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DlVlSlbN DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERíA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA DE PROCESOS E HIDRAULICA
INGENIERíA EN RECURSOS ENERGÉTICOS CARRERA: INGENIERíA EN ENERGíA
HIDRODINÁMICA DE UN MODELO EN FRlO DE LECHOS FLUIDIZADOS
PROYECTO DE 1NVESTIGAClt)N QUE PRESENTA
PABLO JOEL ROJAS XOOL
PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE
INGENIERO EN ENERGíA
ASESORES:
DRA. ELIZABE (AREA DE INGENIERIA EN sos ENERGÉTICOS,UAM-I)
MEXICO, D.F. AGOSTO 1999
AGRADECIMIENTOS
A mis asesores:
Dra. Elizabeth Salinas Barrios: Le tengo especial agradecmento por la confianza, apoyo y paciencia recibido de ella, además por haberme dirigido en el fascinante campo de la investigación y haber contribuido en mi'formación académica.
Dr. Alberto Soria : Por haber dirigido con acierto este trabajo, además de su apoyo y haber contribuido enormemente en la parte experimental y en mi formación académica.
También estoy muy agradecido con los siguientes profesores y amigos a la vez:
Alberto Vázquez, un gran compañero de trabajo y amigo por haberme apoyado con su equipo de cómputo en el laboratorio de recursos energéticos, para la realización de este trabajo.
Profr. Angel Escobar por las facilidades que r r ' 2 proporcion6 para trabajar en su laboratorio de polímeros.
Profr. Alejandro Torres Aldaco por las facilidades que me dió de trabajar en su laboratorio de instrumentación.
Profr. Richard Steve por habernos facilitado su reactor de lechos fluidizados para realizar nuestras pruebas experimentales del laboratori? de fluidización.
Especial agradecimiento y dedicatoria a Dios y a mi familia: mi padre Pablo J Rojas Cocom y mi madre L. Evangelina Xool Yah y a mis hermanos, que desde Pomuch, Campeche estuvieron apoyándome y confiando en mí.
A las bellas familias y amigos que tuve la oportunidad de conocer durante mi estancia en el D.F.
Finalmente le agradezco a Dios por haberme dado la oportunidad de cursar una carrera en esta Universidad y haberme ayudado a superar los obstáculos que se me presentaron durante todo este tiempo.
I N D I C E
PAGINA
CAPITULO 1 .- INTRODUCCION.
I .I .- MOTIVACI~N
I .3.- ORGANIZACI~N
I .2.- OBJETIVOS
CAPITULO 2.- REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
2.1 .- DEFJNICI~N
2.2.- CARACTER/STICAS DE dN LECHO FL.UlDlZAD0
2.3.- PARAMETROS Y CLASIFICAC16N DE S6LIDOS
2.4.- REGIMENES DE FLUlDlZACl6N.
2.5.- FLUIDIZACI~N M/NIMA.
2.6.- CICLONES.
2.7.- SISTEMAS DE RECIRCULAC16N DE L. F.
2.8.- CONCLUSIONES.
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4
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CAPITULO 3.- FLUIDIZACldN DE PARTíCULAS DE CAUCHO.
3.1 .- FLUlDlZACldN CON DIFERENTES MATERIALES. 35
3.2.- COMBUSTIBLES. 40
3.3.- TECNOLOGíA DEL CAUCHO 44
3.4.- PROCESO DE VULCANIZAC16N 49
3.5.- CARACTER/STICAS DEL CAUCHO. 51
3.6.- CASO PARTICULAR, LOS NEUMÁTICOS (AUTOM6VILES). 53
3.7.- CONCLUSIONES. 54
CAPíTULO 4.- SISTEMA EXPERIMENTAL.
4.1 .- PROCESADO DEL MATERIAL.
4.2.- SELECCI6N DE LAS PARTICULAS.
4.3.- DETERMlNAC16N DE LA DENSIDAD DEL CAUCHO.
4.4.- FLUIDIZACI~N.
4.5.- FLUlDlZACldN CON OTKO TIFO DE REACTOR
4.6.- DIGITALIZACI6N DE IMÁGENES.
4.7.- TAMAÑO DE PARTíCULAS.
4.8.- DETERMINAC16N DEL TAMAÑO DE PARTíCULAS.
4.9.- DETERMINAC16N EXPERIMENTAL DE LA ESFERICICAD.
'4.1 O.-CONCLUSIONES.
CAPITULO 5.- RESULTADOS Y ANALISIS.
5.1 .- ANALISIS DE LA CURVA DE FLUIDIZACIÓN.
5.2.- CONSIDERACIONES DE DISEÑO.
5.3.- MODELO EN FRlO DE UN QUEMADOR DE L.F.
5.4.- COMPARAC16N DE LAS PARTíCULAS.
5.5.- ALCANCES.
5.6.- CONCLUSIONES.
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INTRODUCCI~N
HIDRODINÁMICA DE.UN MODELO EN FRlO DE LECHOS FLUIDIZADOS I .-
I. 1 .- MOTIVACI~N
La historia de los .calentadores de lechos fluidizados se remontan de 1921
cuando el alemán Fritz Winkler introdujo productos gaseosos de combustidn en la
base de un contenedor con partículas de coke. Esto marcaba el inicio hacia la
txnologia moderna ~ r \ Ir.- 1- YBS de combustión.
Más adelante se perfeccionaría la" idea de quemar carbón en un lecho
fluidizado burbujeante, siendo uno de los pioneros Douglas Elliott-los primeros
paises que se interesaron en desarrollar los calentadores de lechos fluidizados
fueron Estados Unidos y China. Posteriormente se continuaron desarrollando
'sistemas de lechos. fluiaizados ' circulantes . con sistemis gas-s&os para',
calentadores. Dentro de estos estudios se encuentran los elaborados en el ' - 1
Instituto de tecnología de Massachussets por Warren Lewis y Edwin Gilland
(1938), en donde realizando procesos de contacto para rompimiento catalítico,
proceso que sería más tarde de gran Útilidad en los procesos de la industria
petroquímica.
Algunos investigadores con aportaciones de trabajos importantes en esta
rama fueron:
Lurgi quien encontró que la fluidización rápida es una técnica para el
transporte con sólidos finos a Ata velocidad trabajando con polvo de alúmina.
Vénturi quien trabajó con sistemas de gas-sólido en recirculación pero con
la recuperación de calor usando lechos fluidizados con intercambiadores de calor.
Dada la importancia de los procesos de transporte en calentadores de
lechos fluidizados, en este trabajo se estudian experimentalmente El tipo de
fluidización que se presenta cuando la fase dispersa son partículas de llanta. Este
material despierta interés debido a la cantidad de llantas que se están depositando
en los basureros. Y surge la pregunta, ¿se puede aprovechar este material
además de reciclarlo como parte del asfalto?, Len la generación de energia?.
1
Si investigamos un poco en el origen de los neumáticos podremos tener
una idea de la cantidad de producción de artículos de caucho.
El caucho natural ( para 1998 ) estaba presente en alrededor de un 40 %
del consumo mundial de prodticias da caiici-tu mientras q x el 35 % proviene del
caucho sintético ( SBR ), que se produce en México, Brasil y Argentina, y el 25 %
proviene de cauchos sint6ticos especiales, sin pasar por alto al mayor productor y
exportador de caucho natural que es el país de Guatemala.
El crecimiento que viene registrando durante los últimos años la industria
mundial de caucho ha sido incrementado. El consumo mundial ha aumentado de
15 850 O00 ton en 19% 16 420003 ton durante 1997, proyectándose in
consumo aproximado de 16 91 O O00 ton para 1998.
La industria automotriz, que es la mayor consumidora de caucho incorpora
cada vez más kilos de caucho por unidad a los nuevos modelos de automóvil,
debido a los esfuerzos por mejorar el confort de los vehículos.
A nivel mundial, aproximadamente un 35 % del cc nsumo de caucho se
destina a la producción de neumáticos.
Entonces el presente proyecto es proporcionar una alternativa al destino de
esa cantidad enorme de neumáticos usados.
Generalmente en ITS basureros para deshacerse de ellas las incineran,
generando contaminantes muy dañinos y desperdiciando la energía que ie producen en ellas.
1.2.- OBJETIVOS
Nuestro enfoque es un estudio hidrodinámico de la combustión en frío de
partículas de llanta para entender los procesos involucrados y así posteriormente
en un trabajo futuro proponer un modelo de combustor y se esta manera captar la
energía generada por el quemado de llantas, en donde se introducirá un sistema
de filtrado para evitar las emisiones de contaminantes hacia la atmósfera. Esta es
una propuesta que soluciona el problema de los basureros con respecto a los
neumáticos.
2
I .3.- ORGANIZACI~N.
Par la realización de este trabajo, en el capítulo 1, definimos un reactor de
lechc fluidizado, en donde se ;fa la clasificación de sólidos de Geldart y se
especifica lo regímenes de fluidización. En el capítulo 2, se habla de la fluidización
con diferentes materiales y de la composición del sólido de nuestro interés, las
partículas del caucho. En el capítulo 3, explicamos el método experimental que se
siguió par obtener los parámetros físicos de las partículas de llanta molida y lo situarnos dentro de la clasificación de Geldart y en el capítulo 4, presentamos los
resultados para especificar el régimen de fluidización de estas partículas.
Finalmente en las conclusiones consideramos las ventajas de este estudio,
así como sus limitaciones.
3
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
HIDRODINAMICA DE UN MODELO EN FRíO DE LECHOS FLUIDIZADOS
CAPITULO 2.- REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO.
2.1 .-DEFINICI~N
El proceso de fluidización se refiere a una gran variedad de sistemas
multifásicos, como gas-sólido, líquido-sólido. Entre ellos encontramos el proceso
de intercambio de calor entre partículas y el fluido en el secado de granos;
gasificación de carbón en lecho fluidizado rápido; reactores de catálisis, etc., en
los cuales actúa la fuerra de gravedad y la fricción del fluido, ( corriente gaseosa
en forma ascendente ). Básicamente, la fluidización es la levitación de una masa
de partículas ( lecho de sólidos ), contenida en un recipiente ( reactor ), por la
fricción de una corriente de gas ( o líquido ) a presión, asemejándose a un líquido
en ebullición, que tiende a establecer un nivel y un flujo en respuesta a un
gradiente de presión.
2.2.- CARACTERISTICAS DE UN LECHO FLUIDIZADO
Las partes principales de un sistema de lecho fluidizado son, ( ver fig. 2.1 ):
1. - Reactor:
a) Porción del lecho fluidizado
b) Espacio de separación o margen libre ( freeboard ),
c) Distribuidor de gas
2. - Alimentador de sólidos o control de flujo.
3. - Descarsa de sólidos.
4. - Separador de polvo para los gases de salida.
5. - Instrumentación.
6. - Abastecimiento de gas.
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REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
Figura 2.1 .-Vista esquemática de un reactor. Separador t Gas
Aliment :ación de sólidos
Lecho de sólidos "--
Profundidad del lecho
Caja de viento o cámara plena
Distribuidor (Grilla)
REACTOR
El reactor es la parte principal de todo el proceso que se lleva a cabo en la
industria. Puesto que se emplea para establecer contactos entre gases y sólidos,
los usos posibles de los lechos fluidizados son numerosas. Aplicaciones que van
desde usos comerciales hasta los que están realizando en plena investigación;
algunas de ellas se pueden clasificar para:
l. - Reacciones químicas
a) Cataliticas
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
b) No catalíticas
O Homogéneas
0 Heterogéneas
2 . - Contacto físim:
a) Transmisión de calor
b) Mezcla de sólidos
c) Mezcla de gases
d) Der, u caciCln
e) Aumento o reducción de tamaño de las partículas
t) Clasificación
g) Tratamiento calorífico
h) Recubrimiento, etc.
La forma habitual de este disp: sitivo es en cilindro vertical con alturas de 30 * .
cm hasia mayores de 30 m, dependiendo de la aplicación y de varios fqctores, los
cuales pueden ser:
a) Rendimiento espacio -tiempo,
b) Tiempo de contacto con el gas
c) Razón altura / diámetro requerida
d) Tiempo de retención de los sólidos, etc.
Otros reactores operan a altas temperaturas ( órdenes de magnitud ), por lo
que emplean acero recubierto con material refractario, para protegerla de la
abrasión producida por las partículas en el lecho.
Se ha mencionado que el reactor consta de: lecho empacado cuando no
está operando el reactor, o lecho fluidizado cuando esta operando, margen o
espacio libre, distribuidor y ciclones ( ver fig. 2.1 ). Los ciclones pueden estar
colocados en el interior del reactor (ciclón interno) o fuera del reactor (ciclón
externo), que normalmente se colocan en la parte superior del sistema. Además
de las entradas y salidas del gas y de los s6lidos.
6
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
Observando el reactor desde la base, tenemos el distribuidor que consiste
en una grilla o malla con orificios por el cual pasa la corriente de gas, de este
dispositivo dependerá una aistribución uniforme, que a su vez sirve como soporte
del lecho empacado en algunos diseños. En otros diseños se prefiere ¡a inyección
desde un conjunto de tubos ya sea con orificios laterales o sin ellos
Luego sigue el lecho que es la masa de sólidos, cuyas dimensiones varían
desde micro", .> :ph 3 finn) kasta milímetros, mas adelante se trstarhn a las
partículas. El lecho empacado tiene una altura inicial que es precisamente cuando
no está operdrtclo, pero cumdo ocurre la fluidización el lecho crece hasta una
altura de fluidización. Y el espacio que va quedando entre el lecho y la parte
superior de la columna es el espacio libre.
Pcr otra parte se tienen a los alimentadores y controles de flujo de los
sólidos, estos dispositivos se encuentran fuera de la columna per- están
conectados a ella, así como también las conexiones para la descarga de sólidos.
Por lo común es necesario recuperar los sólidos arrastrados por el gas que
sale del espacio de separación del lecho fluidizado, empleándose ciclones internos
o externos.
El sistema cuenta o debe tener una instrumentación para vigilar, controlar y
registrar el proceso, tales como medidores de presión, de flujo, de temperatura. Y
por último se tiene la alimentación de gas, que puede ser a través de un
compresor que inyecta el gas al reactor.
