Perfeccionamiento del secado neumático vortiginoso del bagazo de la caña de azúcar.
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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE MECÁNICA INGENIERIA MECÁNICA TEMA: Perfeccionamiento del secado neumático vortiginoso del bagazo de la caña de azúcar. TRABAJO PRESENTADO PARA: Metodología De La Investigación Científica AUTOR: Daniel Orozco PROFESOR: Dr. Julio Pérez Guerrero FECHA Y LUGAR: Riobamba, 24 de enero de 2015
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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE
CHIMBORAZO
FACULTAD DE MECÁNICA
INGENIERIA MECÁNICA
TEMA: Perfeccionamiento del secado neumático
vortiginoso del bagazo de la caña de azúcar.
TRABAJO PRESENTADO PARA: Metodología De La
Investigación Científica
AUTOR: Daniel Orozco
PROFESOR: Dr. Julio Pérez Guerrero
FECHA Y LUGAR: Riobamba, 24 de enero de 2015
1
Contenido
RESUMEN ...................................................................................................................... 3
CAPÍTULO 1: DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ................................................... 4
FUNDAMENTACIÓN:................................................................................................ 4
PROBLEMA: ............................................................................................................... 6
OBJETO:...................................................................................................................... 6
OBJETIVO:.................................................................................................................. 6
CAMPO: ....................................................................................................................... 6
HIPÓTESIS: ................................................................................................................ 6
CAPÍTULO 2: ESTUDIO DEL ESTADO DEL ARTE .............................................. 7
Secado neumático vortiginoso ................................................................................. 7
Ecuación de la transferencia de masa.................................................................... 7
ECUACIÓN DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR PARA EL MATERIAL ..... 8
Ecuación de la transferencia de calor para los gases.......................................... 8
Ecuación de conservación de la masa ................................................................... 8
Coeficiente de transferencia de calor ..................................................................... 8
Coeficiente de transferencia de masa .................................................................. 10
Fuerzas en el movimiento ....................................................................................... 11
EXPERIENCIAS ....................................................................................................... 17
CAPÍTULO 3: ESTUDIO TEÓRICO DEL SISTEMA DE SECADO APLICANDO
EL MOVIMIENTO VORTICIAL .................................................................................. 21
INTRODUCCIÓN...................................................................................................... 21
FUNDAMENTACIÓN DE LA SOLUCIÓN ............................................................ 22
SÍNTESIS DEL MODELO ....................................................................................... 22
CONCEPTUALIZACIÓN DEL MODELO.............................................................. 24
¿Cuál es el propósito del secado?..................................................................... 24
¿Dónde queda el límite del sistema? ................................................................ 24
2
¿Cuál es el contorno de la máquina?................................................................ 24
¿Cuáles son los componentes principales? ..................................................... 24
¿Cuáles son las interacciones principales? ..................................................... 24
¿Cuáles son los recursos principales?.............................................................. 24
¿Cuáles son los ingresos o insumos principales? .......................................... 24
¿Cuáles son los egresos o salidas principales?.............................................. 24
CONCLUSIONES DEL CAPITULO....................................................................... 25
CAPÍTULO 4: DISEÑO DE EXPERIMENTO .......................................................... 26
Problema: .................................................................................................................. 26
Objeto:........................................................................................................................ 26
Objetivo: ..................................................................................................................... 26
Campo:....................................................................................................................... 26
Hipótesis: ................................................................................................................... 26
Resultados a obtener............................................................................................... 26
Variable respuesta: .................................................................................................. 26
Diagrama de procesos ......................................................................................... 27
Material experimental, los métodos y los instrumentos de medición ............ 28
Matriz Del Experimento: Factores, Niveles Y Tratamientos.............................. 29
CONCLUSIONES ........................................................................................................ 30
BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................. 31
ANEXOS........................................................................................................................ 33
3
RESUMEN
El presente trabajo tiene como objetivo, reducir el porcentaje de humedad del
bagazo al 12% de humedad. En él se hace un profundo estudio del estado del
arte de este fenómeno profundizándose en el tema de la aplicación del
movimiento vorticial para el secado.
Se analizan las particularidades de este proceso en el mundo, en Ecuador y en
la provincia del Guayas, concluyéndose que el secado que se realiza para secar
el bagazo no es lo suficientemente efectivo por lo que el rendimiento de la
caldera resulta inferior. Para solucionar el problema planteado se propone aplicar
el movimiento vorticial al sistema de secado.
