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ESTUDIO DE LA OPERACION DE SECADO POR ATOMIZACION DE POLVOS CERAMICOS A

ESCALA INDUSTRIAL, SU CONTROL Y AUTOMATIZACION

F. Negre; J.C. Jarque; C. Feliu; J.E. Enrique

Instituto de Tecnología Cerámica Asociación de Investigación de las Industrias Cerámicas

Universitat Jaume 1. Castellón. España.

RESUMEN

En este trabajo se lía llevado a cabo el control y automatización de la operación de secado por atomizació 11. Para ello ha sido necesario seleccionar previameiite las variables de operación apropiadas, así como los equipos de medida adecuados.

Del análisis de los datos tomados de las distintas variables, se ha obtenido una correlacióii empírica eiitre la temperatura del gas de secado, el caudal de la suspensión de sólidos y la humedad del aglomerado producido. Esta correlación ha permitido el control automático del equipo de secado.

l. INTRODUCCION

En la actualidad, la gran oferta existente en el mercado de pavimentos y revestimientos cerámicos unida a la creciente exigencia por parte de los clientes, hacen que la calidad final de las baldosas se convierta en un factor fundamental para que dicho producto pueda ser competitivo.

Uno de los parámetros que afectan a la calidad de las baldosas es su estabilidad dimensional. La compacidad en crudo de las baldosas cerámicas, tiene una influencia decisiva sobre la estabilidad dimensional del producto cocido [l 1.

Las principales variables que inciden sobre la compacidad de las piezas prensadas, pueden dividirse en dos grupos: las variables asociadas al polvo aglomerado que se alimenta y las variables relacionadas con la propia operación de prensado. Dentro del primer grupo resaltan coino más significativas las materias primas de la composición y las características fisico-morfológicas del aglomerado (tamaño, forma, humedad, fluidez, etc) [2] [3]. Dado que las materias primas son

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características de cada una de las múltiples composiciones que se utilizan a nivel industrial, el estudio efectuado se centró fundainentalinente sobre las características del polvo aglomerado.

En el proceso de preparación de la composición "vía húmeda", implantado inayoritariamente en el sector español de pavimentos y revestimientos cerámicos, el polvo aglomerado se obtiene eii la etapa de secado por atomización de la suspeiisióii acuosa de las materias primas arcillosas [4-61.

Una elevada estabilidad en las características del agloinerado representa una mayor uniformidad eii la compacidad en crudo de las piezas moldeadas, tanto dentro de una inisina pieza (eliminación de descuadres) como entre piezas distintas (evitando la aparición de calibres).

Las exigencias de calidad, en cuanto a estabilidad dimensional que imponen a sus productos los fabricantes de pavimento y revestimiento cerámicos, superan ampliamente las requeridas en las actuales normativas de calidad (Normas EN) [7].

Así, para pavimento gresificado se coiisidera Iiabitualmeiite coino calibre una diferencia dimensional entre piezas de k0.5 inm. Del análisis conjunto de los diagramas de gresificación y compactació 11 para una composicióii típica, se observa que dicha diferencia puede venir ocasionada por una variación de densidad aparente en crudo de aproximadamente k0.015 g/cm3 [8]. No obstante, el valor de este intervalo de densidades aparentes debe obtenerse en cada caso concreto según la composici óii utilizada.

Esta variación en la compacidad puede ser debida a alteraciones en algunas de las variables, relacionadas con el polvo atomizado, que se Iian comentado con anterioridad.

La situación detectada a nivel industrial, y que viene reflejada en las Figuras 1 y 2, mostraba uiias oscilaciones en los valores de la humedad del aglomerado obtenido en el secadero por atoinizacióii, típicas de un proceso defectuosamente controlado.

Se comprobó, asimismo, que la distribución granulométrica del polvo se mantiene dentro de unos márgenes razonables y apropiados para la realizaci óii correcta de la posterior etapa de prensado.

Si se asigna a la humedad del polvo atoinizado toda la responsabilidad eii la inodificación de la compacidad de las piezas en crudo, para ocasionar una variación de 0.03 g/cm3 (calibre) es necesaria, para un tipo de pasta estandar y en el rango de liuinedades Iiabitual de trabajo, una alteración eii la humedad del polvo de k0.004 kg.agua/kg.sólido seco.

En coiisecuencia, una modificación en la huinedad del aglomerado de 0.008 kg.agua/kg.sólido seco puede supoiier por si sola, la aparición de calibres en las baldosas producidas.

Dada la gran variabilidad observada eii la humedad del agloinerado producido y su marcada incidencia sobre la posible aparición de calibres entre piezas cocidas, se consideró oportuno tomar dicha variable como la principal variable a controlar.