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REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
2.3.- PARÁMETROS Y CLASlFICAC16N DE S6LlDOS (POLVOS).
La clasificación propuesta por Geldart divide a las partículas en cuatro
categorías en función de su diámetro promedio dp y de su diferencia de densidad
( pp- pf ) como se muestra en la siguiente figura:
Figura 2.2.- Clasificación de las partículas de Geldart.
% m
s. lo4r l o 3
% m
s.
d- l
n
10
Empezando la clasificación desde la partícula más fina hasta las partículas
más grandes:
o Grupo C cohesivo, polvos muy finos cuyos diámetros son menores de 20 pm.
La fluidización normal es demasiado complicada para estos tipos de polvo
debido a las fuerzas interparticulares que existen las cuales son muy intensas.
( Ejemplo: polvos de flúor.)
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REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
o Grupo A: Partículas de tamaño relativamente pequeño y de baja densidad,
que van de diámetro promedio de 20 pm dp 90 pm con densidad menor de
1.4 gr/cm3. E j l ~ s tipos de sólidos fluidizan con relativa facilidad, fluidizan
suavemente con bajas velocidades de gas.( Ejwriph. puiw dalizador FCC.)
o Grupo B: Del tipo arenoso, con diámetro promedio de 90 pm dp 650 pm,
con densidades de 1.4 gr/cm3 ps 4 gr/cm3,(ps= densidad del sólido o de la
partícula). ?or s;r partículas relativamente pesadas fluidizan más o menos bien
aunque van acompañadas de burbujeos fuertes que crecen con la corriente del
gas. ( Ejenlplu. partículas dc arena.)
O Grupo D: Este tipo de partículas tienden a comportarse como surtidores,
grandes burbujeos en forma de chorro. Estos sólidos son muy densos y
grandes ( mayores de 650 pm ), de hecho son los más. grandes de la
clasificación. Para lechos profundos son difíciles de fluidizar, se tienen que
emplear grandes presiones de gas, se comportan en forma errática, originando
burbujas que explotan bruscamente. Sin embargo son de aplicación comercial,
como las partículas de trigo, café y otros granos.
En la siguiente tabla se presenta una comparación de diversos efectos y
características entre los grupos de partículas de la clasificación de Geldart.
Tabla 2.1 .- Características de los cuatro grupos de los polvos de Geldart.
Ejemplo: Trigo Arena F.C.C Flúor
Tamaño de Diámetro 1 partícula 1 dp< 20 pm 1 20 < dp<90 pm I 90<dp<650 pm I dp> 650 pm
1 pp= 2500 kg/m3 I
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REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
Despreciable Pequeño Grande Despreciable
(acanalamientos) Ninguno Ninguno Lechos poco
Profundo Sensible al efecto
surtidor (spouted)
Rapidez de co-
lapsamiento al
cese de flujo de
gas Expansión
burbujas
Carácter
reológico de fase
densa
Mezclado de
sólidos
Inversión de
mezclado del
gas Modo intermitente
(slugging)
¿? Suave Rápido Rápido
Alto: debido a
la formación de burbbjss
Esfera de
base plana
Viscosidad
Aparente de
orden de 1 p
Bajo: debido
a canales Mediano Mediano
Ninguna, solo canales
Campo alto de presión
Redondas
Viscosidad
Aparente de
Orden de 5 p
Mediano
Redondas
Viscosidad
Aparente de
orden de 10 p
Muy bajo Alto Bajo
Muy bajo Alto Mediano Bajo
Flujo tapón Asimétrico Demasiado
Asimétrico desconocido
Desconocido Efecto de dp
Hidrodinámica
Efecto de la
distribución del
tamaño de
partículas
Desconocido Considerable Pequeño
Considerable Despreciable Puedecausar
coalescencia de
burbujas
Desconocido
10
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
2.4.-REGÍMENES DE FLUIDIZACIoN
Para determinar los parámetros que intervienen en la transición de un
régimen de fluidÍzación P otro, ¡a rnayuría de ¡os ads-es-se-basan en la-medida-de"
la fluidización mínima ( más adelante se hará un análisis ), que es la mínima
velocidad que puede tener el fluido ( gas ) para que pueda iniciar el movimiento de
las partículas del lecho. Esto es, la velocidad de fluidización mínima Umf, es una
medida de la velocidad superficial del gas ( Uo ), a partir del lecho empacado.
Lecho fijo: El tango de velocidad es O<Uo<Urnf, es decir, las partículas están
fijas, la corriente de gas no es lo suficientemente intensa para suspender las
partículas.
Fluidización mínima: Rango de velocidad: Umf<Uo<Ub ( U burbujeante ), las
partículas se empiezan a mover; el lecho se expande en forma homogénea y la
superficie superior del lecho está bien definida con pequeñas fluctuaciones de
presión.
Fluidización burbujeante: Rango de velocidad: Ub<Uo<Us ( U borboteante ).
En este régimen existen regiones huecas cercanas al distribuidor, que crecen
gradualmente, éstas bolsas de aire finalmente llegan a la superficie para
romperse. Todavía el nivel de superficie está definida, pero se perturban con
las explosiones de las bolsas. Las fluctuaciones de la presión son periódicas
con amplitud apreciable. Las bolsas de aire crecen conforme aumenta la velocidad superficial del gas.
Fluidización intermitente ( slugging ): Rango de velocidad UbcUo<Uf ( U
turbulenta ). Este régimen se encuentra a un paso de la fluidización turbulenta;
en la columna se originan grandes huecos o bolsas de gas que cubren casi
toda la sección transversal de la columna, estas bolsas ascienden
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REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
colapsándose periódicamente, ocurriendo con mayor frecuencia en columnas
delgadas y largas.
5. Fluidización turbulenta: Rango ae velocidad. üt < üo < Ur ( U rkpida ): En
este régimen turbulento se presentan pequeños huecos, bolsas, grupos de
partículas dispersas que van saliendo disparadas. El nivel de superficie del
lecho ya no es posible distinguirlo y existen pequeñas fluctuaciones en la
presión.
6. Fluidización rápida: Rango de velocidad: Ut<Uo=Ur: La velocidad superficial
del gas es tan rápida que ya no hay superficie del lecho, puesto que las
partículas son arrastradas hacia fuera de la columna. Para este tipo de proceso
la configuración de la columna cambia al de las anteriorec ecesario
alimentar constantemente al reactor de sólidos, +- mtra un
proceso recirculante. Se observan grupo- - . I~ l~ula~ que se
mueven hacia abajo, por las paredes, r n t ~ 2 ~ r , r tb arrastre de partículas
dispersas en todo el espacio del tubo se mueven hacia arriba
Figura 2.3.- Etapas de fluidización.
1 2 3 4 5 6 1' 1' 1' 1' 1'
12
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
2.5.- FLUIDIZACI~N MINIMA
Partimos de un lecho empacado con características físicas definidas, esto
es que conocemos las dimensiones de la columna, la cantidad de partículas, las
propiedades físicas de las partículas, tipo de partículas en la clasificación de
Geldart, además del tipo de fluido que actuará sobre el lecho, que en este caso es
un gas inyectado con velocidades conocidas.
Consideramos que las partículas son esféricas y del mismo tamaño,
además, las suponemos del tipo A de la clasificación de Geldart, para que el
proceso de fluidización no presente inconvenientes.
Iniciamos el proceso, en condiciones isotérmicas se le suministra un flujo de
gas, al principio muy suave, con velocidad baja; el gas pasa por el lecho entre el
espacio intersticial de los sólidos. En ese momento los sólidos no sienten el efecto
de la corriente del gas, hasta que al ir aumentando gradualmente la velocidad del
gas llegará en un momento que las partículas empiezan a moverse e inicia la
etapa de fluidización mínima, hasta que se estabiliza.
Se grafican las diferencias de presiones contra las diferentes velocidades
del gas ( figura 2.4 ) observándose lo siguiente: Inicialmente no hay flujo, el lecho
está totalmente empacado, se le suministra corriente de gas a Uo, no hay fuerza
de arrastre; se incrementa U hasta que empiezan a moverse, pero en este
intervalo de velocidad del gas existe un salto en la gráfica para después
estabilizarse; esto se debe a que la presión del gas necesita vencer la inercia del
empaquetamiento de los sólidos y la fuerza del fluido es igual al peso de los sólidos. Esto experimentalmente se puede ver en la columna transparente en el
momento que el gas rompe la inercia del lecho, observando el medidor de presión
en que éSta ocurre, además del medidor de flujo para conocer la velocidad del
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REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
gas. Este punto ocurre bruscamente, puesto que decae ligeramente hasta un valor
dPmf ( caída de presión en la fluidización mínima ).
Se sigue increr'rzntando aún más la velocidad del gas y se nota que dP no
cambia para cierto intervalo ae veiociaaa del gas UD. hasta que para velocidades
aún más altas empiezan las fluctuaciones, generalmente ocurre en la fluidización
turbulenta.
Figura 2.4.- AP vs U del gas.
AP
ApM
o
fluctuación de la
/ I zona de I fluidización 1
lecho empacado I I
_ I
I I I I
Urnb Ugas
Pero en este momento nuestro análisis se limitará a las condiciones de la
velocidad de fluidización mínima, cuando la velocidad del gas se iguala al peso del
lecho empacado y empiezan las partículas a moverse.
En el momento en que ocurre la velocidad de fluidización mínima, se puede
conocer experimentalmente la velocidad del gas, mediante la medición del flujo
volumétrico del mismo:
i u ~~
A (2.1)
En donde:
14
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
A = área de sección transversal del cilindro
v" = flujo volumétrico del gas.
Ya se había considerado que AP no cambia, o se mantiene casi constante.
Entonces podemos asumir que esa diferencia de presión es equivalente al peso
total del lecho, para mantener suspendidas a las partículas. De la hidrostática se
sigue que:
En donde:
LIP = caída de presión en el lecho
r n ~ = masa del lecho
pp = densidad de las partículas
ps = densidad del gas
A = área transversal de la columna.
Se observa que si la densidad del gas con respecto a la densidad de las
partículas es pequeña:
Ahora procedemos a realizar el balance de momentum lineal.
Hacemos la consideración de que el lecho de partículas equivale a un grupo
de líneas rectas, como si fueran canales paralelos de medidas iguales, de tal
forma que el área superficial total de los canales es igual al área superficial total
de las partículas y el volumen del gas encerrado ( en los canales) es equivalente
al volumen del espacio interparticular del lecho empacado ( figura 2.5 ).
Área superficial total de los canales = área superficial total de los sólidos
Volumen total del gas encerrado = volumen de todos los huecos
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REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
Figura 2.5.- Acanalamientos dentro del lecho.
corte tranversal
t t t t
I H t
“----l Canales
Por otro lado, por el teorema de Bernoulli, la caída de presión se debe a la
suma de dos efectos ( en flujo laminar ):
a) Una fuerza para vencer los esfuerzos de corte que es
proporcional a la velocidad.
b) Consumo de energía cinética que es proporcional al cuadrado de
la velocidad.
Se ha hecho la hipótesis de líneas rectas, para simplificar el problema,
aunque el flujo del gas ascendente no sea recto. Sin embargo, físicamente el
patrón de flujo es complicado. Dicho flujo cambia constante y rápidamente de
dirección a través de todo el lecho; así que la suposición de flujo de líneas
ascendente de corriente de gas es aceptable.
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REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
Debido a la geometría del sistema, consideraremos coordenadas cilíndricas
( figura 2.6 ), consideramos además la presión total como función espacial:
P(X, y , S>
de donc'e
Entonces haciendo el análisis en cada coordenada tenemos que:
O En el eje B se tiene que la presión es la misma de acuerdo con el principio de
Pascal a cierta altura, entonces por geometría , la presión en cierta altura de x
se cancelan entre sí, por lo tanto:
O En la dirección r, la presión del centro hacia las paredes -4 cilindro es muy
pequeña comparada con la presión en la dirección x, por lo tanto podemos
despreciarla:
O Entonces sólo sobrevive el término en la dirección de x y la parcial se convierte
en una diferencial ordinaria:
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REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
0 Figura 2.6.-Plano espacial en coordenadas cilíndricas
De acuerdo a la geometría y las hipótesis a y b consideradas el modelo
matemático propuesto resulta:
dP dx - - = a u + b p u 2
En donde u es la componente axial de la velocidad. El coeficiente a ha sido
obtenido mediante la ecuación de Hagen-Poisiuille para una diferencia de presión
dP, con longitud L de un tubo recto de sección circular con diámetro d, en flujo
laminar. A la ecuación (5) se le introducen factores de corrección adimensionales
(a, p) determinados experimentalmente, quedando:
dP dx
~ = a a u + p b p u 2 (2.5a)
Por otro lado, realizamos un balance macroscópico de momento en estado
estacionario, considerando dos planos, una de entrada y otra de salida, como se
puede apreciar en la siguiente figura:
Figura 2.7.-Ubicación de los planos en el lecho.
I u2 I ".o.. ."""". P O
O0 OO0O o
o" O o o o o
O 0 o O 0 0 L.;;,.. n O t .."..:e A
A I "
Plano 2
Rano 1
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
Se toma de referencia del distribuidor como plano 1 y la altura del lecho
fluidizado como plano 2. El gas entra por el plano 1 en forma ascendente con una
velocidad promedio U1 y sale del lecho con velocidad U2.. Debido a la fricción con
las partículas el gas ha perdido velocidad, por lo tanto e¡ baiance queda:
F=pl U,Sl-pf2U2S2+P1S,-P2S2+mg (2.6)
donde
S = área de sección transversal de R2,
pr = densidad del fluido
m = masa del lecho
g = aceleración de la gravedad
P = presión del fluido
F = fuerza total
La convención de entrada menos la salida, se debe a que nuestro sistema
de referencia es de forma ascendente, ( del distribuidor hacia la superficie ).