La modelación del secado se realizó teniendo en cuenta las ecuaciones
empleadas en el modelo elaborado anteriormente para describir los fenómenos
de transferencia de la cantidad de movimiento y que sirvieron de base para el
estudio del efecto de la espiral normal en el movimiento vortiginoso de partículas
de bagazo.
El bagazo ha sido utilizado históricamente como combustible en la industria
azucarera, y aun cuando su valor calórico es relativamente bajo (1 850 kCal/kg),
al ser comparado con otros combustibles fósiles tradicionales, no hay duda de
que constituye un valioso potencial energético, sobre todo, para aquellos países
que no tienen disponibilidades significativas de combustible, y a la vez son
grandes productores de azúcar de caña
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CAPÍTULO 1: DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
FUNDAMENTACIÓN:
La necesidad de secar el bagazo está dada con vistas a su ahorro, para mejorar
sus características como materia prima y para su almacenamiento, ya que el
mismo tiene utilidad para una amplia gama de procesos, que van desde la
industria de derivados, hasta la generación de electricidad.
En la combustión del bagazo con mayor contenido de humedad y cenizas, se
incrementan las pérdidas y por consiguiente el rendimiento de la caldera resulta
inferior.
Considerando el azúcar como el principal producto de una fábrica de azúcar de
caña se puede decir que esta industria genera otros subproductos, los cuales no
son menos importantes. Algunos de ellos se originan durante la cosecha, como
el cogollo y la paja y otros se obtienen en el proceso industrial, entre los cuales
se encuentran principalmente el bagazo, las mieles finales y la cachaza. Entre
ellos, el de mayor volumen y que tiene un uso inmediato en la propia fábrica es
el bagazo, el cual puede alcanzar entre un 26 % a un 29 % del peso de la caña
molida. Este bagazo está constituido por agua, sólidos particulados y cantidades
más pequeñas de sólidos solubles. Los valores más representativos son los
siguientes: Humedad: 46-52 %; sólidos particulados: 40-46 %; y sólidos solubles:
6-8 %.
Se puede afirmar que desde el punto de vista físico se distinguen dos
características muy importantes en el bagazo: el alto contenido de humedad y la
gran variedad de tamaños de partículas de diferente naturaleza física. Por lo
tanto se requiere de una adecuada preparación y manipulación del mismo si se
quiere hacer un uso adecuado y eficiente en las múltiples aplicaciones que tiene,
tanto para su uso industrial como materia prima, así como también para su
empleo como recurso energético en general. Una de las variantes factibles es la
de conseguir un material más homogéneo y seco lo cual es posible mediante el
estudio y aplicación de los procesos simultáneos de clasificación y secado
neumáticos, habiéndose obtenido resultados concretos por el autor en el caso
de la combustión del bagazo.
5
El bagazo es cada día mejor aprovechado para la generación de electricidad en
las mismas centrales azucareras, además siempre tendrá un valor de uso mucho
mayor como combustible directo en la generación de energía eléctrica y térmica,
que como materia prima para la producción de etanol mediante su hidrólisis. Con
ello se logra vender excedentes de electricidad a la red nacional, a partir de
esquemas eficientes de producción de azúcar que aportan el bagazo sobrante
necesario, y de eficientes esquemas de cogeneración que deberán concluir con
la gasificación del bagazo y la generación en ciclos combinados. Además, se
podrán obtener ganancias por la venta de créditos de carbono por la reducción
en la emisión de gases contaminantes y de efecto invernadero.
El bagazo ha sido utilizado históricamente como combustible en la industria
azucarera, y aun cuando su valor calórico es relativamente bajo (1 850 kCal/kg),
al ser comparado con otros combustibles fósiles tradicionales, no hay duda de
que constituye un valioso potencial energético, sobre todo, para aquellos países
que no tienen disponibilidades significativas de combustible, y a la vez son
grandes productores de azúcar de caña
En la actualidad se buscan esquemas energéticos y de procesos que aseguren
la mayor cantidad de bagazo sobrante para la producción de derivados y, sobre
todo, en los últimos años, para generar electricidad, que se aporta (se vende) a
la red, sustituyendo fuel-oil y asegurando la venta de créditos de carbono con un
material renovable en cada zafra.
Los productores de azúcar deben buscar nuevas oportunidades de crear fuentes
adicionales de ingreso. Una de estas alternativas es aumentar la eficiencia de
las calderas para elevar al máximo el excedente del bagazo, el cual pudiera
usarse para generar ingresos adicionales.
