Prediction of the clinker industrial composition using minimization of
                  Gibbs free energy

Souza, H. M.; Soares Jr, A. P.; Costa Jr, E. F.; Costa, A. O. S.

doi:10.1590/0366-69132015613571845

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Articles • Cerâmica 61 (357) • Jan-Mar 2015 • https://doi.org/10.1590/0366-69132015613571845 copy

Prediction of the clinker industrial composition using minimization of Gibbs free energy

Authorship SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

The existence of industrial chemical processes, with different phases in the reaction system, and the need to know the composition of these system is a challenge commonly faced by industry professionals. Thus, consideration of the chemical equilibrium is usually adopted. One of the main steps of the cement production is the clinker production in the rotary kiln. In this study, it has been proposed the use of the minimization of Gibbs free energy to describe the clinker production process. The fuel considered is the coal. The major objective of this study is to obtain a computational routine that simulates the condition of thermodynamic equilibrium of the system, composed by different phases. For this, a nonlinear constrained optimization problem is solved.

Gibbs free energy minimization; rotary kiln; clinker production

Authorship

H. M. Souza

Curso de Engenharia Química, Universidade Federal do Espírito Santo - UFES, homerominine@gmail.com Universidade Federal do Espírito SantoBrazilBrazilCurso de Engenharia Química, Universidade Federal do Espírito Santo - UFES, homerominine@gmail.com

A. P. Soares Jr

Fábrica de Cimento Nassau, Cachoeiro de Itapemirim, ES, atiliopeixoto@hotmail.com Fábrica de Cimento NassauBrazilCachoeiro de Itapemirim, ES, BrazilFábrica de Cimento Nassau, Cachoeiro de Itapemirim, ES, atiliopeixoto@hotmail.com

E. F. Costa Jr

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Universidade Federal do Espírito Santo - UFES, eslyfcjr@yahoo.com.br, andreaosc@yahoo.com.br Universidade Federal do Espírito SantoBrazilBrazilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química, Universidade Federal do Espírito Santo - UFES, eslyfcjr@yahoo.com.br, andreaosc@yahoo.com.br

A. O. S. Costa

SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

Figures | Tables | Formulas

Figures (3)
Tables (8)
Formulas (5)

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Figura 1/ Figure 1
Representação esquemática do processo de produção de cimento⁽⁵⁾5 M. L. G. Renó, "Uso de Técnicas de Otimização Robusta Multi-Objetivos na Produção de Cimento", Diss. Mestrado Eng. Mec. - Programa de Pós-Graduação, Univ. Fed. Itajubá, Itajubá, MG (2007).. Schematic representation of the cement production process⁽⁵⁾5 M. L. G. Renó, "Uso de Técnicas de Otimização Robusta Multi-Objetivos na Produção de Cimento", Diss. Mestrado Eng. Mec. - Programa de Pós-Graduação, Univ. Fed. Itajubá, Itajubá, MG (2007)..

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Figura 2/ Figure 2
Representação esquemática do algoritmo usado para descrever a composição do sistema. Schematic representation of algorithm used to describe the composition of the system.

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Figura 3/ Figure 3
Composição calculada do clínquer, C, para diferentes temperaturas do meio reacional (T). Calculated clinker composition, C, to different temperatures of reaction system (T).

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Tabela I/ Table I
Fenômenos envolvidos no processo de produção do clínquer: reações químicas e calores de reação⁽⁹⁾9 L. G. Paula, "Análise Termoeconômica do Processo de Produção de Cimento Portland com co-processamento de Misturas de Resíduos", Diss. Mestrado Eng. Mecânica - Inst. Eng. Mecânica, Univ. Fed. Itajubá, Itajubá, MG (2009)., ⁽¹⁰⁾10 J. M. Smith, H. C. Van Ness, M. M. Abbott, Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química, 5ª Ed., Editora LTC, Rio de Janeiro, RJ (2007).. Phenomena involved in the clinker production: chemical reactions and heats of reaction⁽⁹⁾9 L. G. Paula, "Análise Termoeconômica do Processo de Produção de Cimento Portland com co-processamento de Misturas de Resíduos", Diss. Mestrado Eng. Mecânica - Inst. Eng. Mecânica, Univ. Fed. Itajubá, Itajubá, MG (2009)., ⁽¹⁰⁾10 J. M. Smith, H. C. Van Ness, M. M. Abbott, Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química, 5ª Ed., Editora LTC, Rio de Janeiro, RJ (2007)..

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Tabela II/ Table II
Temperatura das reações de produção de clinquer⁽⁹⁾9 L. G. Paula, "Análise Termoeconômica do Processo de Produção de Cimento Portland com co-processamento de Misturas de Resíduos", Diss. Mestrado Eng. Mecânica - Inst. Eng. Mecânica, Univ. Fed. Itajubá, Itajubá, MG (2009)., ⁽¹¹⁾11 R. H. Perry, D. W. Green, Perry's Chemical Engineer's Handbook, Xª Ed., Edit. McGraw-Hill, New York, EUA (2008).. Temperature of the clinker reactions production⁽⁹⁾9 L. G. Paula, "Análise Termoeconômica do Processo de Produção de Cimento Portland com co-processamento de Misturas de Resíduos", Diss. Mestrado Eng. Mecânica - Inst. Eng. Mecânica, Univ. Fed. Itajubá, Itajubá, MG (2009)., ⁽¹¹⁾11 R. H. Perry, D. W. Green, Perry's Chemical Engineer's Handbook, Xª Ed., Edit. McGraw-Hill, New York, EUA (2008)..