Como F es la fuerza total del fluido que ejerce sobre todas las superficies
sólidas ( la at- las partículas y de las paredes del cilindro ), esa fuerza total sólo es
contribución de la que ejercen las partículas, porque es muy grande comparando
el área superficial total de las partículas con la pared del cilindro. Tomando esta
consideración entonces la fuerza que ejerce el fluido sería igual al peso de las
partículas suspendidas ( fuerza que ejercen las partículas en oposición ) sobre un
volumen S L de masa p g, esto es:
F = - ( l - E ) S L p g
S = área de sección transversal
L = longitud del lecho
p = densidad del lecho
g = aceleración de la gravedad
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REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
Aquí el factor ( 7- E ) es la fracción de sólidos, esto se explica de la siguiente
forma.
El volumen total ( VT) es equivaknte ai voiumen de todas :as partículas (Vp)
más el volumen de los huecos ( VV) o espacios interpartículas ( fracción vacío ),
entonces:
Dividimos entre V T ~ tdda la ecuacibn:
Se puede nombrar a los cocientes:
V P =
VT -
E , fracción de sólidos
La relación final queda:
fracción vacío
l = E , + E
Entonces la fracción de sólidos en términos de la fracción vacío es:
& , = l - E
(2.8a)
(2.9a)
20
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
Ahora continuando con el balance, tenemos que si el fluido es
incompresible, de densidad constante, la densidad no cambia en la entrada y en la
salida:
pf1 = pf2 = p = constante
Además S y U son constantes en ese plano implica que:
pfl u1 s1= pf2 u2 S2
El balance queda ( ecuación (2.6)):
F = P lS1-P2S2+mg
Rearreglando:
F = S ( P I -Pp )+mg (2.1 O)
Igualando las ecuaciones (2.7) y (2.10), significa que la fuerza ascendente
del fluido se iguala con la fuerza de oposición que ejerce el lecho empacado,
justamente cuando empiezan a moverse las partículas.
F (gas) = F (lecho)
S ( P I - P 2 ) + m g = - ( l - & ) S L p g
Pero m g = & S L p f g
S (P1 - P z ) + & S L p f g = - ( l - & ) S L p g
Simplificando :
PI -P2 = - L g [ ( l - & ) p p + & p f ]
P1 - P2 = - L g ( & Pf+PP-&PP) (2.1 1)
21
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
En términos de las densidades del fluido y de los sólidos:
Podemos observar que si ,?f << pp la ecuación sc reduce a:
(2.12)
(2.1 3)
Entonces 'la diferencia de presiones ( en pascales ) sólo se debe al peso
del lecho de altura L.
Reordenando la ecuaci6n (2.13) en función de las presiones efectivas, que
se define como la presión total que considera la contribución que hace la fuerza de
gravedad y que depende de la altura. Esto es, si nuestro plano de referencia de la
figura anterior, ( figura 2.7 ), en forma ascendente del plano 1 al plano 2 es
positivo y x va de O a L, entonces PI =PO , P2 = PL en x1 = O , x2 = L,
respectivamente.
Hacemos Po = Po
P L = PL + L pp g (1- E ) (2.14)
P, -P2 + L g p p ( l - E ) = O (2.14a)
Po - P L = o (2.15)
A P = O (2.1 6)
La relación A P = O, tiene sentido puesto que la presión que ejerce el lecho
sobre el fluido se ha igualado con la que ejerce el fluido sobre el lecho.
Es entonces que ese tipo de presión ( presión efectiva ) A P que involucra la
ecuación de Hagen-Poiseuille, establece la relación entre la velocidad volumétrica
de flujo y las fuerzas que la originan. Es decir fuerzas relacionadas con la caída de
presión y la aceleración gravitacional.
22
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
La ecuación de Hagen-Poiseuille que relaciona el gasto
Q = A Ü (2.17)
donde
A = área de sección transversal = 7~ i!
u = velocidad media del gas
con la diferencia de presiones está dada por:
(2.18)
donde:
p = viscosidad del fluido
R = radio del cilindro
L= longitud del cilindro
Mediante esta ecuación podemos determinar la velocidad superficial del
gas. Usamos la siguiente definición:
7~ (A P ) R 4 Q =
8 P L
igualando (2.17) y (2.18), podemos determinar la velocidad superficial del gas:
~ ;.(A P ) R 4 u = -~ ~~ ~~ ~~
8 p L A ......................................... (2.19)
de donde se sigue:
23
A P u p 3 2 u - L d2
-
REACTOR DE LECHO, FLUIDUADQ
(2.20)
Existe otra contribución a la fuerza que está en función del factor de fricción
y la energía cinética, definida como FK = A k f, ( Bird, Fenómenos de transporte,
cap 6 ). Entonces la caída de presión debido a la disipación de energía cinética
está dada por:
(2.21 )
f = factor de fricción que depende del número de Reynolds y de la geometría.
Finalmente la caída presión total de A P b del lecho sobre L es la suma de
las ecuaciones (2.20) y (2.21):
(2.22)
(2.23)
La ecuación (2.23) está en términos de propiedades conocidas o que se
pueden determinar experimentalmente, pero ahora se tiene que considerar las
partículas suspendidas, por lo tanto van a influir las características de los sólidos,
la esfericidad, el tamaño y lo denso del lecho.
Anteriormente habíamos definido la fracción vacío (E) :
vol. del lecho - vol. de solidos vol. del lecho
E = ~~~~ ~~ - . . ~ . -- ~ ~~~ ~~ ~~ ~
vol. de solidos vol. del lecho PP
& = 1 - "" = I - P b - (2.24)
24
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
Además, se emplea el término de esfericidad (4) que es también una
medida fraccionaria adimensional que tiene que ver con la relación de una
partícula esférica y una partícula no esférica con el mismo volumen pero
di fmnte área superficial.
de
área superficial de una esfera (4 z r 2 ) d e mismo volumen de una partícula área superficial de una partícula
a=-- -~
1 6
Vp = -K dp3 volúmen de una partícula esférica,
1 6
Ap = --X dp3 SV área de la partícula esférica
dp = diámetro de la partícula
Sv es la relación de superficie y volúmen de una partícula:
As =Área superficial de la partícula esférica,
Vs = volúmen superficial de la partícula esférica.
que más adelante se tratará con detalle.
De la definición par (4) se sigue:
6 0 = (2.25) 4 S"
Entonces el área superficial de una partícula estará dado por:
25
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
6 Vs As = dP
Si se considera un polidisperso de partículas esféricas:
6 Vs @ dm
A S = ~
(2.26)
(2.27)
en donde dm es el diámetro promedio de las partículas.
Ahora retomando la consideración de que el lecho está formado de N
tubitos de largo L y diámetro d. Entonces en términos de áreas superficiales y
volúmenes de partículas.
El área superficial de las paredes de los N tubos:
A w = N z d L
donde A , ec el área superficial del tubo
El volumen del fluido en los N tubos:
1 V - ~~ N n d ' L J - 4
Si dividimos (2.27) entre (2.28). Razón de superficie / volumen:
área superJicia1 de las paredes de los tubos A, "" ______"____..~~~ -
vol. total de los tubos ~~ -
vr
(2.28)
(2.29)
A,- N n d L 4 VJ
- N n d 2 L
26
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
simplificando:
(2.30)
Ahora si el lecho de partículas de profundidad L y diámetro D con fracción
vacío (E ) ya determinado, lo consideramos en forma total:
El área superficial del total de partículas = x n , S, .(2.31)
Volumen total de partículas en el lecho = z n , P i = (1 - E ) ~~~~~
;t B' L (2.32)
4
El volumen de los huecos = E ~ D2 L n 4
(2.33)
Si dividimos las ecuaciones (2.31) entre (2.32), tomando la analogía y la
igualdad de la ecuación (2.30):
& z D 2 L d (2.34)
Asimismo de la ecuación (2.32) despejamos TC D2 L para insertarlo en la
ecuación (2.34) para obtener la relación superficie volumen:
simplificando:
27
REACTOR DE LECHO FLUIDUADO
entonces el cociente de sumatorias se ha definido como:
1 . P S P = SV = razón de superficie-volúmen.
C.; V p
Podemos despejar d:
(2.35)
(2.36)
Con dimensiones de longitud (m) puesto que Sv tiene dimensiones de
IAongitud. Esta ecuación nos da la relación del diámetro promedio del espacio
interparticular que es inversamente proporcional a Sv además de la fracción vacío.
Se puede interpretar como la separación media ( huecos ) entre las partículas.
Por otra parte retornando la velocidad u del fluido a través de los “huecos” lo relacionamos con la velocidad U superficial de fluidización, redifiniendo U
(velocidad media):
U u =
&
Donde U se ve modificado por la fracción vacío:
U = & U
(2.37)
(2.38)
Claro está que si E = 1 ,(U = u ) implica que no hay partículas en el paso del
gas, caso contrario con E = O , U = O, no hay paso de gas, debido a lo denso del
lecho, es decir no hay espacios interparticular.
Si regresamos a la ecuación (2.23) para ajustarla con los parámetros hasta
el momento ya definido:
28
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
Además de la ecuación (2.36), sustituimos d y simplificamos :
(2.23)
(2.39)
(2.40j
Pero esta ecuación es la que se había planteado en la ecuación (2.5), por lo
que hacen falta los parámetros adimensionales a y p,
(2.41 )
Pero esta ecuación enfrentaba un nuevo problema, que era la relación de
superficie-volumen, Sv, que involucra partículas no esféricas y de diferentes
diámetros, por lo que Ergun considera particulas no esfhricas con diámetros
promedios, en principio por simplicidad y sólo quedaba determinar los parámetros
adimensionales a y p.
Entonces retornamos la ecuación (2.25), con las condiciones de diámetro
medio (dm ), partícula esférica (4 = 1). La ecuación (2.25) queda:
(2.25a)
6 también
29
REACTOR DE LECHO FLUIDEADO
Nm = Número promedio de partículas.
Sustituimos dm en la ecuación (2.41) y queda:
Reacomodando:
Pf u2 (2.43)
(2.44)
Ahora se puede ajustar dm = $d, ( d diámetro de cualquier partícula en
general ), para partículas no esféricas. Pero antes podernos reordenar la ecuación
de la siguiente forma:
(2.45)
Denominada ecuación de Ergun.
Entonces los parámetros a y p se determinan experimentalmente, para ello
se emplean diferentes fluidos con diferentes densidades, con diferentes
viscosidades, a diferentes velocidades y a diferentes presiones ( M ) .
Con esas pruebas experimentales se aproximaron a los siguientes valores:
7 2 a = 150
(3/4) p = 1.75
Entonces la ecuación (2.44) resulta:
(1 - &)2 36 (I-&) 6 ‘ 4 =150 ~ p f U +1.75 L ¿? dm 2 dm ’’ u2 (2.46)
30
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
Entonces la ecuación de Ergun para partículas de esfericidad cualquiera,
considerando dm = 4 d.
(2.4.7)
Esta ecuación relaciona una caída de presión en función de la velocidad
superficial de fluidización ( del gas ). En el primer término de la ecuación la
velocidad U es lineal y en el segundo la velocidad es cuadrática. Por lo tanto, la
ecuación de Eryrn #-S no lineal y sólo se p 2 d e reso!ver numéricamente.
La ecuación de Ergun está en función del diámetro de la partícula, y del
número de Reynolds, es decir, para partículas muy pequeñas, la velocidad mínima
de fluidización se encuentra en Re, mf < 20. Para partículas muy grandes el Rep,,,f
> 1000.
Además la ecuación es función de la velocidad, implicado en el número de
Reynolds, nos dá los regímenes de flujo, es decir podemos relacionar el régimen
de flujo en los huecos con el número de Reynolds de la partícula.:
Re, c 20 flujo laminar en ¡os huecos
Re, > I O 3 flujo turbulento en los huecos
20 < Re, c 1O3.transiciÓn a flujo turbulento en los huecos.
31
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
2.6.- CICLONES
Cuando en el proceso se requiere de fluidización rápida, se necesita en el
reactor un diseño diferente y apropiado con respecto al sistema de fluidización de
bajas velocidades. En este régimen se manejaii velocidades altas tal que en el
interior del lecho ocurren movimientos bruscos y el arrastre inherente de las
partículas hacia la parte superior del recipiente y por lo tanto son expulsadas del
lecho. Este problema se resuelve con un reactor de lecho fluidizado recirculante,
de tal forma que los sólidos arrastrados sean atrapados y conducidos al seno del
lecho.
También se considera que se tiene que estar suministrando sólidos frescos
continuamente para evitar la pérdida de sólidos y mantener estable el proceso,
como sería el caso de la combustión en donde las partículas son consumidas.
Entonces en el diseño del lecho se cuentan con separadores, llamados
ciclones internos o externos que sirven para atrapar los sólidos separarlos del gas
y recircularlos, tal como se presenta en el siguiente diagrama (figura 2.8).
I t I PRODUCTO
COLECTOR
REGENER
FUJO DE GAS
ENFRIAMIENTO
ALIMENTACI~N
AldE VALVULA
Figura 2.8.- Sistema de fluidizado con ciclones internos de recolección
32
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
Técnicamente un ciclón es un sistema de recolección en el cuál el gas
penetra tangencialmente en una cámara cilíndrica y sale de la misma a través de
una abertura central. El ciclón es como una cát??ara de sedimentación d;nde la
aceleración centrífuga atrae las partículas junto con la fuerza de gravitación.
Podemos esquematizarla de la siguiente forma, (figura 2.9):
Figura 2.9. Vista esquemática de un ciclón.
Partículas atrapadas por la acción de la fuerza
O
centrífuga (efecto ciclón)
Flujo \ ascendente
Depósito de partículas debido a la fuerza de gravedad
2.7.- SISTEMAS DE ClRCULAC16N DE LECHOS FLUIDIZADOS.
Existen cuatro formas más usuales de sistemas de circulación ( o
recirculación ) de lecho de fluidizado rápido:
Modo I
Sistema en donde se conserva el inventario de sólidos ( suministro
constante de sólidos ) aún cuando la velocidad superficial del gas pueda
cambiar.
33
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
Modo II
Conservar la corriente continuo y constante de partículas, es decir,
mantener constante el gasto (G=ikgim2s]) para diferentes velocidades del
gas.