En los últimos años el proceso de secado se viene realizando preferentemente
por métodos convectivos como es el caso del secado neumático y el secado
fluidizado entre otros.
Secadores neumáticos debido a que estos equipos se caracterizan por sus bajos
gastos energéticos además de la sencillez en la construcción y el mantenimiento,
sin embargo muchos de estos sistemas aún presentan determinadas
6
desventajas y dificultades que no han permitido lograr un mayor grado de
aplicación en la industria debido fundamentalmente a sus grandes dimensiones.
PROBLEMA:
No se ha desarrollado un método de secado del bagazo pueda obtener
más del 80 por ciento de secado, reduciendo la humedad del bagazo para
un mejor uso.
La necesidad de reducir las emisiones de gases contaminantes y de
efecto invernadero que afectan el medio ambiente además del
agotamiento inevitable de las reservas por los altos niveles de consumo.
OBJETO:
Secado del bagazo de la caña de azúcar.
OBJETIVO:
Reducir el porcentaje de humedad del bagazo aplicando el movimiento
vorticial, al 12% de humedad en comparación de otros métodos.
CAMPO:
Secado del bagazo de la caña de azúcar por el método del movimiento
vorticial.
HIPÓTESIS:
La aplicación del movimiento vorticial al secado del bagazo de la caña, en
un tiempo adecuado utilizando una velocidad ideal de la velocidad de los
gases con temperatura conveniente mejoró y disminuyó la humedad del
bagazo, mejorando notablemente el rendimiento de la caldera en
comparación a los métodos tradicionales de secado.
7
CAPÍTULO 2: ESTUDIO DEL ESTADO DEL ARTE
Secado neumático vortiginoso
La modelación del secado neumático vortiginoso que tiene en cuenta además de
la transferencia de la cantidad de movimiento, las ecuaciones que describen la
transferencia de calor y de masa durante el proceso de secado de bagazo se
realizó haciendo las consideraciones generales:
-El proceso será considerado a régimen estacionario.
-El proceso transcurre en el 1er período de secado acorde con el mecanismo de
este proceso.
La modelación del secado se realizó teniendo en cuenta las ecuaciones
empleadas en el modelo elaborado anteriormente para describir los fenómenos
de transferencia de la cantidad de movimiento y que sirvieron de base para el
estudio del efecto de la espiral normal en el movimiento vortiginoso de partículas
de bagazo, Bombino et al [2,4].
Ecuación de la transferencia de masa
𝑮𝒎.𝒅𝑼
𝒅𝑳𝒊= −∝𝒎. 𝑺𝑻. (
𝑿𝒔−𝑿𝟏
𝟏 −𝑿𝒔
)
Dónde:
XS- Concentración de vapor en la superficie de la partícula (PS / P).
PS - Presión del vapor en la superficie de la partícula [Pa].
P- Presión de la mezcla [Pa].
X1- Concentración de vapor en la corriente de gases (P1 / P).
P1 - Presión parcial del vapor en los gases [Pa].
m - Masa de partículas (Flujo másico) [kgb/kgf].
dU – Diferencial humedad del material.
8
ECUACIÓN DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR PARA EL MATERIAL
Ecuación de la transferencia de calor para los gases
Ecuación de conservación de la masa
Las ecuaciones (1), (2), (3) y (4) corresponden a los balances de masa y energía
y mediante estas se pudieron determinar parámetros importantes como las
temperaturas del gas (Tg )y del bagazo (Tm) así como la variación de la
temperatura del gas a lo largo de la trayectoria, teniendo en cuenta las
características del bagazo cuando se mueve en forma de capa. Además se
aplicaron los criterios adimensionales correspondientes a la descripción del
proceso de secado neumático del bagazo para determinar los coeficientes de
transferencia de calor y de masa, de la forma siguiente:
Coeficiente de transferencia de calor
Para determinar este coeficiente se consideraron las partículas divididas de dos
formas: Partículas grandes o tipo fibra (mayores o iguales que 10 mm) y
partículas pequeñas o tipo polvo (menores que 10 mm).
Partículas tipo fibra o grandes.
