PERMEABILIDAD DE COQUES METALÚRGICOS AL AGUA Luz

Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (1): 307-312
PERMEABILIDAD DE COQUES METALÚRGICOS AL AGUA
Luz Mary Rodríguez Cuevas1, Eidelman González López1*
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.
0255-6952 ©2009 Universidad Simón Bolívar (Venezuela)
305
Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (1): 307-312
PERMEABILIDAD DE COQUES METALÚRGICOS AL AGUA
Luz Mary Rodríguez Cuevas1, Eidelman González López1*
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.
0255-6952 ©2009 Universidad Simón Bolívar (Venezuela)
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):
Q = KAi
(1)
307
Gonzalez et al.
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
DP
(2)
r gD h
Dh
= KA
r gL
L
(3)
Q = KAi = KA
Q = KA
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.
Figura 1. Permeámetro a carga constante
Donde, i =
Dh
: Es el gradiente hidráulico para el
L
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.
308
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].
⎛ ⎡D ⎤⎞
%P = ⎜⎜1 − ⎢ a ⎥ ⎟⎟ ×100%
⎝ ⎣ Dr ⎦ ⎠
(4)
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Permeabilidad de coques metalúrgicos al agua
Donde,
x: Son el tipo de coque
Da: Densidad aparente
y: Representa el tamaño de grano
Dr: Densidad real
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).
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).
⎛ AP ⎞
%P = ⎜
⎟ ×100%
⎝ AF ⎠
4.
(5)
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 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
Tabla 1. Muestras seleccionadas
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.
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:
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.
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
Figura 2 . Micrografía de M1 y Micrografía de M2
Las muestras y las granulometrías se representan por
la matriz Mxy, donde los subíndices:
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Gonzalez et al.
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 (52.8321.63%), 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.
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,
permeabilidad.
Mxy
M11
M12
M13
porosidad y
Da
(g/cm3)
Dr
(g/cm3)
%P
(ISO)
%P
(MEB)
K
(m/s)
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.
310
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
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).
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.
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
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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.
311
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
[1] Braja M, Das. Soil Mechanics Laboratory
Manual. Copyright 1998.Fifth Edition. Austin
Texas. 57-80 p.
[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.
[3] Loison, Roger. El coque. Principios de la
Fabricación y Relación con la Calidad. Centre
D`Etudes et Recherches de charbonnages de
france. Copyright 1970. Editions Donud,
Paris. Pág. 61-82.
[4] IV Congreso Nacional y II Internacional de
Ciencia y la Tecnología. Memorias. Mayo 1922 de 1998. Paipa Boyacá. Pág. 435-442, 442461, 521-525
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