Modo Ill
Este sistema guarda una razón de flujo de gas aún cuando cambie el gasto
de sólidos.
Modo IV
Este sistema de recirculación se puede cambiar independientemente de los
gastos y de las velocidades del gas. Este modo es el más versátil de todos.
2.8.- CONCLUSIONES
En este capítulo describimos los diferentes tipos de fluidización y se dedujo
la ecuación de Ergun que establece la relación entre la caída de presión y la
velocidad, a través de una ecuación no lineal.
En el siguiente capítulo trataremos la composición del sistema de nuestro
interés, el caucho.
34
FLUIDIZACIÓN DE PARTICULAS DE CAUCHO.
CAPíTULO 3. - FLUlDlZAClON DE PARTíCULAS DE CAUCHO.
3.1 .-FLLJIDIZACI~N CON DIFERENTES MATERIALES
Inicialmente se había wnentado que la fluidización es un proceso que
involucra el contacto entre partículas sólidas y un fluido, que pueden ser sistemas
multifásicos sólido-líquido y sólido-gas, en cuyo caso nos evocaremos con el
último proceso (sólido-gas).
Entre los procesos industriales, por mencionar algunos, están: la
combustión, gasificación de combustible sólido, desechos sólidos, intercambio de
calor, oxidación o reducción de sólidos, tratamiento superficial de metales,
rompimiento térmico y catalítico, etc.
En estos sistemas se pueden fluidizar diferentes materiales, como
partículas de carbón, escorias de alto horno, sales, partículas de piedras calizas,
minerales, desperdicios municipales, polvo de plásticos, hasta semillas de
esporas, etc.
Partículas de carbón
Este proceso se usa para gasificar el carbón la cuál consiste en obtener un
combdstible gaseoso a partir de un combustible sólido (puede ser carbón) o
líquido mediante la combustión parcial de los mismos. El proceso puede llevarse a
cabo inyectando aire u oxígeno al reactor. Los procesos tecnológicos de
gasificación más comunes son tres: lecho fijo, flujo por arrastre y lecho fluidizado.
Los procesos de gasificación de lecho fijo y lecho fluidizado se desarrollaron
específicamente para carbón, sólo mencionaremos el de lechos fluidizado.
Gasificador de lecho fluidizado.
Estos reactores gasifican combustibles que se encuentran en forma
granular (partículas de carbón de 1 y 6 mm de diámetro). El combustible se
alimenta por un conducto, mientras que el agente gasificante, aire u oxígeno y el
vapor de agua por otros dos. El grado de gasificación con este proceso varía entre
un 95 y 98 % y la eficiencia de gas frío fluctúa entre un 77 y un 85 %. En el reactor
35
FLUJDIZACIÓN DE PARTICULAS DE CAUCHO.
para gasificación puede eliminarse parte de los compuestos de azufre ayudándose
con absorbentes. Tal como se señala en el siguiente esquema:
CARBÓN (1 - 6 m m )
I
I I -"
VAPOR + AGLIA O AIRE
CENIZAS
Figura 3.1. -Gasificador de carbón en un reactor de lecho fluidizado, que opera entre 800 y 1000 "C con 1 O y 27 bars.
Polvo de plástico.
En este proceso, se emplean lechos de partículas finas de plástico, que se
fluidizan con aire atmosférico. Dentro del lecho se coloca un recipiente metálico
previamente calentado a una temperatura un poco mayor que la temperatura de
punto de fusión del plástico, el cuál permanece dentro del lecho de 2 a 12 seg. En
este tiempo las partículas de plástico se impregnan, fundiéndose en la superficie
del recipiente metálico en una capa delgada. La corriente de aire puede ser
caliente para precalentar a las partículas y así obtener un revestimiento más fino.
Este proceso (figura 3.2) puede ser empleado para objetos con superficies
poco o altamente cóncavo, accesorios de muebles, etc., este tipo de revestimiento
es mucho más grueso que el pintado normal, además de ser económico, y no hay
36
FLUIDIZACI~N DE PARTICULAS DE CAUCHO.
desperdicio de material y no requiere de solventes para diluir a las partículas de
plástico.
AIRE FRlO
Figura 3.2. -Fluidizado de partículas de plástico para revestimiento de recipientes metálicos
Escorias de altos hornos.
Se usa el proceso de L.F ( lecho fluidizado ) para el secado de sólidos, que
puede ser escorias de fundición de altos hornos. Para este secado se emplean
temperaturas de 60 - 90 "C. Este proceso emplea gases de combustión que
puede provenir de otro proceso, que normalmente es desperdiciado, que
finalmente se puede integrar (figura 3.3).
Figura 3.3. Secador de sólidos
37
FLUIDIZACIÓN DE PARTICULAS DE CAUCHO.
Sólido de desperdicios municipales.
Pera los desperdicics r7iunicipdlt.s se emrJ1mn incineradores que funcionan
con el sistema de lecho fluidizado 1 L.F.). Antes de-suminisirar la basura, sede-da
utl tratamiento de separación de materiales, se separan los vidrios, los metales,
hasta quedar con basura orgánicas que finalmente son enviadas al incinerador,
donde se queman a 800 y 900 "C. Se tienen especial cuidado en los productos de
combustión que normalmente son tóxicos (figura 3.4).
2) M
Figura 3.4. -incineradores de desperdicios municipales
LC1
Partículas de piedra caliza.
En procesos de calcinación se emplean partículas de piedra caliza y
dolomitas, para crear una reacción altamente endotérmica (la reacción ocurre a
1000 "C), para producir óxidos de calcio y bióxidos de carbono:
Caco3 ______+ CaO + co2 El agente fluidizante son los gases de combustión (figura 3.5).
38
GAS DE PARTICULAS DE CAUCHO.
Figura 3.5. Calcinador basado en L.F.
Flukiizado de semlllas de esporas.
El cultivo de microorganismos es una aplicación interesante de la
fluidización.
En la figura 3.6, se tiene un sistema cultivador de lecho fluidizado que
produce salsa de soya. Inicialmente la harina de trigo se pasteuriza por una
corriente supercalentada, aquí el agente fluidizante es la corriente de aire
esterilizado. En este biorreactor emplea el rociado de agua en todo el lecho para
mantener una mezcla homogénea aproximadamente del 70% de humedad,
alcanzadas estas condiciones se inyectan las semillas de esporas que fluidizan
con la harina de triso; la rslación de peso de la semilla de esporas con la harina de
trigo es de 4%. Este sistema de biofluidización tiene una alta eficiencia de
producción de cultivos de hongos, puesto que la temperatura, la mezcla, el nivel
de pH se pueden controlar fácilmente por sistemas automáticos, además el calor y
el C02 son fáciles de remover.
39
FLUIDIZACIÓN DE PARTICULAS DE CAUCHO.
Figura 3.6. - Lecho
t
DISTRIBUIDOR c3 de cultivación fluidizado.
3.2.-COMBlJSTIRLES
Entendiéndose por combustibles ciertas sustancias que tienen la propiedad
de arder. Aunque existen numerosos productos que tienen esta propiedad, los
combustibles son mezclas o combinaciones de muy pocos elementos, de los
cuales los más importantes son el carbono y el hidrógeno.
El oxígeno es el elemento fundamental para que se establezca la
combustión al cuál llamaremos comburente, no hace falta aclarar que sin éI no es
posible la combustión.
Normalmente todo el oxígeno necesario para que se lleve a cabo la
combustión se obtiene del aire, que es una mezcla aproximada del 21 % de
oxígeno y 79% de nitrógeno en volumen, además de otros gases raros. El
nitrógeno es un gas inerte y no interviene para nada en la combustión.
40
FLUIDIZACI~N DE PARTICULAS DE CAUCHO.
El combustible, junto con el comburente, es la fuente de la llama, creado
por el quemador o combustor el cuál tiene que mantenerla.
Los combustibles normalmente utilizados en la industria se clasifican según
su naturaleza de la siguiente forma:
Combustibles industriales
ólidos
I
naturales
artificiales
madera y residuos vegetales turbas lignitos hulius antracita CAUCHO NATURAL
coques aglomerados carbón vegetal
CA UCHO SINTÉTICO
I gasóleo derivados del petróleo
fquidos fuel - oil
raseosos
[ reszduales
gases L.P. butano residuales
gas natural
gases artljkiales gas pobre gas de agua gas de alto horno
El desperdicio de hules o cauchos se clasifican dentro de los combustibles.
41
FLUIDIZACI~N DE PARTICULAS DE CAUCHO.
Se mencionan algunas características:
Madera y residuos vegetales.
La madera a pesar de ser un buen combustible no presenta gran interés en
la industria, pero si se calienta en ausencia de aire, se obiiene el carbón de
madera, que es utilizado como absorbente en la industria química y como reductor
en la industria metalúrgica.
Los combustibles residuales agrícolas son muy numerosos aunque su
consumo está limitado a las industrias que lo generan. Por mencionar algunos
importantes el orujillo de aceituna, el orujo de la vid, las cáscaras de los frutos
secos y el bagazo, que son consumidos en hogares o combustores especialmente
diseñados.
Turbas
Las turbas son masas fibrosas de materia vegztal parcialmente
descompuesta, que se han acumulado en lugares inundados de agua, es
empleado como combustible pobre para usos locales o regionales.
Lignitos
Tipos de carbones que pueden ser de dos categorías: lignitos pardos y
lignitos negros, que es común para consumo de algunas carboeléctricas.
Hullas
Tipos de carbones de mayor importancia, debido a que son portadores de
energía y ser materia prima para la industria química y metalúrgica.
Antracita
Carbón muy duro y denso con un contenido de calor elevado. Además de
ser empleado para la combustión es empleado para aplicaciones metalúrgicas y
gasificación
42
FLUIDIZACI~N DE PARTICULAS DE CAUCHO.
Caucho natural
Obtenido del Iátex de algunas plantas tropicales, empleado ampliamente
como d;s.léctrico, es muy combustible que se ablanda y destila apartir de ios150°c,
es un elastómero que para mejorar sus propiedades se le somete a vulcanización,
proceso que se realiza mcdiante el calentamiento prolongado con azufre a
temperatura constante.
Caucho sintético
Producto artific;ál suycs cualidades superan en ciertos aspectos al caucho
natural, también es susceptible a la vulcanización. Por ejemplo el caucho butilico
empleado para los neumáticos.
Combustibles sólidos artificiales
Se obtienen fundamentalmente al someter a un combustible sólido a la
acción del calor sin contacto con el aire. Se queman en casos muy específicos,
como reductores en un proceso. Solo se emplean como combustible cuando son
subproductos en la fabricación de gas.
Gasóleo y fuel-oil
Son combustibles líquidos obtenidos en la destilación del petróleo o como
residuo de este proceso, por ejemplo, gasolinas, diesel, etc.
Combustibles líquidos residuales
Se obtienen en algunos procesos industriales como en la fabricación de
papel, realizándose su combustión en hogares especiales dentro de la fábrica.
Gas natural
Se encuentra en yacimientos similares a los del petróleo, al que acompaña
frecuentemente. s u Componente principal es el metano; formando una mezcla con
este se encuentran el etano, propano y butano además de otros compuestos.
43
FLUIDIZACI~N DE PARTICULAS DE CAUCHO.
Gases licuados del petróleo
Los gases Ilc~atios se mienen erl las operaciones de refino del petróleo.
Se venden en botellas o camiones cisternas En forma liquida. E! pxpano debidtJ 3
su mayor presión es empleado en la industria y el butano para usos doméstico.
Gases residuales del refino del petróleo
Gases que quedan después de separar el butano y el propano, y tampoco
pueden transformarse económicamente en gasolinas u otros productos.
Gas pobre, gas de agua y gas de horno alto.
Se obtienen gasificando por aire o mezcla de aire y vapor de agua, coque o
carbón. En realidad son mezclas de óxido de carbono e hidrógeno.
3.3.-TECNOLOG/A DEL CAUCHO
TIPOS DE CAUCHO
Los cauchos o elastómeros se pueden clasificar en dos tipos: los cauchos
termoestables y los termoplásticos. Y nuestro interés se fija en los cauchos
termoestables. Desde ei punto be vista de tratamientos, procedimientos de prueba
y productos del mismo constituyen la industria más antigua que usa materiales
poliméricos, que en un principio solo se usaba caucho natural, actualmente existen
muchos tipos de cauchos sintéticos. Entonces podemos subdividir a los cauchos
como naturales y sintéticos. Que a su vez los sintéticos se clasifican por su
constitución química, aplicación, por mencionar algunos ejemplos, si son
resilientes, pirorretardadores, resistentes al aceite, etc. Entonces mencionaremos
algunos pues existen una gran variedad:
a) caucho natural
b) caucho butadienestirénico
c) caucho butadiénico
44
FLUIDIZACI~N DE PARTICULAS DE CAUCHO.
d) caucho butílico (isobutenisopreno)
e) caucho cloroprénico
f) CadCX Ir~i:iiiCO
g) caucho etilenpropilénicos, etc.
a) Caucho natural: químicamente el caucho natural es un poliisopreno:
[-cH~ - c = CH - C H ~ -]n
I CH3
Tiene excelentes propiedades de resiliencia y baja histéresis; la histéresis es
una medida de la energía que absorbe el caucho cuando se deforma. L.a
resiliencia es una característica del hule de efecto de rebote, ( similar cuando se
arroja una pelota de caucho a una pared y éste rebota ). La energía absorbida es
equivalente al recíproco de la resiliencia, esto es, si se tiene baja histéresis implica
una alta resiliencia y luego lo inverso. Los cauchos de baja histérisis se usan
donde es importante la baja absorción de energía, por ejemplo en las paredes
neumáticas que usan los coches. Donde la baja absorción de energía evita el
calentamiento cuando se flexionan las paredes. Por otra parte se usan cauchos de
alta histérisis para la parte de los neumáticos en contacto con el suelo donde las
propiedades de baja resiliencia y de absorción de energía reducen el rebote y de
esa manera ayudan a que se adhiera la llanta a la carretera. Lo que implica la
diversidad de productos de caucho en la composición de la llanta. El uso del
caucho natural es de un 30 % del uso total, lo que implica su gran consumo.