9
En el caso de las partículas de bagazo tipo fibra se decidió adoptar la expresión
(5) recomendada para cilindros lisos infinitos propuesta por Whitaker S. y
empleada por Nebra S.A. [10] para determinar el número o criterio adimensional
de Nusselt a través del cual se puede determinarel calor transferido durante el
secado de bagazo de caña en ciclones separadores debido a que esta ecuación
tiene en cuenta la variación de la viscosidad del gas en la capa límite lo cual es
congruente con el mecanismo de transporte de la humedad durante el 1er
período de secado para estas partículasdel bagazo de la caña de azúcar porque
durante este período la humedad se transporta en el interior del material hasta
la superficie de este y de aquí hacia el medio circundante a través de dicha capa
límite.
Los cuales se determinaron a la temperatura media de la “capa" de partículas
según recomendaciones de Nebra S.A. [10] y se definen:
Número de Reynolds referido a la capa de partículas. Para determinar este
criterio adimensional se tomó como dimensión de referencia el tamaño de las
partículas que componen la capa (dp).
10
λ – Conductividad térmica del gas [J/m·s·K]
En el caso de las partículas tipo polvo se decidió adoptar la expresión
recomendada por Nebra S.A. en su tesis doctoral sobre secado neumático de
bagazo en ciclones separadores.
Donde los números adimensionales tienen el mismo significado que
anteriormente
Coeficiente de transferencia de masa
Se tuvieron en cuenta los criterios adimensionales antes expuestos y para la
transferencia de masa se utilizó la analogía de Chilton-Colburn recomendada por
Nebra S.A. [10] para el secado de bagazo en ciclones, sustituyendo (10) en (5)
y (9).
11
Donde el criterio adimensional de Nusselt de masa (Num) se define por:
Fuerzas en el movimiento
El modelo físico del proceso objeto de estudio, consiste en el movimiento de una
capa de partículas en forma de espiral ascendente por el espacio anular entre
dos cilindros, y su modelación matemática se realizó considerando la
superposición de dos campos de flujo, moviéndose entre dos cilindros
concéntricos como límites de frontera. La superposición de un campo plano
circular horizontal, y otro axial recto vertical, produce la resultante que describe
el movimiento vorticial ascendente en el espacio anular comprendido entre los
cilindros mencionados, según se representa en la figura 1, donde se muestra el
modelo físico con las fuerzas consideradas, que según Bombino, Roca y Lesme
[2003] son:
1. Fuerza de resistencia frontal .
2. Fuerza del peso .
3. Fuerza de empuje .
4. Fuerza de fricción partículas-pared .
5. Fuerza de fricción gas-pared .
6. Fuerza centrífuga .
12
Fig. 1. Modelo físico de las fuerzas consideradas durante el movimientoen
espiral, en el espacio anular entre dos cilindros concéntricos.
La fuerza centrífuga constituye una característica intrínseca de la componente
giratoria del movimiento vorticial, y se encuentra dirigida en la dirección de la
normal N de la tangente a la trayectoria.
En forma escalar se obtiene, para las tres dimensiones del espacio, un sistema
de tres ecuaciones diferenciales de segundo grado y de segundo orden, teniendo
en cuenta las fuerzas consideradas, lo que no tiene solución analítica y se
resuelve mediante la aplicación del método numérico Runge Kutta de cuarto
orden, con el objetivo de simular el proceso de secado neumático vorticial.
Se construyó un modelo en escala de laboratorio para reproducir el proceso,
teniendo en cuenta los criterios de semejanza para apoyar la modelación.
Criterios constructivos de un modelo construido en escala del laboratorio para
generar el movimiento vorticial
Debido a que no se encontraron reportes de equipos similares al propuesto en
este trabajo, para el tratamiento y manipulación del bagazo de la caña de azúcar,
13
se parte de los estudios realizados en los equipos que más se aproximan al
principio de funcionamiento del mismo, que son los hidrociclones y los
gasociclones.
Estudiar en un modelo de laboratorio el movimiento vorticial, para su aplicación
al secado neumático, resulta una necesidad debido a lo complejo que sería
construir una instalación de este tipo, con mayor escala. Por ello, se decidió
construir un modelo de laboratorio en el que se pudiera reproducir el movimiento
en espiral de las partículas de bagazo, para posibilitar su estudio.
El modelo construido se compone de dos cilindros concéntricos, entre los cuales
se produce un flujo anular en forma de vórtice de una mezcla bifásica, debido a
sus características geométricas y de entrada y salida tangenciales al equipo, y a
que el cilindro interior funciona como elemento direccionador del flujo.