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Tabela III/ Table III
Composição do clínquer fornecida por uma planta industrial em operação. Clinker composition provided by an industrial plant in operation.

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Tabela IV/ Table IV
Dados de entrada (valores adotados em uma planta industrial). Input data (values adopted at an industrial plant).

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Tabela V/ Table V
Espécies químicas consideradas. Chemical species considered.

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Tabela VI/ Table VI
Composição química (mol/mol) calculada (31 variáveis), considerando temperatura fixa igual a 1529 K. Chemical composition (mol/mol) calculated (31 variables), considering fixed temperature of 1529 K.

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Tabela VII/ Table VII
Composição do clínquer calculada. Clinker composition calculated.

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Tabela VIII/ Table VIII
Composição química calculada (continuação). Chemical composition calculated (continuation).

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Figura 1/ Figure 1 Representação esquemática do processo de produção de cimento⁽⁵⁾5 M. L. G. Renó, "Uso de Técnicas de Otimização Robusta Multi-Objetivos na Produção de Cimento", Diss. Mestrado Eng. Mec. - Programa de Pós-Graduação, Univ. Fed. Itajubá, Itajubá, MG (2007).. Schematic representation of the cement production process⁽⁵⁾5 M. L. G. Renó, "Uso de Técnicas de Otimização Robusta Multi-Objetivos na Produção de Cimento", Diss. Mestrado Eng. Mec. - Programa de Pós-Graduação, Univ. Fed. Itajubá, Itajubá, MG (2007)..

Figura 2/ Figure 2 Representação esquemática do algoritmo usado para descrever a composição do sistema. Schematic representation of algorithm used to describe the composition of the system.

Figura 3/ Figure 3 Composição calculada do clínquer, C, para diferentes temperaturas do meio reacional (T). Calculated clinker composition, C, to different temperatures of reaction system (T).

Tabela I/ Table I Fenômenos envolvidos no processo de produção do clínquer: reações químicas e calores de reação⁽⁹⁾9 L. G. Paula, "Análise Termoeconômica do Processo de Produção de Cimento Portland com co-processamento de Misturas de Resíduos", Diss. Mestrado Eng. Mecânica - Inst. Eng. Mecânica, Univ. Fed. Itajubá, Itajubá, MG (2009)., ⁽¹⁰⁾10 J. M. Smith, H. C. Van Ness, M. M. Abbott, Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química, 5ª Ed., Editora LTC, Rio de Janeiro, RJ (2007).. Phenomena involved in the clinker production: chemical reactions and heats of reaction⁽⁹⁾9 L. G. Paula, "Análise Termoeconômica do Processo de Produção de Cimento Portland com co-processamento de Misturas de Resíduos", Diss. Mestrado Eng. Mecânica - Inst. Eng. Mecânica, Univ. Fed. Itajubá, Itajubá, MG (2009)., ⁽¹⁰⁾10 J. M. Smith, H. C. Van Ness, M. M. Abbott, Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química, 5ª Ed., Editora LTC, Rio de Janeiro, RJ (2007)..

Etapa do Processo	Reações Envolvidas	Calores de Reação
Evaporação da água livre residual e da água de combinação das argilas.	H₂O(l) →H₂O(v)	+2443 kJ/kg (a 25 oC)
Decomposição do carbonato de magnésio	MgCO₃(s) → MgO(s) + CO₂(g)	+1188 kJ/kg (a 20 oC)
Descarbonatação	CaCO₃(s) ↔ CaO(s) + CO₂(g)	+1766 kJ/kg (a 20 oC)
Formação da fase líquida	3CaO(s)+Al₂O₃(s) → 3CaO.Al₂O₃(l)	-15 kJ/kg (a 20 oC)
Formação do Silicato Dicálcico	2CaO(s)+SiO₂(s) →2CaO.SiO₂(s)	-717 kJ/kg (a 20 oC)
Formação do Silicato Tricálcico	3CaO(s)+SiO₂(s) → 3CaO.SiO₂(s)	-528 kJ/kg (a 20 oC)

Tabela II/ Table II Temperatura das reações de produção de clinquer⁽⁹⁾9 L. G. Paula, "Análise Termoeconômica do Processo de Produção de Cimento Portland com co-processamento de Misturas de Resíduos", Diss. Mestrado Eng. Mecânica - Inst. Eng. Mecânica, Univ. Fed. Itajubá, Itajubá, MG (2009)., ⁽¹¹⁾11 R. H. Perry, D. W. Green, Perry's Chemical Engineer's Handbook, Xª Ed., Edit. McGraw-Hill, New York, EUA (2008).. Temperature of the clinker reactions production⁽⁹⁾9 L. G. Paula, "Análise Termoeconômica do Processo de Produção de Cimento Portland com co-processamento de Misturas de Resíduos", Diss. Mestrado Eng. Mecânica - Inst. Eng. Mecânica, Univ. Fed. Itajubá, Itajubá, MG (2009)., ⁽¹¹⁾11 R. H. Perry, D. W. Green, Perry's Chemical Engineer's Handbook, Xª Ed., Edit. McGraw-Hill, New York, EUA (2008)..