A continuación se presenta un esquema, figura 3.7, de una llanta seccionada,
con las zonas en donde se requieren las propiedades de resiliencia e histérisis.
45
FLUIDIZACI~N DE PARTICULAS DE CAUCHO.
capas de . . . , , __ A a n t i d e r r a p a n t e cuerpo (capas) pared
de atta histérisis y baja rcsiiiencla
sz&q #+ pared de
material de atta I =y restliencta y "- - .-- baja histérisis
cinturón de refuerzo camisa
I
Figure 3.7 - Nt?tJmátiCC! comnbesto de v3rios tipos de czuchcs, cuerdas, alambres en el cual cada
material tiene una función específica. El comportamiento de cada material se ve afectado por el
comportamiento de los demás.
b) Caucho butadienestirénico
Producto de mayor volumen que se produce de todos los cauchos, cerca
del 60 Yo de la producción total. Es un copolimero aleatorio de estireno y
butadieno; cuando se elabora un copolímero en bloque, se forma el elastómero
termoplástico conocido como estireno-butadieno-estireno. Las proporciones de
estireno y butaciimo varía con diferentes propbsitos; el gran volumen es del
caucho de uso general que tiene 23 YO de estireno y 77 % de butadieno, que es un
caucho de alta histérisis que se utiliza en la parte en contacto con el suelo de las
llantas de automóvil.
Se usan mayores proporciones de estireno en grados especiales de refuerzo
para mezclas que mejoran la tenacidad y resistencia a la abrasión, que pueden ser
mezclas de 50 Yo de estireno o más lo que las hace mas duras y resinosas.
46
FLUIDIZACI~N DE PARTICULAS DE CAUCHO.
c) Caucho butadiénico
El1 sd estrusttira química:
[ -CH;!-CH=CH-CH*-]"
es la más simple de todos los cauchos diénicos. Se polimerizan a partir de
monómeros diénico, lo cual genera un doble enlace insaturado que se mantiene
en la molécula del polímero.
Este t i p :m caucho es al de nl,k baja histéiisis de todas, tiene una resiliencia
muy alta (presenta fenómenos de rebote). Se elabora mediante métodos de
polimerización en solución que producen poca distribución de pesos moleculares,
siendo por lo tanto un material muy difícil de tratar y generalmente se tratan en
mezclas.
d) Caucho butílico isobutenisopreno:
Se elabora a partir de isobuteno que tiene una insaturación simple; por lo
que el polímero se satura. Con fines de vulcanización se generan algunos sitios de
insaturación, se copolimeriza con un 0.5 - 3 YO de isopreno. El caucho butílico
tiene propiedades opuestas a las del butadiénico. Posee muy alta histéresis y muy
baja resiliencia Su estructura química:
47
FLUIDIZACI~N DE PARTICULAS DE CAUCHO.
e) Caucho cloroprénico
Este tipo de cauchc ( tal-IIdién diénico ), tiene la peculiaridad de que un átomo
de civro sustituye al tlrdrógeno de butadieno. De acuerdo a su estructura quirnica:
CI
I CH2-C-CH-CH2
Los caucilos !TXS concddos son los neoprenos que fabrica DuPont por
mencionar un ejemplo conocido. Tiene la particularidad de que el cloro en su
composición los hace autoextinguibles, entonces hace apropiado el uso en bandas
transportadoras en minas de carbón, por ejemplo. Tiene una resiliencia moderada
y cierta resistencia a los aceites.
0 Caucho nitrílico
Como en 91 incis3 arterior el hidr6genc del butadieno se substituye por un
grupo nitrilo ( CN ), para dar el acronitrilo, el cual se copolimeriza luego con el
butadieno. Entonces el caucho nitrílico es un copolímero de acrilonitrilo-butadieno.
Es el que más resiste a los aceites, apropiado para sellos y partes de automóvil
que funcionan en contacto con aceites minerales:
CN
I CH*-C=CH-CH*
48
FLUIDIZACI~N DE PARTICULAS DE CAUCHO.
a) Cauchos etilenpropilénicos:
Los cauchos t ,ilenpropilénicos son copolímeros del etileno y el propileno.
Contienen un 80 a 80 % de atiieno, m donde 12 5lnción principal del propileno es
evitar la cristalización del etileno. Con un método de polimerización que dé un
copolímero aleatorb, se hidrogena el caucho natural y se obtiene un copolimero
alternante. Este tipo de caucho sintético es el Único polímero adecuado para aislar
cables de potencia de 60 kvA, sólo el papel parafinado tiene mejores propiedades
de aislamiehto. Su estructura química:
CH;! = CH - CH3
3.4.- PROCESO DE VULCANIZACION.
Los primeros usos del caucho natural, recuperado en crudo del látex o
aplicado directamente, como en la impermeabilización contra agua, revelaron
algunas limitaciones. Se tornaban tiesos y frágiles a temperaturas bajas, y a
temperaturas alt?s eran blandos y pegajosos, Entonces la invención de la
vulcanización vino a resolver este problema además de abrir caminos para otros
usos. Evidentemente fue la invención de los neumáticos de Dunlop.
Se sabe que en la vulcanización se producen entrelazamientos de las
cadenas de los porimeros para reducir el deslizamiento de las cadenas y con ello
estabilizar la estructura rnorfológica, ( figura 3.8 ). Se usan diversos métodos
químicos, incluyendo el entrelazamiento con peróxido y el uso de óxidos metálicos
para cauchos cloroprénico, pero el soporte principal de la industria es aún la
vulcanización con azufre, además de otras sustancias químicas que controlan la
velocidad y regularidad de la reacción. Pero el azufre es un fuerte contaminante,
por lo que es pertinente resumir el proceso del vulcanizado.
49
FLUIDIZACI~N DE PARTICULAS DE CAUCHO.
Figura 3.8. -Modelo de entrelazamineto de cadenas de poliisopreno por átornos de azufre
(puntos en negro)
L a rem2?.7 d d cal!c$o YP el qzufre fue descubierta independientemente por
Goodyear en 1839 en Woburn, Massachusetts y por Hancock en 1843 en Londres.
La primera mezcla de vulcanizado fue:
o Caucho natural .................. 1 O0 ppp ( ppp significa partes por peso )
O Azufre.. ............................. 8 PPP
O Curado.. ........................... .5 horns a 142 "C.
De acuerdo a la fuente de donde se ha tomado la información de proceso de
vulcanizado, se considera que de 100 partes de caucho se acompaña de 8 partes
de azufre. es decir, si tomamoz 100 kilogramos de caucho se necesitarán 8
kilogramos de azufre; o en toneladas, etc. Siendo esta combinación como una
"receta" encontrada empírica y accidentalmente.
Posteriormente se introdujo óxido de zinc como activador, también se
suministró mercaptobenzotiazol como acelerador que reacciona con el azufre y el
óxido de zinc, mas tarde se incluyeron ácidos esteáricos para mantener el nivel de
acidez en el producto, reduciendo con esto el tiempo de curado y por ende el
tiempo de vulcanizado:
O Caucho natural.. ................ 100 ppp
O Azufre.. ................................. 3 ppp
O ZnO ...................................... 5 PPP
O Ácido esteárico ....................... 1 PPP
O Mercaptobenzotiazol.. ............. 1 PPP
50
FLUIDIZACIÓN DE PARTICULAS DE CAUCHO.
0 Antioxidante. .......................... 1 PPP
0 Curado.. .............................. .20 minutos a 142 "C
Estos agentes vulcanizantes que suelen ser compuestos de azufre
reaccionan con el polímero para producir materiales con enlaces reticulares en los
cuales los encadenamientos son - C - SX - C, dichos enlaces pueden ser mono,
di, o polidisulfídicos. El tipo de enlace se determina mediante la concentración del
azufre, aceleradores y retardadores, además de la temperatura.
3.5.- CARACTERIZAC16N DEL CAUCHO
( CLASIFICACI6N DE GELDART )
Para poder clasificar las partículas de caucho, consideramos los resultados
obtenidos de la densidad que fue de 1 .I 8 gr/cm3 y la densidad del aire a 20°C es
de 1.204 kg/m3 (0.001204 gr/cm3, prácticamente despreciable). Por otro lado, se
tiene los diámetros promedios de las partículas que están en el intervalo de 500 a
1200 mp. más adelante, en el capitulo 4, se comentarán los detalles de estos
valores.
La clasificación de Geidart, utilizG la diferencia de densidades del fluido
(aire), y de la partícula (densidad del caucho).en el eje de la Y.
ps -p =1.18-0.0012=1.1788 gr g cm 3
Con estas características, en la gráfica se encontraría en la zona de
partículas del tipo D. En la experimentación se observó que al momento de la
fluidización se forman burbujas que crecen rápidamente con agregados de sólidos,
hasta formar efectos surtidores (spouted) y esto concuerda con los tamaños de
partículas que van de los 400 mp. a valores mayores de 1000 mp, tal como lo dice
Geldart ( figura 3.9 ).
51
FLUIDIZACI~N DE PARTICULAS DE CAUCHO.
5 r\ o ,o b
m 1
v
O I
0. VI
o .S
o .I
Figura 3.9 Clasificación de partículas de Gelrdart
Los valores reportados de la densidad del caucho y de otros materiales son:
Tabla 3.1 Densidades de diferentes materiales.
ELASTOMER0 DENSIDAD
I
Caucho natural (poliisopreno) 0.93
Caucho sintético (Butadieno- estireno) 0.94
Nitrilo (butadieno-acrinitrilo)
1.1 - 1.6 Silicona (polisiloxano)
1.25 Neopreno (policloropreno)
1 .o
"" .
J
Como se observa no hay una caracterización definida entre los valores de
la densidad de los diferentes tipos de caucho con el caucho de nuestro
experimento. Esto se debe al hecho de que no se conocen los componentes
exactos del caucho, además, la llanta está compuesta de varios tipos de caucho,
por lo que la densidad de un sistema de materiales cambia.
52
FLUIDIZACI~N DE PARTICULAS DE CAUCHO.
3.6.- CASO PARTICULAR: LOS NEUMÁTICOS DE AUTOM~VILES.
La inquietud en el estudio de las llantas usadas, se basa cuál era el destino
final de éstas después de cumplir el uso requerido, cuanto es la pmducción de
caucho en llantas.
El consumo mundial del producto ha aumentado de 15 850 O00 toneladas
en 1996 a 16 420 O00 toneladas en 1997 y donde se espera que para 1998 se
tenga un consumo de 16 91 O O00 toneladas, de los cuales solo se recupera y
recicla el 10% para materia prima de productos muy baratos, la parte restante se
estima que van a dar a los basureros, incineradores, o a los depósitos de
desperdicio de hule. Como sabemos el caucho se degrada afectando a la
ecología. Un claro ejemplo lo tenemos en la industria automotriz que es la mayor
consumidora de caucho, para los neumáticos. La industria del caucho sabe que
debe incorporar obligatoriamente, tecnología y procesos quz eviten la
contaminación y favorezcan el reciclaje de sus productos, a pesar de los esfuerzos
que realizan por la conservación del medio ambiente, los progresos son menores.
El aumento reciente en el costo de la energía ha estimulado el interés en
utilizar los desperdicios de neumáticos como combustible. Al quemar 7 kg de hule
se producen 7.17 MJ comparados con 5.26 MJ del carbón.
También se han mezclado trozos de neumáticos viejos con asfalto para
producir un agregado asfáltico para carreteras que tiene muchas ventajas sobre el
asfalto común (proceso sueco llamado Plus-Ride), que duran cuatro veces más,
tienen mejor tracción, menos ruido y menos deslumbramiento.
Por lo que una buena opción es aprovechar todo ese caucho confinado a la
basura. En México los basureros municipales tienen a su cargo todo ese material,
sobretodo las llantas, que en la mayoría de los casos los incineran, contaminando
irremediablemente. Entonces si esa es la “solución”, se puede aprovechar toda
esa energía calorífica que se produce al quemarlos, pero además, controlar y
atrapar las emisiones de gases contaminantes, sobre todo el azufre y los bióxidos
de carbono, que mas adelante se comentarán.
53
FLUIDIZACIÓN DE PARTICULAS DE CAUCHO.
Una de las razones para la realización de este proyecto, que consiste en
diseñar un combustor de polvo de caucho ( obtenido de los neumáticos ) para un
reactor de lecho fluidizajo. Es b A s i c ~ n s ~ k la cornbustiór, mediante la fluidizaci6n
de partículas de caucho. A grandes rasgos consiste en adquirir las llantas
inservibles y molerlas ( pulverizarlas ), con cierta analogía a la pulverización del
carbón que actualmente se usa en las centrales carboeléctricas. La combustión es
mucho más eficiente en partículas finas mediante un combustor de lecho
fluidizado.
3.7.- CONCLUSIONES
En esta parte se puede resaltar que el lecho fluidizado es versátil, empleado
para diferentes tipos de materiales para diferentes aplicaciones, desde secado de
granos, de sólidos, quemado de sólidos, polvos farmaceúticos, hasta cultivos de
esporas. En los combustores de lecho fluidizado para el quemado de combustible
gaseoso, líquido o sólido se tienen quemados altamente eficientes.
El caucho molido se puede "fluidizar" ( aunque como se comentará en el
capitulo 4 y 5, no fluidiza ), con la densidad obtenida y el diámetro medio se
encuentra en la región de las partículas D de la clasificación de Geldart, tales
partículas presentan el efecto surtidor.
Se propone clasificar al desperdicio de llantas dentro de los combustibles
industriales, en combustibles sdidos naturales y artificiales, puesto que un kg de
hule de llanta tiene 7.16 MJ con respecto al carbón que es de 5.26 MJ, al
quemarlo se tendría una buena fuente de energía, considerando que es
desperdicio.
Las llantas están compuestas por una variedad de cauchos, por lo que
definir su composición con exactitud no es posible. Lo que se sabe es que en el
proceso de vulcanización que es importante en la conformación de los
neumáticos, utiliza azufre y otros compuestos como retardadores y aceleradores,
54
FLUJDIZACI~N DE PARTICULAS DE CAUCHO.
al ser quemados se tendrán gases tóxicos de azufre además del bióxido de
carbón. De donde surgen las preguntas, ¿como se pueden degradar estos
contaminantes?. ¿Es posible?.