Para aplicar la semejanza geométrica, se tiene que garantizar que se mantengan
las relaciones entre las principales dimensiones del equipo, así como las que
definen las condiciones de entrada y salida para cualquier capacidad. Esto se
definió de la forma siguiente:
(LTo / Do) = 3,05; Do = 2Dint; (Do / he) = 1,8; (Do / le) = 5
Donde:
Lto: Altura del equipo.
Do: Diámetro exterior.
he: Altura del orificio de las toberas de entrada y salida.
le: Ancho del orificio de las toberas de entrada y salida.
14
Una condición necesaria para la semejanza dinámica de dos flujos, es la
igualdad del Rey el Eu en los dos flujos, cuando se han utilizado los parámetros
del flujo y las medidas geométricas convenientes, según Shames [1978].
La relación de diámetros se escogió de forma tal que el diámetro exterior (Do)
sea el doble del interior (Dint), lo que garantiza que la relación (Deq/Dint) sea
siempre igual a 1, debido a que, como se demuestra, para el caso de cilindros
concéntricos
Deq = Do –Dint, entonces Deq = Dint; y, por tanto, el Re puede escribirse de la
forma siguiente:
Donde:
(W / ε) – Va: Velocidad de desplazamiento de las partículas.
υ: Viscosidad cinemática del fluido.
dp: Diámetro de las partículas.
ε: Porosidad.
Va: Velocidad de arrastre.
De esta manera, manteniendo la relación de diámetros se garantiza la igualdad
del Re del modelo, con el Re del prototipo, para cualquier dimensión que cumpla
con las relaciones de semejanza geométrica establecidas, para un determinado
diámetro de partículas. Al variar las dimensiones del prototipo, manteniendo la
proporción entre las magnitudes geométricas, así como de entrada y salida, la
diferencia total de presiones en el prototipo ΔPp resultará diferente a la del
modelo ΔPm, y le corresponderá una corriente semejante, que puede
representarse de forma general, según Mijeev [1979], por la ecuación (1):
f (Re, Eu) = 0 (1)
15
Teniendo en cuenta que, partiendo de la semejanza geométrica y la semejanza
cinemática, se puede garantizar la semejanza dinámica.
Según el Tercer Teorema de la Semejanza, las condiciones necesarias y
suficientes para que dos procesos sean semejantes se dan cuando son iguales
los números determinantes de semejanza; de este modo, la condición Rep =
Rem determina la similitud de las corrientes.
La identidad de los números de semejanza a determinar, Eup = Eum, se obtiene
como consecuencia de la semejanza ya establecida.
Así, por ejemplo, en el movimiento vorticial estudiado puede asegurarse la
particularidad de movimiento, también dando la diferencia total de presiones en
los extremos de la instalación, mientras que la velocidad de la corriente y el gasto
estarán en función del proceso y, en este caso, como determinante intervendrá
lo que se considera por algunos autores otro número de semejanza:
Esta relación nos permite determinar la caída de presión para las condiciones
del prototipo, a partir de conocer la caída de presión medida para las condiciones
del modelo, quedando finalmente de la forma siguiente:
(3)
Aquí se tiene en cuenta la variación de la densidad y la viscosidad cinemática
con la temperatura, para poder determinar la caída de presión en el prototipo
16
trabajando con gas caliente, a partir de la caída de presión medida en el modelo,
funcionando con aire a temperatura ambiente.
Cuando se trabaja con un prototipo de mayor tamaño, para el cual se
incrementan la longitud total del recorrido (Ltop*) y el diámetro equivalente del
equipo (Deqp*), la caída de presión para este prototipo (ΔPp*) se puede
determinar teniendo en cuenta el coeficiente de presión, en función de la caída
de presión en el prototipo con gases calientes (ΔPp), la longitud total del recorrido
en el prototipo con gases calientes (LTop), y el diámetro equivalente del prototipo
con gases calientes (Deqp), por la relación siguiente:
(4)
Como una condición es mantener las velocidades iguales en el modelo y el
prototipo, la ecuación (4) se simplifica, quedando:
(5)
Sustituyendo (3) en (5), se obtiene finalmente:
(6)
De esta forma, es posible determinar la caída de presión para diferentes
condiciones de trabajo del prototipo, a partir de la caída de presión en el modelo.
En la modelación se tuvieron en cuenta, además, los criterios de Prandtl y
Schmidt. Comprobación experimental de la modelación realizada
17
Para comprobar la validez de los resultados obtenidos con la modelación
desarrollada en este trabajo, se propuso realizar la simulación del proceso
teniendo en cuenta los criterios de semejanza, y comparar los resultados
experimentales obtenidos en el laboratorio, con los de instalaciones industriales
con gases calientes, para diferentes capacidades.