Las fluctuaciones eii la humedad del aglomerado producido en las plantas de secado por atomización, pueden ser debidas a algunas de las siguientes causas:

- Alteración en las propiedades de la suspeiisión a atomizar y10 del equipo de bombeo.

- Modificacióii en las propiedades físicas del aire caliente utilizado en la operación de secado.

- Variación en los paráinetros que rige11 el fuiicioiiainieiito del equipo de secado por atoinizació 11.

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TIEMPO (h)

Figura l . Evolución diaria de la humedad del polvo aglomerado

TIEMPO (h)

Figura 2. Evolucicín senzanal de la hut?zedad del polvó aglonzerado

2. OBJETO Y ALCANCE DE LA INVESTIGACION

Debido a las deficiencias, comentadas en el punto anterior, referidas a la variabilidad en la humedad del polvo aglomerado, se consideró interesante realizar el presente trabajo con la finalidad de tratar de establecer correlaciones empíricas fiables entre distintas variables de operación y el contenido eii humedad del sólido resultante de la instalación de secado. Las correlaciones encontradas servirán para llevar a cabo un control más exliaustivo de las condiciones de operación del equipo de secado y para su posterior autoinatización.

Para conseguir este objetivo se planificó desarrollar las siguientes actuaciones:

- Selección de las variables de proceso más importantes a considerar en la instalación y del instruineiltal de medidas más adecuado. Asi como su ubicación en la planta industrial.

- Realización de las pruebas para obtener las correlaciones einpíricas entre la humedad del polvo atoinizado y las variables siguientes:

- Temperatura y humedad de los gases calientes que entran en la cámara de secado.

- Caudal de alimentación de la suspensión acuosa de las arcillas.

- Implantación de un sistema de coiitrol automático de la operación de secado por atmiimciai~.

3. INSTALACION EXPERIMENTAL

Para la realizaci óii de las pruebas, se ha utilizado un secadero por atomización industrial dedicado a la fabricación de pavimento gresificado. El equipo de secado posee una capacidad de evaporación máxima iioiiiiiial de 4.70 in3 agua evaporada/li.

La instalación tiene como característica peculiar, la utilización de aire caliente procedente de una turbina de cogeneracióii colno aire de secado. El caudal de aire caliente perinanec ia prácticaineiite constante durante todo el tieinpo de operación del equipo de secado. Previo a la entrada de los gases a la cámara de secado, éstos deben atravesar un quemador de vena de aire, que tiene como finalidad garantizar la temperatura de los gases deseada.

4. MATERIALES Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El estudio se ha llevado a cabo empleando como barbotina aliiiiento, una suspensióii eii medio acuoso de arcillas rojas illítico-caoliníticas, inolturadas por vía húineda, que se utiliza para la fabricació n de paviineiito gresificado.

El procesado de las materia priinas, hasta la obtención de la barbotina que se aliine~ita al secadero, tuvo lugar en la inisina instalación industrial donde se ha efectuado el estudio. La barbotiiia obtenida tras la inolturacióii vía húineda, se almacenó en balsas conveiiientemente agitadas, donde se controló la densidad y viscosidad de la inisina, de forina que perinanecieran coiista~ites a lo largo de todo el tieinpo necesario para la ejecución de las pruebas.

Se realizaron cuatro series de pruebas correspondientes a diferentes caudales de barbotina alimentada. Para cada caudal ensayado se Ilevaroil a cabo cuatro pruebas distintas, modificando la temperatura de los gases de secado.

En el desarrollo de cada prueba se procuró que, previamente a la realización de las medidas, el secadero trabajase a las condicioiies de operación deseadas, durante u n período inicial suficieiite- mente grande, de forina que se establecieran unas condiciones estacioiiarias cuando se tomaran los valores de las diferentes variables del proceso.

Durante la realización de cada prueba se adquirieron y almacenaron los datos de las distintas variables de operación medidas en continuo y en tiempo real, por inedio de un equipo de adquisición de datos.

Coino precaución importaiite, se procuró que durante el tieinpo de ejecucióii de las pruebas, la distribución de las boquillas pulverizadoras de la suspeiisióii y el tainaíio medio del orificio de salida de las mismas permanecieran lo más constantes posible, de forma que afectasen ininiinainente a la distri bució i i granuloiné trica del polvo aglomerado obtenido.

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5. RESULTADOS Y DISCUSION

5.1. SELECCION DE LAS VARIABLES MAS INPORTANTES A CONSIDERAR EN LA INSTALACION ESTUDIADA. UBICACION Y PRECISION DEL INSTRUMENTAL DE MEDIDA

Las variables medidas coiitinuameiite o de forma periódica, son las que se detallan a continuacióii.

