Los procesos químicos que se desarrollan durante la cocción se determinan en diversos grados por el aporte de calor generado por la combustión, transferencia de calor del horno al material de cocción y el transporte de gas y la materia. La descomposición hacia la cal viva es un proceso fuertemente endotérmico, es decir, requiere una cantidad considerable de energía térmica con el aumento de la temperatura en el material de cocción, y consta de una serie de procesos físicos y químicos, sobre todo interconectados entre sí. En la combustión, el carbonato de calcio se disocia en óxido de calcio y dióxido de carbono, como ya se ha comentado anteriormente, dando lugar a una liberación de anhídrido carbónico en un 44% en peso, con respecto al carbonato de calcio de origen. Esta liberación forma teóricamente una porosidad del 52% aproximadamente respecto al volumen de piedra caliza de base. A partir del estudio termodinámico de la reacción de disociación térmica del carbonato de calcio, se deduce que la temperatura teórica de la disociación de la calcita es de 896ºC a una presión de 1atm.

 

En la práctica industrial se opera a presión atmosférica, para evitar dificultades constructivas y de funcionamiento de los hornos. El material a cocer es atravesado por una corriente gaseosa constituida por los gases de combustión, que se utilizan para recalentar del material. Estos gases contienen dióxido de carbono en un porcentaje de alrededor del 30% en volumen y por lo tanto unas 0,3 atm de presión, que corresponden a una temperatura teórica de aproximadamente 820 º C. Debido al efecto de la corriente gaseosa que exporta continuamente el dióxido de carbono, la descomposición de la caliza puede efectuarse a dicha temperatura. En la práctica, sin embargo, se opera a una temperatura más alta, por lo general entre 850 y 1150 º C, para aumentar la velocidad de descarbonatación, reduciéndose así el tiempo de residencia en el horno.

En cuanto al aspecto cinético de la calcinación de la cal, puede observarse que el curso de la reacción de disociación del carbonato de calcio se produce en un frente de descomposición dentro del cual se encuentra el núcleo sin disociar de carbonato de calcio. Esquemáticamente un pedazo de piedra caliza se puede representar como una esfera: durante la cocción el calor se trasmite del ambiente del horno a la superficie externa de la esfera y esto se va extendiendo hacia el interior.

Al mismo tiempo, el frente de descomposición se desplaza de la superficie externa de la esfera hacia el centro de la misma a una cierta velocidad y el dióxido de carbono es liberado al medio ambiente, a través de los huecos que ha creado. La transformación del carbonato en óxido de calcio se desarrolla a través de las siguientes cinco etapas, tal y como muestra la siguiente figura, donde pdo es el diámetro inicial, y la diferencia de éste con el diámetro del núcleo aún sin reaccionar o pdf supone el grueso de cal calcinada (Rattazzi, 2007).


1. La transmisión del calor del ambiente hacia la superficie de la partícula, sobre todo por convección.
2. Conducción del calor a través de la capa ya disociada (CaO) a la zona de la reacción.
3. Reacción química en la zona de reacción, con la cantidad de consumo y el calor resultante se desarrolla el dióxido de carbono, así como la formación, crecimiento y recristalización del óxido de calcio.
4. La difusión de dióxido de carbono a través de la capa porosa de óxido de calcio a la superficie externa de las partículas.
5. El transporte de la materia (CO2) de la superficie externa de las partículas al ambiente.

La velocidad global del proceso depende de la de cada una de estas etapas, y los principales factores que influyen son:

- Temperatura alcanzada por la piedra caliza
- El tamaño y la forma de la piedra caliza
- La densidad de la piedra caliza
- El coeficiente de transmisión de calor de la piedra caliza
- El coeficiente de conductividad térmica de la cal viva
- La presión parcial, ya sea de equilibrio o actual, del dióxido de carbono
- La densidad del gas del horno
- La proporción de carbonato de calcio en el material calcinado

No obstante, como ya se ha comentado anteriormente, la piedra caliza no suele encontrarse de forma pura en la naturaleza, y lo más habitual es encontrarla combinada con carbonato de magnesio, también denominada dolomía.
Del estudio termodinámico del carbonato de magnesio al producirse la reacción térmica se puede deducir que la temperatura a la que la presión parcial de dióxido de carbono alcanza el valor de equilibrio con 1atm es 623K, es decir 350 º C. Para el carbonato de calcio y magnesio que encontramos habitualmente en la naturaleza, la temperatura teórica en equilibrio termodinámico en la cual la presión parcial de dióxido de carbono alcanza 1atm es alrededor de 730 º C, y el material resultante tiene una porosidad teórica del 56%.  

 

Bibliografía: (Rattazzi, 2007)

 

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