En el laboratorio se realizaron 18 experimentos, con 6 muestras de 25 g de
bagazo, de diferentes diámetros. El flujo de bagazo se fue variando en
dependencia del comportamiento de la espiral, hasta lograr una espiral
«correcta», a la cual se le denominó espiral normal, y formada entre dos límites,
que son: la denominada espiral lenta y la denominada espiral rápida. Ello se
explica a continuación para uno de los diámetros de partículas procesadas.
Por ejemplo, para el diámetro de partículas de 0,8 mm, cuando se comenzó con
un flujo de aire de 2,34 m3/min y un flujo de bagazo de 3,13 g/seg, se observaba
que las partículas describían una espiral incorrecta, ya que se caían dentro del
equipo; luego se fue aumentando el flujo de aire hasta que, para el valor de 2,52
m3/min, se comenzó a producir la espiral normal, en la que las partículas no se
caen y demoran el mayor tiempo dentro del equipo. Por encima de este valor,
comenzaba a producirse lo que se le llamó espiral rápida, en la cual las partículas
permanecían menos tiempo dentro del equipo, lo que no es conveniente para el
proceso de secado.
La llamada espiral normal se obtuvo en cada caso con valores del flujo que están
en función de la velocidad de arrastre de las partículas.
EXPERIENCIAS
En la tabla 1 y la figura 2 se muestra una síntesis comparativa de los resultados
de 18 corridas experimentales, obtenidos en el laboratorio, y los simulados
mediante la modelación, referentes a la velocidad requerida del gas para producir
el movimiento vorticial de partículas de bagazo.
Tabla 1. Resumen comparativo de la velocidad del gas obtenida de forma
experimental y teórica
18
Leyenda:
dp: Diámetro de partículas.
W: Velocidad del gas.
μc: Concentración.
Fig. 2. Comportamiento de la velocidad requeridadel gas obtenida
experimentalmente y según la simulación.
19
Al determinar el error mediante la expresión %, se
corrobora que el modelo teórico elaborado simula con una aproximación
aceptable los valores de las mediciones realizadas en el laboratorio, con aire en
condiciones atmosféricas.
Comparación con los resultados a escala de planta piloto e industrial
Se logró simular en el rango de experimentos realizados a escala de planta piloto
e industrial. Se comparan los resultados de simular el secado neumático con
movimiento en forma de espiral, con resultados experimentales del secado
neumático, medidos en dos secadores industriales de diferentes capacidades.
Primeramente, se hace la comparación para un secador neumático industrial
prototipo. La experimentación de este secador se realizó a través de 453
corridas, donde se acumularon 7 500 datos que corroboraron los resultados
obtenidos en un equipo piloto por el ICINAZ. Este equipo trabajaba con una
concentración promedio de μc = 0,184 kg/kg.
Se realizó la simulación para partículas industriales menores o iguales a 15 mm,
que representan alrededor de 85% de las producciones de bagazo de los
centrales azucareros donde se realizaron los experimentos.
Leyenda:
E: Experimental.
S: Teórico de la simulación.
Lt: Altura del equipo.
Lto: Longitud del recorrido de las partículas en el secador.
Do: Diámetro exterior del equipo.
20
Gm: Capacidad del secador.
También se realizó la simulación para comparar con el proceso de secado
neumático de un secador industrial de 20 t/h de capacidad.
21
CAPÍTULO 3: ESTUDIO TEÓRICO DEL SISTEMA DE SECADO
APLICANDO EL MOVIMIENTO VORTICIAL
INTRODUCCIÓN
En este documento vamos a conocer el sistema de secado, conceptos y
principios básicos sobre los cuales se sustenta el proceso, análisis de los
diferentes métodos.
La necesidad de secar el bagazo está dada con vistas a su ahorro, para mejorar
sus características como materia prima y para su almacenamiento, ya que el
mismo tiene utilidad para una amplia gama de procesos, que van desde la
industria de derivados, hasta la generación de electricidad.
En la combustión del bagazo con mayor contenido de humedad y cenizas, se
incrementan las pérdidas y por consiguiente el rendimiento de la caldera resulta
inferior.
El bagazo puede alcanzar entre un 26 % a un 29 % del peso de la caña molida.