55
PROCESADO DEL MATERIAL, SISTEMA EXPERIMENTAL
CAPITULO 4. - SISTEMA EXPERIMENTAL
4.1 .-PROCESADO DEL MATERIAL
MOLIDO DE LAS LLANTAS
Para esta parte experimental se usaron cuatro neumáticos de coche,
empleándose las caras, puesto que la superficie de rodamiento contenía una malla
de acero, de lo que resultó complicado cortarlas. Tal como se muestra en la
siguiente figura 4.1.
cuerpo (capas)
cinturón de - 1 refuerzo camisa
Figura 4.1 Se muestra la sección utilizada para la experimentación, que son los costados,
comúnmente llamadas caras.
Entonces ya seccionadas las caras de las llantas se procedió a cortarlas en
tamaños de 3 x 3 cm aproximadamente. Este corte fue obligado debido al molino
(micrón k-20, que se nos facilitó en el laboratorio de polímeros del área de
Ingeniería Química), que empleamos, el cuál requirió de esos tamaños.
Para la pulverización se necesitaron 7 tipos de molido, empezando desde el
picado en pequeños trozos, pasando por una criba de 2 x 6 cm, de la cuál se
remolió dos veces, cabe mencionar que en este triturado se presentaron las
pelusas de la fibra de nylon que viene en la llanta misma, se tuvo que separar de
los hilos, posteriormente se empleó otra criba con orificios de 4 mm de diámetro,
nuevamente se emplearon dos veces el molido, el resultado de este molido fue de
que las partículas aún eran grandes 3 mm en promedio además de la presencia
56
PROCESADO DEL MATERIAL, SISTEMA EXPERIMENTAL
de las pelusas de nylon, nuevamente se tuvo que seleccionar y separar, en esta
parte fue con ayuda de un tamiz.
Se empleó otra criba con orificios de 2 mm de diámetro, se repitió todo el
procesc anterior y nuevaments se t w o c ; m separar los polvos de las pelusas de
nylon. Ya en este molido las partículas son menores que el milímetro.
Posteriormente se hizo un tamizado general para seleccionar tamaños del caucho.
El molido se tuvo que hacer lentamente alrededor de dos horas para cada
molienda.
4.2.- SELEC ZION DE PA:< 7,ZULAS
Para poder seleccionar los diferentes tamaños de partículas del caucho se
necesitó de un sistema de tamices, que tienen mallas de 4 mm, 1.8 mm, 0.71 mm,
0.5 mm.
El tamizado se llevó de la siguiente forma: se tomó una porción del material,
se depositó en el tamiz de orificio mayor, se accionó el dispositivo (tamizador), con
un tiempo de 10 minutos, se depositaron los diferentes tamaños en bolsas
etiquetadas. Nuevamente se repite 9 veces el proceso hasta acabar el material.
Esta etapa fue una preselección para de tener una primera aproximación de
tamaños da partículas, puesto que se tenía partículas muy grandes, así como
partículas muy finas. Se recuperaron partículas de malla de 1.8 mm, de 0.7mm y
de 0.5 mm, la cantidad de 2528 gr en total.
4.3.- DETERMINAC16N DE LA DENSIDAD DEL CAUCHO
Para determinar la densidad del caucho, se tomaron muestras de hule, se
pesaron y se sumergieron en una probeta graduada, entonces el volumen
desplazado fue el volumen de la muestra (Principio de Arquímedes), para
finalmente hacer una simple división de masa entre volumen, que resultó de 1 . I8
gr/cm3.
57
PROCESADO DEL MATERIAL, SISTEMA EXPERIMENTAL
4.4.- FLUIDIZACI~N
Se arm16 pequeño r:.?xdor de cristal de 23 cm de alto con 8.5 cm de
diámetro, conectado a un medidor de presión y un filtro. El primer intento de
fluidización fue con los finos, se introdujeron una cuarta parte del espacio total del
lecho, se le suministró aire con una presión no mayor de 2 bar, e inmediatamente
se levantaron los finos pero en grumos (agrupación de finos), las fuerzas
electmstáticas se hicieron presentes, por lo que la fluidización no ocurrió como se
esperaba. Se intent6 con el molido normal (sin tamizar) con la cantidad de menos
de un cuarto del espacio total que fue de 126 gramos que ocupó un volumen de
220 ml. Esto es, la altura inicial del lecho fijo fue de 5 cm. Se le suministra aire
lentamente hasta llegar a 3 bar empiezan a moverse y a expandirse, pero al llegar
a 4 bar se expande el lecho y aparece el efecto surtidor.
La expansión del lecho llega a 7.5 cm en total, un 50 Yo del lecho
empacado.
Además se observa que una vez expandido el lecho, instantes después se
registra una caída de presión de 4 a 3.5 bars. Esto es debido a la presión
necesaria para vencer el peso de los sólidos empacados, para iniciar la
fluidización y posteriormente decaer la presión 0.5 bar. Cuando ya aparece el
efecto surtidor se notan dos cosas principalmente. El efecto surtidor ocurre
periódicamente, en intervalos de tiempo mas o menos iguales, y el otro efecto fue
el arrastre de los finos, hasta la salida del reactor.
En este primer intento se puede hacer notar que la expansión del lecho
ocurre, se obsewó que al incrementar la presión la expansión se hace mas 0
menos proporcional, hasta llegar a una expansión de más del 50 Yo del lecho total.
Pero con la limitante de que el distribuidor es poroso, es decir, llega el momento
en que al aumentar la presión, el efecto de fluidización no cambia; ademas por el
tamaño del reactor sólo se pueden fluidizar cantidades pequeñas de sólidos.
58
PROCESADO DEL MATERIAL, SISTEMA EXPERIMENTAL
4.5.- FLUIDIZACIoN CON OTRO REACTOR DE L.F.
Tratando de superar los inconvenientes del reactor anterior, en la planta
piloto, en el !sbor&cri3 ds R~idizxicn, se nos facilitó un reactor con dimensiones
más grandes y con un distribuidor con orificios de 1.5 mm de diámetro, lo cual nos
permiti6 intervalos de gastos y presiones amplias que el del distribuidor poroso. A
continuación se presenta el dispositivo empleado (figura 4.2):
Figura 4.2. - Fotografía del reactor de lecho fluidizado empleado.
59
PROCESADO DEL MATERIAL, SISTEMA EXPERIMENTAL
En forma esquemática se puede observar en la siguiente figura 4.3:
ENTRADA DE AIRE
VMVlllnS DE
EDIDORES DE PRESIóN EN LA ENTRADA El\ U -
I L I
I I
I
I I
185 cm I I I I I I I I I
I
" J .
' l - i i ! ( DiRECClON DE FLUJO DEL AIRE u '1
Figura 4.3. - Esquema y dimensiones del sistema de lecho fluidizado empleado
En este tipo de reactor Ge tubo de vidrio de diámetro de 1 O cm por 185 cm
de alto, se depositaron 900 gr de hule molido alcanzando una altura de 20 cm, que
es el lecho empacado, como valor inicial. Este sistema cuenta para la regulación
del paso y la lectura del fluido (gasto de aire) con una válvula de aguja colocadas
en serie con dos rotámetros. Un rotámetro de lecturas finas (0- 5 ft3/min) con
lectura mínima de 0.1 ft3/ min, y el otro de lecturas de gastos grandes (5-20 ft3/min)
con escala mínima de 0.5 ft3/min. Esta disposición es debida a que al inicio del
paso del fluido el rotámetro de escala grande no registra los gastos de 2 a 5
ft3/min.
Otra parte importante de resaltar en este reactor es la ubicación de las
tomas de aire para la medición de las caídas de presión. Esta se encuentra
justamente por encima del plato distribuidor, es decir, en la base de las partículas
empacadas. Tal como se presenta en la figura 4.3. Por lo que adaptamos un
manómetro de tubo de vidrio en forma de "U". Y medimos las presiones por
diferencia de alturas de un nivel de agua. Se optó por este tipo de rnanómetro por
las presiones bajas del aire que se presentarían en la fluidización.
PROCESADO DEL MATERIAL, SISTEMA EXPERIMENTAL
Se inicia el proceso en condiciones ambientales del laboratorio, a una
temperatura de 22 "C y 585 mmHg de presión. Cuando se abre la válvula de paso
de aire no hay registro de valores en el rotámetro A hasta llegar a un gasto de 2.0
fi3/min con una caída de presión asociada en el lecho de 0.9 mmH20, el procesc
continua hasta llegar a valores de gasto de 13 ft3/min, que era el intervalo de
lectura de presiones de 25 mmH3.0, de hecho se llegaron a gastos de 17 ft3/min,
pero la medición en el manómetro de agua oscilaba que demasiado, además de
que la fluidización presentaba arrastre de partículas. El proceso se describe en
forma gradual en la siguiente tabla:
Tabla 4. l . Observaciones durante el fluidizado del lecho de caucho.
U (m/s) G (ft'/min) 1 AP (mmH20) OBSERVACIONES O No hay cambio O O 0.1 146
2.2 1 Sin cambio 3.0 0.1719 Sin cambio 1.6 2.5 9.1432 No hay cambio 0.9 2.0
-.
0.2005 Formación de canales en la pared 3.2 4.0 0.2292 Sin cambio 2.8 3.5
0.2578
5.5 0.31 51 Ligero cambio 1.5 cm 4.8 5.0 0.2865 Aumento de canales 4.2 4.5
6.3 i Expansión mínima 2.0 cm 6.0 0.3438 Ligera expansión 1.8 o 1 YO del total 5.6
0.3724 Sigue expandiéndose ligeramente 6.8 6.5 ~ 0.4297 Altura del lecho es de 23 cm 7.8 7.0 0.4584
8.0 0.4870 7.5 8.1 1 Expansión brusca del lecho 30 cm 1
9.5 ~ 11.2 i Presión oscilante con surtidores 0.5730 10.8 1 El nivel es aún visible 9.0 0.5433 10.2 I Inician erupciones y burbujeo 8.5 0.51 77 8.4 i Lecho expandido con brotes ~
~~~~
0.601 6 0.6303
12.0 I Se incrementa el surtidor 10.0 12.5 I Surtidor con pequeñas burbuias 10.5
0.6589 O. 6876
13.8 j Zona de transición 11.0 14.8 I Inicia fluio tapón 11.5
0.71 62 0.7449
16.8 j Flujo tapón brusco 12.0
25.0 ~ Inicia efecto arrastre. 13.0 i 0.7830 22.0 I Oscilaciones grandes en la presión 12.5
61
PROCESADO DEL MATERIAL, SISTEMA EXPERIMENTAL
4.6.-DIGITALIZACI¿lN DE IMÁGENES
A continuación se presentan una serie de imágenes durante el proceso de
fluidización:
Inicialmente el lecho está empacado, con altur: de 20 cm, el proceso sf-!
inicia tal como se ml;estra en la tabla 4.1 (tabla anterior). Se le inyecta aire hasta
que el lecho empieza a expandirse (se registra un aumento de 1.5 cm). Se ha
dejado una marca donde empiezan a moverse.
Figura 4.4.-
Hasta este momento la caída de presión es de 4 a 5 mm-H20 con velocidades de
0.25 a 0.3 m/s. No se presenta movimiento de las partículas.
Figura 4.5.-
U= 0.35 mis U= 0.37 a 0.4 m/s
PROCESADO DEL MATERIAL, SISTEMA EXPERIMENTAL
AI ir incrementando la velocidad del gas, 'el lecho continúa expandiéndose
paulatinamente, en las fotografías (de izquierda a derecha). Se tiene la secuencia
después de la expansión se tiene un cambio repentino, empiezan a moverse las
partículas, este movimiento es por zonas iiei-1ii-o del Iezho, qtie oc -oe cuando la
velocidad U del gas toma los valores de 0.3 a 0.4 m/s, en la última fotografía se
presentan acanalamientos en las paredes onginando pequefios brotes discretos.
Figura 4.6.- Seguimos incrementando la velocidad del gas:
Y llegamos a una parte en que el lecho empiezan a moverse pero
uniformemente, en un intervalo de velocidades de 0.4 y 0.45 m/s, a este intervalo
la hemos llamado velocidad mínima burbujeante.
Continuamos incrementando la velocidad, y el lecho continua burbujeando,
hasta llegar a una etapa en que las burbujas crecen repentinamente, tal como se
presentan a continuación:
Figura 4.7.-
IJ c1.45 m/s U = 0.6 m/s
63
PROCESADO DEL MATERIAL, SISTEMA EXPERIMENTAL
En este intervalo de velocidades, al que hemos llamado zona de burbujeo constante, es precisamente debido al efecto burbujeante del lecho, que conforme se le aumente la velocidad el burbujeo es más evidente. Pero las burbujas también crecen conforme crece la velocidad. del gas. También se tiene un incremento del
A partir de 0.55 m/s hasta 0.6 m/s se tiene una zona ,nteresante, las burbujas han crecido pero ascienden a la superficie del lecho rápidamente, éstas burbujas son cerca del 30% del diámetro de la columna, pero antes se tiene una expansión casi uniforme, esta expansión es muy rhpida, puesto que inmediatamente después surgen las burbujas: Figura 4.8.-
. ?OO% del !echo. I ” .
Este efecto se le ha denominado como surtidor (spouted). Considerando un acercamiento, se puede apreciar el efecto “fuente” que caracteriza al surtidor: Figura 4.9.-
PROCESADO DEL MATERIAL, SISTEMA EXPERIMENTAL
La caída de presión AP es 11 a I 2 mm-H20, este efecto se presenta rápidamente, antes de que la velocidad del aire sea mayor de 0.6 m/s.
Seguimos incrementando la velocidad del aire, se llega a una zona de ?.rmsición, inicia el efecto intermitente (slugging), en es.a zona la presión tambiélz empieza a oscilar, se muestran a continuación una serie de fotografías que corresponden a esta zona: Figura 4.1 O
También presentan características de flujo tapón. Este efecto se presenta a velocidades de 0.6 a 0.65 m/s. Las oscilaciones en la presión son aún más grandes.