Acima de 1073 K (800 °C)	Início do processo de fabricação de CaO
Entre de 1073 K (800 °C) e 1473 K (1200 °C)	Formação do C₂S (2CaOSiO₂)
Entre 1368 K (1095 °C) e 1478K (1205 °C)	Formação do C₃A (3CaOAl₂O₃) e C₄AF (4CaOAl₂O₃Fe₂O₃)
Entre 1533 K (1260 °C) e 1728 K (1455 °C)	Formação do C₃S a partir do C₂S com quase extinção da cal livre (CaO)
Entre 1728 K (1455 °C) e 1573 K (1300 °C)	Cristalização da fase líquida do C₃A e do C₄AF.

Tabela III/ Table III Composição do clínquer fornecida por uma planta industrial em operação. Clinker composition provided by an industrial plant in operation.

Espécie Química	Composição do clínquer (mol/mol)
2CaO.SiO₂	0,2215
3CaO.SiO₂	0,5600
CaO.Al₂O₃	0,0848
12CaO.7Al₂O₃	0,0087
3CaO.Al₂O₃	0,0816
4CaO.Al₂O₃.Fe₂O₃	0,0433
Total	0,9999

Tabela IV/ Table IV Dados de entrada (valores adotados em uma planta industrial). Input data (values adopted at an industrial plant).

Vazão de alimentação da matéria prima	83,34 t.h^-1
Vazão de alimentação de combustível (carvão mineral)	7,09 t.h^-1
Temperatura do sistema	1256 °C (1529 K)
Pressão do sistema	1 atm
Umidade do ar	78,6%
Composição atômica da matéria prima (mol/mol)	2,18% Al; 0,76% Mg; 23,8% Ca; 1,06% Fe; 13,97% Si; 7,5% C; 0,27% H e 50,46% O
Composição do ar (mol/mol)	21% O₂ e 79% N₂

Tabela V/ Table V Espécies químicas consideradas. Chemical species considered.

Al₂O₃, MgCO₃, Fe₂O₃, CaCO₃, SiO₂, C, 2CaO.SiO₂ (C₂S), 3CaO.SiO₂ (C₃S), CaO.Al₂O₃ (CA), 12CaO.7Al₂O₃ (C₁₂A₇), 3CaO.Al₂O₃ (C₃A), 4CaO.Al₂O₃.Fe₂O₃ (C₄AF), O₂, N₂, CO, CO₂, CH₄, H₂ e H₂O

Tabela VI/ Table VI Composição química (mol/mol) calculada (31 variáveis), considerando temperatura fixa igual a 1529 K. Chemical composition (mol/mol) calculated (31 variables), considering fixed temperature of 1529 K.

	Fase sólida			Fase líquida			Fase gasosa
Al₂O₃		0,0178	Al₂O₃		0,0027	O₂		0,1299
MgCO₃		0,0014	MgCO₃		0,0523	N₂		0,2688
Fe₂O₃		0,0114	Fe₂O₃		0,0006	H₂		0,0292
CaCO₃		0,3722	CaCO₃		0,0874	CO₂		0,0055
SiO₂		0,0023	SiO₂		0,7136	CO		0,1615
C		0,5493	C₂S		0,0459	CH₄		0,0362
C₂S		0,0004	C₃S		0,0645	H₂O		0,3689
C₃S		0,0374	CA		0,0143
CA		0,0047	C₁₂A₇		0,0006
C₁₂A₇		0,0003	C₃A		0,0164
C₃A		0,0008	C₄A₇		0,0004
C₄A₇		0,0020	H₂O		0,0013
Total		1,0000	Total		1,0000	Total		1,0000

Tabela VII/ Table VII Composição do clínquer calculada. Clinker composition calculated.

Espécie química	Composição fornecida pelo modelo (mol/mol)
2CaO.SiO₂	0,2367
3CaO.SiO₂	0,5545
CaO.Al₂O₃	0,1012
12CaO.7Al₂O₃	0,0053
3CaO.Al₂O₃	0,0885
4CaO.Al₂O₃.Fe₂O₃	0,0138
Total	1,0000

Tabela VIII/ Table VIII Composição química calculada (continuação). Chemical composition calculated (continuation).

Espécie	Composição química (mol/mol)
Al₂O₃	0,0032
MgCO₃	0,0073
Fe₂O₃	0,0019
CaCO₃	0,0708
SiO₂	0,0963
C	0,0871
H₂O	0,2707
O₂	0,0952
N₂	0,1971
H₂	0,0214
CO₂	0,0040
CO	0,1184
CH₄	0,0265
Total	0,9999

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