Este bagazo está constituido por agua, sólidos particulados y cantidades más
pequeñas de sólidos solubles. Los valores más representativos son los
siguientes: Humedad: 46-52 %; sólidos particulados: 40-46%; y sólidos solubles:
6-8 %.
Existen diferentes métodos, principios y metodologías de carácter general para
el secado vorticial del bagazo de caña de azúcar a nivel industrial, y en el
proceso de diseño como eficaz método.
22
FUNDAMENTACIÓN DE LA SOLUCIÓN
El Método Sistémico es uno de los instrumentos lógicos más contemporáneos
en el ámbito de la metodología, orientado a la percepción holística de la realidad
de donde se extraerá la propia problemática y las soluciones correspondientes.
En este sistema ha sido aplicado el modelo Sistémico ya que el modelo ayuda a
dar las diferentes características de la máquina, ayuda a dar las ventajas y
desventajas en los diferentes puntos de vista ya sea económico, social, cultural,
ambiental, etc.
Sabemos que es un sistema porque es un conjunto de dos o más elementos que
encierra la característica más importante que tiene un sistema,
interdependientes e interactuantes entre sí y con el medio o entorno que nos
rodea, es decir, puede reaccionar como un todo al recibir un estímulo dirigido a
cualquiera de sus partes y cuyo resultado o salida es mayor que el resultado que
las unidades podrían tener si funcionaran independientemente.
SÍNTESIS DEL MODELO
La caña después de haber obtenido todo el jugo que es utilizada para la
fabricación del azúcar, queda como desecho el bagazo del cual está en una
humedad del 50%, este sobrante podemos cortarlo y secarlo para obtener
Biomasa que tiene muchas aplicaciones en la actualidad o quemar ese bagazo
en la caldera para obtener energía eléctrica.
En este caso procedemos a secarlo para obtener biomasa por medio del sacado
neumático aplicando el movimiento vorticial, obteniendo así un secado óptimo
para que se dé un rendimiento mejor en la parte de la Biomasa.
23
v
CONTORNO
LÍMITE
ENTR
AD
A
Eléctrica Motor
FUENTE DE ENEGIA
MANDOS
SISTEMA MOTRIZ
SISTEMA DE
TRANSPORTE
TRANSMI
SIONES
Cilindros concéntricos
Alimentador de
tornillo sin fin
Información
Energía Eléctrica
Bagazo
húmedo
SALID
A
Bagazo seco
Calor
Personal
24
CONCEPTUALIZACIÓN DEL MODELO
¿Cuál es el propósito del secado?
Obtener biomasa con propiedades óptimas en este caso sería el bagazo con una
mínima humedad existente en los pedazos de bagazo.
¿Dónde queda el límite del sistema?
Alrededor del sistema de secado.
¿Cuál es el contorno de la máquina?
Cantón Marcelino Maridueña, en la industria “Ingenio San Carlos”
¿Cuáles son los componentes principales?
Las válvulas que proveen el gas para secar el bagazo.
Los cíclicos que hacen que el bagazo tenga el movimiento vorticial.
Un motor que empuja los gases.
¿Cuáles son las interacciones principales?
La energía eléctrica hace que el motor se accione, a su vez el motor hace que
los gases viajen a una velocidad para que el bagazo se seque, los cíclicos con
el bagazo hacen que haya un mínimo desgaste en los materiales del sistema.
¿Cuáles son los recursos principales?
Energía eléctrica, gases para el secado, motor, aceite.
¿Cuáles son los ingresos o insumos principales?
El bagazo de caña de azúcar con humedad aproximadamente del 46-52 %, la
energía eléctrica, mantenimiento.
¿Cuáles son los egresos o salidas principales?
Bagazo de caña seco para el uso como biomasa, ruido, calor, aceite quemado.
25
CONCLUSIONES DEL CAPITULO
Existen diferentes métodos, principios y metodologías de carácter general para
el secado vorticial del bagazo de caña de azúcar a nivel industrial, y en el
proceso de diseño como eficaz método.
El sacado con movimiento vorticial del bagazo de la caña de azúcar es el más
óptimo para obtener un excelente secado. Obteniéndose unos resultados muy
buenos, este proceso es el más indicado para no perder energía, aprovechar al
máximo el producto.
26
CAPÍTULO 4: DISEÑO DE EXPERIMENTO
Problema:
No se ha desarrollado un método de secado del bagazo pueda obtener
más del 80 por ciento de secado, reduciendo la humedad del bagazo para
un mejor uso.