5.1.1. Variables que se midieron periódicamente

La determinación de estas variables de operación se efectuó de forma intermitente a lo largo de la realizació 11 de cada prueba. Las dos variables controladas fueroii:

- Viscosidad de la barbotina (p). Para su inedida se utilizó u n viscosíinetro rotacional.

- Densidad de la barbotina 0. Se deterininó por medio de una probeta graduada, tarada previaineiite, pesando u11 volumen dado de suspensión.

5.1.2. Variables que se han medido de forma continua

Se lian medido en continuo las variables de operación siguientes:

- Caudal volun~étrico de la barbotina alinlentada (Q).

Se ha seleccionado para su medida u n caudalíinetro de tipo electromagnético [9-101. La elección se hizo teniendo en cuenta el campo de aplicación del equipo y sus limitacio~~es, ya que debía medir caudales de fluidos con sólidos en suspensióii bastante abrasivos, en continuo y en tiempo real.

El equipo se ubicó en la conducción vertical que lleva la barbotina, una vez superados los filtros, al interior de la cámara de secado.

La precisióri del equipo es de f 1% de la velocidad de circulación de la suspensión.

- Tenlperaturas de entrada a la cámara de los gases de secado y de salida de los gases húnledos.

Para la inedida de ambas teinperaturas se han utilizado sendos termopares tipo K, ubicados en los puntos de las conducciones correspondientes, en donde el perfil de temperaturas era lo inás estable y simétrico posible.

La precisión de los termopares depende del rango de temperaturas a medir:

- Para u n intervalo de temperaturas a medir de 450 a 700°C la precisión del terinopar es de *O. 7 5 "C.

- Para teinperaturas desde 90 hasta 1 10°C la precisión es de f 3°C.

- Caudal másico de los gases de secado a la entrada del secadero (G,,).

Para llevar a cabo la medida del caudal inásico se utilizó un tubo de Pitot modificado tipo TORBAR. Este equipo permite medir a altas temperaturas (500-700°C), proporciona en

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continuo uiia lectura proinedio a partir del análisis de todo el perfil de presioiies diiiániicas en la conducción y es sencillo de instalar y inantener.

El equipo se ubicó en la coiiducción vertical de entrada de gases al secadero, en un puiito en donde se coiiiprobó la estabilidad del flujo de gases. Su precisión es de 21 % del caudal de gases que circulan.

- Humedad del polvo atoniizado producido (XJ .

Para efectuar la selección del equipo de medida de la Iiuinedad del sólido producido se co~isideraroii una serie de características: a) inedir la liuiiiedad de sólidos granulares, b) ser fiable para Iiuinedades coinpreiididas eiitre 0.03 y 0.07 kg.agua/kg.sólido seco, c) ser robusto freiite a la preseiicia de abundante polvo ainbieiital y a posibles coiideiisacioiies de vapor de agua, d) ser de fácil iiianejo, e)teiier uiia iiula o baja peligrosidad, y f) proporcio~iar uiia lectura de liuiiiedad eii coiitinuo y en tiempo real.

Teiiiendo en cuenta estas consideraciones se optó por un dispositivo de inedida de liuniedad de sólidos por infrarrojos. Previamente a la selección del equipo se efectuaron uiia serie de coinprobacio~ies eii el laboratorio, en colaboración con la eiiipresa fabricante del inisino, que condujeron a la obtención de u11 algoritino y de unos filtros específicos para la medida de la Iiumedad de inateriales ceráinicos [ I 1 1.

El equipo se iilstaló en la cinta que transporta el polvo atoinizado desde la salida del secadero por atomización liasta los silos de alinacenaiiiiento y reposo.

Para su correcto funcioiiainiento fue necesario instalar también, un inuestreador de polvo atoniizado de forina que tomase una fracción representativa del flujo total de sólidos. Este dispositivo asegura la objetividad de la toma de inuestras y suininistra al sensor de huinedad, inuestras homogéneas de forina continua.

La precisión del equipo es de k0.001 kg.agua1kg.sólido seco.

En la Figura 3 se iiiuestra la ubicación en la planta de secado de los diferentes dispositivos de inedida instalados.

Las señales eléctricas procedentes de los selisores instalados, previa calibracióii del equipo de inedida, se recogieron eii un sistema de adquisición de datos de control digital, que permitió realizar un seguimiento en continuo e independiente para cada una de las variables del proceso coineiitadas.

