las mismas, lo cual quiere decir que la permeabilidad trasgranular es mayor que la permeabilidad intragranular.

4.4 Permeabilidad.

A las cinco (5) muestras, en sus tres granulometrías, se les hizo permeabilidad al agua obteniendo los resultados que se muestra en la tabla 4.

Al elegir un mismo coque por ejemplo M1 que posee

porosidad (54% en el MEB y 53.32% por norma ISO), para diferentes granulometrías, iniciando con M11 con el mayor tamaño de grano (>6.3 mm)

presenta la mayor permeabilidad con 3.567 m/s, continúa M12; mientras que M13 es la de menor

permeabilidad cuyo valor es de 3.516 m/s. (Ver figura 4).

Figura 4. Permeabilidad de M1 al agua a diferente

tamaño de grano

Por lo anterior, se puede deducir que a medida que disminuye el tamaño de grano, disminuye la permeabilidad, es decir, que los aglomerados de coque con mayor tamaño tienen mayores espacios intergranulares y por tanto, mayor permeabilidad al agua que los de menor tamaño.

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Permeabilidad de coques metalúrgicos al agua

Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 307-312 311

De otro lado, los diferentes tipos de coque a la misma granulometría (>6.3 mm) (ver Figuras 5 y 6) presentan valores de permeabilidad que cambia con la porosidad. El especimen M11 muestra el mas alto

valor de la permeabilidad con 3.567 m/s, y el valor más alto de porosidad (54% en el MEB y 53.32% por norma ISO). Le siguen en su orden M21, M31,

M41 y finalmente M51 con la menor permeabilidad

de 3.5616 m/s, con el porcentaje más bajo de porosidad (21.93% en el MEB y 21.63% por norma ISO).

Figuras 5. Permeabilidad de diferentes tipos de coque al

agua a la misma granulometría (>6.3 mm) Vs. la porosidad por (MEB).

Figuras 6. Permeabilidad de diferentes tipos de coque al

agua a la misma granulometría (>6.3 mm) Vs. la porosidad por norma (ISO).

Mostrando que los coques más porosos presentan mayor permeabilidad al agua.

Por tanto, la permeabilidad es mayor trasgranular que intragranular.

5. CONCLUSIONES

La permeabilidad de los coques al agua aumenta a medida que aumenta el tamaño de grano. Explicable porque, a medida que se presenta un incremento del tamaño de grano de cualquiera de los coques, aumenta el espacio intergranular lo que incide en la

permeabilidad.

Para muestras de diferente coque con igual granulometría, la permeabilidad aumenta con la porosidad, lo cual indica que el agua no sólo pasan alrededor de las partículas sino a través de las mismas.

Los coques que poseen mayor porosidad (y también mayor cantidad de poros interconectados), independiente del tamaño del agregado, tienen mayor permeabilidad.

En la permeabilidad de los diferentes tipos de coque, al agua, el paso del fluido alrededor de los granos, es mayor que a través de los poros.

De los resultados obtenidos en las tablas y las gráficas se concluye que la permeabilidad depende del porcentaje de poros y el tamaño de grano del coque. La mayor permeabilidad se logra con muestra de mayor porosidad y mayor tamaño granular.

De acuerdo a los resultados obtenidos, las muestras más porosa y por tanto más permeables en su orden son M1, seguida de M2 luego M3, posteriormente M4

y por último M5.

La permeabilidad es una propiedad del medio poroso, lo cual se observó durante el proceso de medición; cambios tanto en la sección transversal como en la presión de entrada o la longitud de la muestra, produce un re-acomodamiento de la presión de salida y del caudal, de manera que la permeabilidad permanece inalterada.

Los resultados de permeabilidad del coque al agua obtenidos, en el presente informe, se pueden aplicar en los filtros de agua que utilizan coque, cuando se colocan varias capas a diferentes granulometrías, desde el mayor tamaño de grano hasta la más fina, con el objeto de tamizar eficazmente las partículas en suspensión.

5. SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES

Como, durante el proceso de trituración se generan finos de coque, se recomienda que antes de realizar los ensayos de permeabilidad, lavar con agua las muestra para que los finos no obstruyan el paso de los fluidos.

Durante el ensayo de permeabilidad, se recomienda colocar papel filtro del diámetro del cilindro en las bases, con el fin de evitar taponamiento en las tuberías con finos de coque.

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Gonzalez et al.

6. AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen la colaboración en el desarrollo de este trabajo a: Las empresas ACERÍAS PAZ DEL RÍO, COLCARBÓN e INVERMINSA, Msc. María del Pilar Triviño Restrepo, Ing. Juan Santos Cuevas Soto.

7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[2] Becerra Sarmiento, Jorge Enrique. Estudio De Las Propiedades Del Coque Obtenido A Partir De Brea De Hulla Y Brea De Petróleo. Tunja, 2006. 50p. Trabajo de grado (Ingeniera Metalúrgica).Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Facultad de Ingeniería Metalúrgica.

[4] IV Congreso Nacional y II Internacional de Ciencia y la Tecnología. Memorias. Mayo 19-22 de 1998. Paipa Boyacá. Pág. 435-442, 442-461, 521-525