La necesidad de reducir las emisiones de gases contaminantes y de
efecto invernadero que afectan el medio ambiente además del
agotamiento inevitable de las reservas por los altos niveles de consumo.
Objeto:
Secado del bagazo de la caña de azúcar.
Objetivo:
Reducir el porcentaje de humedad del bagazo aplicando el movimiento
vorticial, al 12% de humedad en comparación de otros métodos.
Campo:
Secado del bagazo de la caña de azúcar por el método del movimiento
vorticial.
Hipótesis:
La aplicación del movimiento vorticial al secado del bagazo de la caña, en
un tiempo adecuado utilizando una velocidad ideal de la velocidad de los
gases con temperatura conveniente mejoró y disminuyó la humedad del
bagazo, mejorando notablemente el rendimiento de la caldera en
comparación a los métodos tradicionales de secado.
Resultados a obtener
Informe de investigación
Publicación científica
Variable respuesta:
Las variables independientes: temperatura de los gases, velocidad de los gases,
y tiempo del secado influyen de forma determinante en la variable dependiente
salida la cual es el bagazo con humedad del 10% al 12%, las variables
independientes tienen cada una diferentes niveles que influyen definitivamente
en la salida, teniendo diferentes tratamientos.
27
Diagrama de procesos
PROCESO DE SECADO DEL BAGAZO DE CAÑA
ENTRADA
BAGAZO DE CAÑA CON
HUMEDAD DEL 46% al 52%
FACTORES CONTROLABLES
Temperatura de los gases tiene 2 niveles: 60° Y 80°, variable continua y cuantitativa.
Velocidad de los gases tiene 3 niveles: 1m/s, 1.4m/s y 1.6m/s; variable continua y cualitativa.
Tiempo del secado tiene 2 niveles: 150s y 300s, variable continua y cualitativa.
FACTORES NO CONTROLABLES
Temperatura del ambiente
Humedad del ambiente
Gravedad
SALIDA
Bagazo con humedad
del 10% al 12%
28
Material experimental, los métodos y los instrumentos de medición
El experimento se realizo en el cantón Marcelino Maridueña, en la industria
“Ingenio San Carlos” en la cual se aplicó a varias unidades experimentales el
método del secado aplicando el método del movimiento vorticial pero usando
diferentes tratamientos lo cual permitió obtener diferentes salidas.
El material experimental es el bagazo con una humedad del 46% al 52%.
La humedad del bagazo se mide con Analizador De Humedad Por Microondas.
29
Matriz Del Experimento: Factores, Niveles Y Tratamientos.
Factor 01:
Temperatura de los gases en grados sexagesimales:
Factor 02:
Velocidad del gas en (m/s):
Factor 03: tiempo de muestreo en (s)
Nivel 3.1
120
Nivel 3.2
180
Nivel 1.1
60
Nivel 2.1
1
T 1:
60,1 ,120
T 2:
60,1,180
Nivel 2.2
1,4
T 3:
60,1.4,120
T 4:
60,1.4,180
Nivel 2.3
1,6
T 5:
60,1.6,120
T 6:
60,1.6,180
Nivel 1.2
80
Nivel 2.1
1
T 7:
80,1,120
T 8:
80,1,180
Nivel 2.2
1,4
T 9:
80,1.4,120
T 10:
80,1.4,180
Nivel 2.3
1,6
T 11:
80,1.6,120
T 12:
80,1.6,180
30
CONCLUSIONES
El sacado con movimiento vorticial del bagazo de la caña de azúcar es el más
óptimo para obtener un excelente secado. Obteniéndose unos resultados muy
buenos, este proceso es el más indicado para no perder energía, aprovechar al
máximo el producto.
La bibliografía consultada sobre el tema del secado del bagazo de caña de
azúcar está ampliamente desarrollada a nivel mundial lo que demuestra la
importancia del tema; constituyendo herramientas teóricas metodológicas a
tener presente durante las investigaciones y trabajos prácticos.
Existen diferentes métodos, principios y metodologías de carácter general para
el secado vorticial del bagazo de caña de azúcar a nivel industrial, y en el
proceso de diseño como eficaz método.
Sin embargo, no encontramos herramientas completamente apropiadas
desarrolladas para ello que definan de forma particular los aspectos económicos
a tener en cuenta en cada procedimiento de secado así como que establezcan
los requisitos energéticos a evaluar en el diagnóstico antes y después de
implementado el movimiento vorticial en escala pequeña.
31
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33
ANEXOS