A partir de 0.65 m/s de velocidad del aire se tiene una zona en donde las ,
burbujas crecen rápidamente hasta ocupar el diámetro de la columna, esta burbuja se alarga rápidamente en forma ascendente para estallar bruscamente, tal como se presentan a continuación: Figura 4.1 1 .-
65
PROCESADO DEL MATERIAL, SISTEMA EXPERIMENTAL
En las tomas anteriores se nota la secuencia en el momento que nace la burbuja, crece, y cuando ésta se alarga al mismo tiempo nace otra burbuja que se integra a la primera por lo que la burbuja crece rápidamente al doble par finalmente explotar y contribuir al arrastre de sólidos.
En esta parte, como las oscilaciones en caída de presión se estaba incrementando se complicaba mantener constante el gasto volumétrico, por lo que se tenía que estar vigilando y ajustando el rotámetro. Cuando la velocidad del aire se acercaba a 0.7 m/s, las explosiones de las burbujas se hacían más fuertes, esta zona a la que se le ha llamado zona de transición a la zona de arrastre, transición que ocurre demasiado rápido: Figura 4.12.-
. ”-
Prácticamente sería el inicio de una zona de arrastre. La primera fotografía
(de izquierda a derecha), se observa un efecto de flujo tapón que inicialmente
empieza a oscilar y a crecer conforme crece “la bolsa de aire”; cuando la burbuja
crece demasiado, se tiene las otras tres fotografías restantes, la burbuja crece casi
del tamaño de la columna, por lo que al juntarse nuevamente las partículas se
tiene un cambio brusco en la presión y se hace cíclico este efecto, (tal como se
presenta en la fotografía de la izquierda).
66
PROCESADO DEL MATERIAL, SISTEMA EXPERIMENTAL
A velocidades mayores de 0.75 m/s estamos en zona de arrastre de partículas. En este intervalo de velocidades se tienen zonas de arrastre que son marcadas a lo largo de la columna Figura 4.1 3.-
Figura 4.14.-
67
PROCESADO DEL MATERIAL, SISTEMA EXPERIMENTAL
Para estas velocidades El arrastre es muy grande, para velocidades
mayores a 0.75 m/s, cerca de 0.8 m/s, ya no se registraron caídas de presión
(nuestro medidor ya no los registraba), sólo se registraron las observaciones, de
hecho se alcanzaron velocidades superiores a 0.8 m/s en la cuál se observarui-1
los efectos de arrastre (figura 4.13 Y 4.14).
Cabe mencionar las condiciones limitantes del reactor, una de ellas eran las
vibraciones que aumentaban gradualmente y eso impedía tener confianza en la
operación del mismo.
SISTEMA EXPERIMENTAL, TAMAÑO DE PARTÍCULAS
4.7.-TAMAÑO DE PARTICULAS
METODOS DE CAFWCTERIZACIoN.
Para el proceso de medición del tamaño de partículas se emplearon dos
métodos: mediante tamices y mediante un paquete de computadora.
La geometria de las partículas a determinar es como las que se presentan
en la siguiente figura:
FIGURA 4.15. - Formas irregulares del polvo de llanta, ampliado 4 veces.
Se pueden observar las formas muy irregulares de las partículas, que van
desde “churritos” hasta formas caprichosas.
Cuando se mide el tamaño de una partícula esférica, con una regla o por
otros procedimientos, se sabe lo que la medida significa. Pero en este caso con
partículas no esféricas se tienen dificultades, sumándole aún más la complicación
si la partícula es de hule. Si extraemos una partícula cualquiera de la muestra
(figura 4.1 5) e intentamos dimensionarlo, tal como se muestra a continuación:
69
SISTEMA EXPERIMENTAL, TAMAÑO DE PARTÍCULAS
FIGURA 4.16.- Partícula de caucho de geometría irregular de dimensiones a x b.
Partícula aumentada.
En esta partícula cuestionamos el significado de las dimensiones I' a y b ,
por lo que para poder determinar su diámetro (d,,), tenemos que recurrir a los siguientes argumentos:
El tamaño de partícula d,, se define de tal forma que sea útil para los
objetivos de flujo y pérdida de presión.
Entonces la evaluación de d,, depende del tipo de instrumento disponible
para medir el tamaño de partícula.
Por mencionar algunos métodos básicos tenemos:
Para partículas grandes (mayores de 1 mm) se puede determinar el tamaño
de la siguiente forma:
O Pesando un número conocido de partículas, si se conoce su densidad.
O Por desplazamiento de un fluido por un número conocido de partículas,
si las partículas no son porosas.
O Mediante calibres o micrómetros, si las partículas son de forma regular.
Para tamaños intermedios, el análisis por tamizado es la manera más
conveniente de medir el tamaño. Cada fabricante tiene sus propios tamaños
diseñados, por tanto se sabe que tamices se están utilizando.
El tamaño del tamiz (dtam) es entonces la media entre la abertura del tamiz
que justo deja pasar la partícula y el tamiz sobre lo que resta, método que
empleamos varias veces debido a la diferencia de tamaños que se tenían.
Cabe aclarar que existe el inconveniente de que no hay una relación
general entre el dtam y dp, por lo que se tienen que hacer ajustes y aproximaciones.
0 Para particulas irregulares sin alguna dimensión más larga o más corta se
toma:
70
SISTEMA EXPERIMENTAL, T A M ÑO DE PARTÍCULAS
d p NN 4 dtam O Para partírrllas irregrdares con z?!guna dimer?sión más larga, pero que la razón
longitudinal no exceda 2:l. Ejemplo: huevos, etc. Se tiene la siguiente relación:
d p 4 a m O Para partículas irregulares con alguna dimensión más corta, pero que la razón
no exceda de 1 :2, se tiene la siguiente aproximación:
O Para partículas aciculares como fibras:
d p %am O Para partículas muy planas como tortas:
d p 5 42 dtam
Pero como nuestro experimento tiene que ver con una distribución de
tamaños de partículas, se puede definir el tamaño medio de varias formas. Lo que
se sabe es que es la superficie de la partícula que da la resistencia friccional al
flujo, entonces nos conviene definir un tamaño de partícula promedio con relación
a su superficie. Por consiguiente:
1 Tamaño Único de partícula que tendría la misma área superficial total que la mezcla de tamaño en cuestión
P - ' -igual volumen total del lecho e igual fracción de 1 huecos en amboscasos
d -
Esta definición conduce a la sencilla expresión:
1 d = P (
Llamado diámetro de Sauter..
71
SISTEMA EXPERIMENTAL, TAMAÑO DE PARTÍCULAS
En el experimento se utilizaron un lote de tamices de diferentes números de
mallas (tipo Tyler), los resultados obtenidos se reportan en la siguiente tabla:
i'at!d 4.2.Resultados del tarnizacio
malla sbertura(m di masa (gr) xi Xi / di m) 2 1.84 O o O
10 1.68 1.405 408.9703 0.436200789 0.31 04631 95 16 1.13 0.965 496.0295 0.529056655 0.548245239 20 0.8 0.75 30.91 12 0.032969362 0.043959149 24 0.7 0.62 0.6487 6.91 892E-04 0.001 11 5956 30 0.54 O. 52 0.221 6 2.36355E-04 4.54528E-04 35 0.5 0.44 0.0604 6.4421 6E-05 1.4641 3E-04 30 3.38 0.2385 0.074 '7.89271 E-O5 2.321 67E-04 50 0.297 0.237 0.6578 7.01 598E-04 0.00296033 80 0.1 77 O. 1585 O O O 1 O0 0.14 . O. 1225
1 150 0.1 05
i masa total = 937.5735
(gr) sumatoria total 0.907577977 I
El resultado obtenido finalmente para esa distribución de tamaños y para
esos tamices fue de diámetro medio dm =1.1018 mm.
4.8.- DETERMINACIóN DEL TAMAÑO DE PARTíCULAS MEDIANTE UN
PAQUETE DE COMPUTADORA.
El otro método que se empleó fue mediante un software de cómputo,
(SCIAN IMAGE, Release Beta 3b, 7/23/98), cuyo funcionamiento es el siguiente:
PREPARACIóN DE LAS MUESTRAS:
Primeramente usaron las diferentes muestras tamizadas. Las muestras más
representativas fueron las provenientes de mallas 16, 20, y 24. De cada lote se
extrajeron muestras del orden de 150 partículas, éstas se colocaron en un panel
de cristal con luz difusa en la parte inferior, esto con la intención de contrastar las
formas de las partículas con la luz difusa, que daría las condiciones para filmarlas,
la fotografía se muestra a continuación, en la figura 4.16:
..
SISTEMA EXPERIMENTAL, TAMAÑO DE PARTÍCULAS
Figura 4.16. -Fotografía de una muestra que se le suministra al software.
\ . i
0 I
c I
La muestra fotográfica se introduce er. el paquete, debido a que el paquete
lee los contrastes de tonos claros y oscuros, es decir, las partículas de caucho son
negras con fondo claro de luz difusa. Realiza un conteo de partículas, aproxima el
contorno de las imágenes de partículas a la medida de un perimetro, pero al inicio
de la alimentación de los parámetros se introduce la medida de referencia con el
cuál el paquete compara, para este caso fue de 100 mm, y los resultados que
arroje el sistema las dará en milímetros, también aproxima a la partícula con una
elipse, y por lo tanto nos proporciona el área de la partícula como si fuera una
elipse, dándonos los valores de su área, los semiejes a y b. Cabe señalar que el
conteo de las partículas mediante este método es rápido, el inconveniente está en
la preparación de la muestra y en la parte de filmado con la digitalización de las
tomas para que el paquete las pueda leer.
Por otra parte se tienen gran cantidad de valores de áreas de partículas, el
problema que nos enfrentamos es el significado de esa área que corresponde a lo
más cercano a una elipse. El criterio que adoptamos es, que podemos acercarnos
a un diámetro equivalente, es decir, el área obtenida de las partículas
aproximarlas a un área de una esfera que tuviera la misma área (figura 4.17):
'3
SISTEMA EXPERIMENTAL, TAMAÑO DE PARTÍCULAS
Figura 4.17. - Aproximación de la partícula a una elipse (elipsoide)
Usamos la siguiente relación:
La ecuación de la elipse:
A = a h elip La ecuación de un círculo:
A = x 2 de 4
(4.2)
Igualamos ambas ecuaciones (4.1) y (4.2), para d2spejar de y nos queda:
A el@ d = 2 e 7r
En la siguiente tabla se dan los resultados para diferentes muestras el diámetro equivalente.
Tabla 4.3. Diámetros equivalentes para distintas muestras MUESTRA I DIÁMETRO EQUIVALENTE
1 0.8607 2 0.8869 I 3 0.9445 4 1 .O45 5 I 0.5386
7 1 .O755 8 0.5739 9 ~ 0.5068
1 .O416
I 4
6 0.8384
I 1 10 ,
Dando u n promedio de:
d =O33 mm i' ,.: , ' ,
Posteriormente se discutirá este resultado.
SISTEMA EXPERIMENTAL, TAMAÑO DE PARTÍCULAS
4.9.- DETERMINAC16N EXPERIMENTAL DE LA ESFERICIDAD DE LA PARTíCULA
LC, mismo para Ir. dewminación del diámetro equivalente de la partícula,
para la esfericidad (4), Gxisten dificültades y r a determikc 4 y para relacionarlo
con los diámetros obtenidos, para el caso del tamaño obtenido mediante el
tamizado de las particulas irregulares, debemos entonces de considerar los siguientes inconvenientes.
En primer lugar, todo tipo de formas de partículas pueden tener la misma
esfericidad, por ejemplo, lápices, buñuelos, monedas, etc.
Et1 seguncic; iucp;, ¿Cómo se cuantifica la forma de huevo de una partícula
irregular?, Y cómo ha de tenerse en cuenta la rugosidad de la partícula. Por lo que
es muy difícil y tedioso evaluar adecuadamente la esfericidad de las partículas
irregulares. Una forma de relacionar el diámetro de la partícula, (dp ), con el
diámetro de la partícula obtenida del tamizado, (dtam), es determinar
cuidadosamente y con precisión la fracci6n de huecos del lecho, a continuación se
mide la pérdida friccional de este lecho, para una serie de velocidades de flujo, y
las características del lecho para luego insertarlas en la ecuación de Ergun, y
finalmente aplicamos :
d = $ d p e tam
Para nuestros propósitos se ha optado emplear el métc .,: computadora,
utilizando un método geométrico con las siguientes relar%.
d e , = 4 d , 4 '
d. :u -- 5 7 : 3 equivalente
dad
' ' Ametro de la esfera
Definimos otro tipo de diámetro qup c - :, ,na el área entre el perímetro:
7 5
SISTEMA EXPERIMENTAL, TAMAÑO DE PARTÍCULAS
A n a b - - ds = P P
Pero como se había defho que el área de la elipse se aproximaba al área
cis !a esfera, (ecuaciones (4.1) y (4.2)). para llegar a la eupresión (4.39. Pero se
tiene que ajustar este diámetro que es el factor de esfericidad, que ya la hemos
definido en la ecuación (4.5).
Igualamos la ecuación (4.5) y (4.6):
Para finalmente despejar 4:
Pero esta esfericidad es para cada partícula de c-' "+!-a, entonces
protnediamos con:
Usando entonces estas expresiones se dan los resultados en la siguiente
tabla Tabla 4.4:- Valores de esfericidad promedio para diez muestras.
1 MUESTRAS
0.2290 1
ESFERICIDAD PROMEDIO
I 2 i 0.2291 3 0.2281
4 0.2332
!
5 ~ 0.2306 I
6
8 0.2317
0.2314 7
0.2274
0.2272 10
9 0.231 2 I I
I
76
SISTEMA EXPERIMENTAL, TAMAÑO DE PARTíCULAS
Por lo tanto la esfericidad promedio total:
4.10.- CONCLUSIONES
En la parte experimental es muy importante los criterios que se adoptan
para aceptar o justificar los resultados.