5.2. RELACION ENTRE LA TEMPERATURA Y LA HUMEDAD DE LOS GASES CALIENTES A LA ENTRADA DE LA CAMARA DE SECADO Y LA HUMEDAD DEL POLVO ATOMIZADO PRODUCIDO

Para deterininar la relación existente eiitre la temperatura de los gases de secado y la liiiinedad del polvo atoinizado producido, se realizaron cuatro series de pruebas para otros tantos valores del caudal de barbotina. Para cada caudal ensayado, se iiiodificó la temperatura de los gases a la entrada del secadero por atomización de forina que la liuinedad del polvo atoinizado obtenido variase dentro de unos Iíinites preestablecidos (0.04 a 0.07 kg agualkg sólido seco) (Figura 4).

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@ Temopar tipo K. @ Equipo de bombeo. @ Tubo TORBAR. @ Cámara de secado. @ Tenopar tipo K. @ Quemador de vena de aire. @ Caudalímetro electromagnético. @ Ciclones. @ Medidor por infrarrojos. @ Cinta transportadora.

Figura 3. Localización de los instrumentos de medida

NQ Medidas

Figurn 4. Evolución de las variables de proceso medidas, para un cazidal de barbotina de 9.5 m3/h

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Se verificó en las primeras pruebas, que la humedad de los gases a la entrada de la cámara de secado, permanecía casi invariable.

En la Figura 5 se han representado los resultados obtenidos para cada uno de los caudales de barbotina alimento que se ensayó y para cada temperatura media de los gases de entrada, manteniendo prácticamente constantes las restantes variables de operación.

Figura 5. Relación entre la temperatura de entrada de los gases y la humedad del polvo atomizado producido, para distintos caudales de barbotina alin~entados

Puede observarse una relación lineal entre la temperatura de entrada de los gases y la humedad media de salida del polvo atomizado, en la forma X, = mT, + b.

Como a nivel práctico, cuando la humedad del polvo aglomerado se salga de los niveles predefinidos, será la temperatura de entrada de los gases de secado la variable de actuación en el control del proceso de secado por atomización, se ha ajustado una ecuación de regresión múltiple en la forma:

Esta ecuación permite predecir cuál debe ser la temperatura de entrada de los gases de secado, para obtener una humedad deseada del polvo atomizado, a partir de un caudal de barbotina prefijado.

En la Figura 6 se han representado los valores experimentales de las temperaturas de entrada de los gases calientes frente a las temperaturas predichas por la ecuación empírica ajustada. Puede observarse una buena concordancia entre ambas temperaturas.

En consecuencia, esta correlación constituye el primer paso para establecer un sistema de control de la operación de secado por atomización, y posibilita la automatización total de dicha etapa de secado en el proceso de fabricación de bal'dosas cerámicas.

Existen diversas alternativas para la implantación de un sistema de control automático del proceso de secado por atomización. Una de ellas es el bucle de control que se ha utilizado a nivel industrial, y que viene reflejado en la Figura 7. En la realización del bucle de control se han tenido en cuenta las peculiaridades propias del equipo de secado.

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Figura 6. Relación entre la temperatura de entrada de los gases observada en las distintas pruebas y la predicha por la ecuación empírica de ajuste

Figura 7. Esquema del bucle de control implantado industrialmente

secado. Ello es debido a la facilidad de medida y principalmente a la simplicidad y precisión con que pueden inodificarse dichas variables.

3. Para cada uno de los caudales de barbotiiia ensayado, manteniendo constantes las propiedades físicas de la suspensión y las restantes variables de operación del equipo de secado, se han encontrado correlaciones empíricas de tipo lineal entre la temperatura de entrada de los gases de secado y la Iiumedad del polvo atomizado producido.

4. La correlación empírica obtenida, válida para la instalación industrial estudiada y en el intervalo de condiciones de operación ensayado, permite la implaiitación de un sistema de control automático de la humedad del polvo aglomerado producido.

5. La iiiayor homogeneidad conseguida en la humedad del polvo aglomerado garantiza la desaparicióii de los problemas de estabilidad dimensioiial,asociados a dicha variable, acrecentando la calidad final de las baldosas cerámicas.

7. NOMENCLATURA

G,: Caudal inásico de una corrieiite gaseosa (kg/s) P : Presión dinámica promedio de la corriente gaseosa (PJ/m2) Q : Caudal voluinétrico (in3/h) ?: Coeficiente de deterininació 11. T,: Temperatura de entrada del gas de secado ("C) T,: Temperatura de los gases a la salida del secadero (OC) X,: Humedad del sólido producido (kg agualkg sólido seco) -AP: Depresión dentro de la cámara de secado.

p : Densidad (kg/m3) p : Viscosidad (Dp)

p : Predicha por la ecuación de ajuste. S : Sólido seco. w : Agua.

8. BIBLIOGRAFIA

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