En la parte de digitalización de imágenes de la fluidización es importante
mencionar que cuando se operaba y se grababa, en el reactor no se apreciaba
algunos efectos que se hacían evidentes al momento de reproducirlas, como es el
efecto surtidor. En algunas imágenes se tienen acercamientos en el cuál se
aprecia este efecto fuente.
Para este tipo de partículas no se presenta el efecto de fluidización suave,
puesto que se encuentra en la zona de burbujeo.
En la determinación del tamaño de partículas se emplearon dos métodos,
tamizado y por computadora, siendo el de computadora el más preciso dando
valores del orden de 8 mm.
En la determinación de la esfericidad se optó por el método geométrico,
debido a la complejidad de determinarlo por otros métodos.
77
RESULTADOS Y ANÁLISIS
CAPITULO 5.- RESULTADOS Y ANALISIS
5.1 .- ANALISIS DE LA CURVA DE FLUIDIZAC16N DEL LECHO
Con base en ¡a observación de las imágenes, los datos obtenidos de
velocidad y caída de presión se ha construido la gráfica (5.1). En el cuál se
pueden apreciar las diferentes zonas con sus diferentes efectos, que se pueden
resaltar algunos efectos importantes.
r
0.0 02 0.4\ ~~
0.6 A
0.8
El experimento se realizó en dos formas partiendo de U=O (m/s) hasta
U=0.8 (m/s), al cuál la hemos llamado de “ida”, y de U=0.8 m/s hasta U = 0 m/s
como “retorno”, entonces la delimitación de las zonas se consideran los
78
RESULTADOS Y ANALISIS
producidos en ida y de retorno, además de del efecto de histéresis debido a la
precisión el equipo, vibración del mismo, es decir que no siempre se producen los
mismos efectos en ida y de retorno. En este caso la variación es mínima, donde se
hace más notoria para la determinación de ¡a mir~lma velocidad de burbujeo.
Después de la expansión que ocurre hasta U = 0.4 m/s a AP = 7 mmHpO,
comienza la zona de mínimo burbujeo, este efecto hasta una velocidad de U = 0.45 m/s, es de aclarar que este tipo de material no tiene velocidad de minima
fluidización por los argumentos que se discutieron en el capítulo anterior. Entonces
para este tipo de material se puede identificar la velocidad de mínima burbujeante
( Umb = 0.4 m/s).
AI irse incrementando la velocidad a partir de U = 0.45 se tiene una zona de
burbujeo constante hasta valores de U = 0.55 m/s, con un incremento del lecho
cerca del 100%.
A partir de U = 0.55 m/s se tiene un efecto interesante, el efecto surtidor, la
podemos observar en la zona delgada que se extiende a 0.6 m/s, este efecto
ocurre rápidamente, de hecho, el análisis se pudo hacer mediante la película, en el
capítulo 3, se tiene las imágenes y acercamientos de este efecto.
A velocidades mayores de U = 0.6 m/s hasta U= 0.65 m/s se tiene efectos
de transición, en esta zona la variación de la presión va en aumento. Estos se
incrementan conforme incrementamos la velocidad del gas hasta llegar a zonas de
turbulencia para luego dar paso a zonas de arrastre, que ocurre a velocidades
mayores de U = 0.7 m/s. A velocidades aún más altas la medición ya no fue
posible, debido a la inestabilidad de la presión, la vibración del equipo.
79
RESULTADOS Y ANÁLISIS
5.2.- CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Una Vez ider?tificado las vdocidades de fluidización, las expansiones del
lecho, las caídas de presión, se pueden resumir los parámetros necesarios para el
diseño de un combustor de lecho fluidizado, (en frío).
Velocidades de operación del lecho, refiriéndose a múltiplos de velocidades
de mínima de fluidización:
U , =nu, Tipo de lecho fluidizado, que puede ser de intercambio de calor, de
combustión etc. Que para nosotros tiene que con procesos de reacción,
propiamente de combustión de partículas de llanta para obtener calor para
calentar agua, etc.
Se necesita conocer las caraAerísticas de las partículas, tipo de material
(partículas tipo D de carta de Geldart), densidad, tamaño, esfericidad, poder
calorífico, productos de combustión. Entonces para el caucho son:
t
p = 1.18 @=/’’. ,,/ m1 densidad del caucho
d, = 0.86 mm (mediante el software)
d,, = 1.12 mm (mediante el tamizado)
4 = 0.23 esfericidad de la partícula
Característica del lecho:
mlecho = 900 gr masa del lecho
E~ = 0.55 fracción de vacío
L, = 21.5 cm altura del lecho
L,, = 22.9 cm altura en la mínima burbujeante
80
RESULTADOS Y ANÁLISIS
Lb = 25.9 cm lecho burbujeante
gr cm Plecho 0.53 -7 densidad del lecho
pgas = 1.2 kg " m 3
densidad del gas
5.3.- MODELO EN FRlO DE UN QUEMADOR DE LECHO FLUIDIZADO
Nuestro laboratorio tiene un modelo en frío de un horno de lecho fluidizado
de los que se utilizan para la generación de vapor de agua a partir de Sa
combustión de carbón. La unidad consiste de un recipiente de 1 m' de sección
transversal, que fluidiza roca triturada de aproximadamente de 4 mallas de
Zamaño, con una altura de lecho de 0.5 m.
Figura 5.1 .-Esquema de un sistema de lecho fluidizado.
Se introduce en el compresor aire a temperatura ambiente a 20°C, pero se
estima que el lecho por sí mismo estará más caliente cerca de 40°C. Necesitamos
determinar:
0 A) La velocidad superficial del gas que justo fluidizará a los sólidos.
81
RESULTADOS Y ANALISIS
O B) La velocidad del gas si se planea operarla 4 veces la velocidad de mínima
de fluidización.
O C) El tamaño del compresor (si se conoce su eficiencia que es del 6O%),
suponiendo que las pérdidas de presión a traves de la placa y cleI ciclón son
del 20 y del 1 O Yo de la del lecho respectivamente.
Se dan los siguientes datos:
p, = 2900 kglm3,d,, = 5 mm, q4 = 0.6, E , = 0.4, cmf = 0.5,
If = 0.6
paire = (40°C) = 1 . 9 6 ~ k g l m s .
PM = 0.0289 k g / kg - mol Primeramente determinamos el diámetro de la partícula nediante la
relación:
d , = 4 d,, = (0.6) (5mm) = 3 mm = 0.003 m
Para determinar la altura del lecho en la mínima fluidización:
Affr = L, ( 1 - E,)( 1 - 0.4)g = 8522.46 Pa
Realizamos la corrección de la presión P2 en el tubo:
P2 = presión inicial (tubo) + presión en el lecho:
82
RESULTADOS Y ANALISIS
P2 = 101.325 kPa + 8.5225 kPa = 109.8475 kPa.
La densidad media del gas en el lecho:
109.8475 + 1 O 1.325 2 ( P W ( P ) - - = 1.172 k g / m 3
0.0289~ (- -1 -
Pg-lecho - RT, (8.3 14)(3 13.15)
Usamos la ecuación de Ergun para encontrar u,
Sustituyendo valores y despejando Umf, nos queda una ecuación cuadrática:
1.8459 + 0.441 U , - 9.5877 = O
Resolviendo la ecuación :
Umf = 2.1627, - 2.4016 m l s
por lo tanto:
La operación del lecho será cuatro veces la mínima de fluidización:
83
RESULTADOS Y ANALISIS
Por otra parte determinamos el caudal justo a la entrada del lecho:
donde V3 = ? Y t , $ x A
Por otra parte realizamos un balance de energía alrededor del compresor, y
usamos la siguiente relación de trabajo:
k-1
k k-1
L
donde k = 1.4
sustituyendo valores:
1.4-1
ws ideal - - ~~ __~- (91.291) (8.314) (293.15) 1.4 - 1
el valor del trabajo ideal es:
vs ideal = 255.2 1 1 kw = 190.3 139 f$P
Pero tenemos el valor de la eficiencia:
84
RESULTADOS Y ANÁLISIS
que corresponde a la potencia real en la mínima fluidización.
Realizamos el mismo procedi.niento para el cálculo de ia potencia en 4
veces la velocidad de mínima fluidización:
donde V3 = 4Umf X A
1.4-1 1.4 (365.167) (8.314) (293.15)
Ws real - - ~ ~~-~~ "" .. .. "~ ~~~
1.4- 1 0.6 101325 L
W, real = 1695.01 kw
Considerando las pérdidas de presión en el distribuidor y el ciclón que es el
30% del lecho:
Wsreal = 1.3 X 1695.01 kw = 2203.513 kw
Es la potencia necesaria para fluidizar las partículas de carbón para este
quemador.
85
RESULTADOS Y ANÁLISIS
5.4.- COMPARACldN DE LAS PARTICULAS DE GELDART (D) Y LAS
PARTICULAS DE LLANTA
Tabla 5.1 .- Características de los cuz?ro grupos de los polvos de Geldart y la clasificación
del polvo de llanta.
Característica I Polvo de Ilant; Flúor I F.C.C Arena Trigo Ejemplo:
Tamaño de ~
Diámetro
dp< 20 pm 20 < dp<9C
I pl í
~~ ~~~
dp> 650 pm
Despreciable
Sensible al efecto surtidor
partícula
pp= 2500 kglm3
90<dp<650 pm 500CdpCl O00
CLrn r*> En las paredes
no es
despreciable
Sensible al efecto surtidor
Rápido
Mediano
redondas
Encausamiento
(acanalamientos)
Grande Despreciable Pequeño
Lechos poco
Profundo
Ninguno
Suave
Alto:
formación
de
burbujas
Esfera de
base plana
Viscosidad
Aparente
de
orden 1 p .“
Efecto surtidor
(spouted)
Rapidez de co-
lapsamiento al
cese de flujo de
gas Expansión
Ninguno
¿?
Bajo: debido
los canales
Ninguna,
solo canales
Campo alto
de presión
Rápido Rápido
t Mediano Mediano
burbujas
Redondas Redondas
Carácter
reológico de fase densa
Viscosidad
Aparente de
orden de 5 p
Viscosidad
Aparente de
orden de 10 p
desconocido
36
RESULTADOS Y ANALISIS
Muy bajo
Muy bajo
Flujo tapón
- Desconocido
Desconocido
Alto
Alto
- Mezclado de
sólidos
Inversión de
mezclado del
gas Modo
intermitente
"
"
(slwging) Efecto de dp
Hidrodinámica
Efecto de la
distribución del
tamaño de
partículas
"
1 1 - (*) Es preciso mencionar que el diámetro de la partícula de I
Asimétrico
"_ ."
Considera- ble
Considera- ble
Mediano
Mediano
Demasiado Asimétrico
Pequeño
Despreciable
Bajo
Bajo
Flujo tapón
- ." " " ". considerable
Causa coalescencia de partículas
,lanta depende
Bajo
desconocido
~
Desconocido
Puede causar coalescencia
de burbujas
B I tipo de
molido y del molino.
En esta tabla se compara las partículas comunes y representativas del
grupo D, como es el caso del grano de trigo. Se hace evidente que en algunas
características del modo de fluidizado del polvo de llanta no coincide con el del
trigo, por ejemplo, en los acanalamientos para el trigc 0- %spreciable, no así para
el polvo de llanta, aunque sean del mismo orden de tamaño. Pero para los efectos
surtidores ambos son sensibles. Para otro tipo de efecto como el modo
intermitente se tiene flujo tapón para el polvo de llanta y para el trigo es
desconocido. Aunque el carácter reológico de fase densa para el polvo de llanta
se desconoce (experimentalmente no se ha podido determinar) y para el trigo se
tienen datos (mencionados en el recuadro de la tabla 5.1).
87
RESULTADOS Y ANÁLISIS
5.5.-ALCANCES
Se podría experimentar con la combustión del polvo de llaria en un
combustor real para encontrar e identificar parámetros térmicos reales, un posible
combustor seria el que tiene cl Instituto de Investigaciones Eléctricas (l. I . E.). Es
un combustor de lecho fluidizado experimental de 0.5 Mw (t), (figura 5.2),que les
sirvió para fluidizar y quemar ?articulas de carbrjn, basura compactade y coqce.
Figura 5.2.-Cornbustor de lecho fluidizado experimental de 0.5 Mw (t) del Instituto de
Investigaciones Eleéctricas (I.I.E.)
88
RESULTADOS Y ANALISIS
En estas pruebas encontraron eficiencia de la combustión, la capacidad del
lecho para absorber contaminantes en diferentes condiciones de operación, como
pueden ser excesos de aire, temperatura y altura del lecho, grado de recirculación
da finos, &c.
Por lo que comprobaron que existe una notable reducción en la emisión de
óxidos de azufre en comparación con los métodos de combustión tradicional.
5.6.- CONCLUSIONES
En este trabajo se caracterizaron a las partículas de llanta y es importante
resaltar que este tipo de material no fluidiza. De acuerdo a la gráfica 5.1, no se
alcanza una velocidad en que la caída de presión sea constante, y esto concuerda
con el tamaño de las partículas, puesto que Geldart las había predicho, para estas
partículas del tipo D sólo pueden fluidizar en la forma burbujeante, y para
velocidades mayores a la burbujeante presenta efectos surtidores, e intermitentes.
En el proceso de quemado de las partículas, los tamaños son aceptables
puesto que para velocidades mayores a 0.6 mls se tiene una dispersión aceptable,
y suponemos que el quemado sería eficiente, claro que faltaría comprobarlo.
Aunque no se conoce exactamente la composición química del polvo de
llanta, pero por el proceso de vulcanizado sabemos que contiene básicamente
hidrógeno, carbono y azufre, siendo los productos de combustión del azufre los
más perjudiciales, pues son el origen de las lluvias ácidas, necesariamente se
tienen que considerar sistemas y procesos de filtrado para atrapar estos
contaminantes.
89
RESULTADOS Y ANALISIS
Por otra parte, tenemos que nos encontramos con dos puntos principales:
i ) molido de llantas y ii) diseño del reactor.
Dentro del primer punto, en lo realizado-en planta piloto se utilizó un molino
Micrón K20, en donde los polvos generados daban lugar a contaminación y El
método de separación manual lleva un gran número de horas. Entonces a nivel
indtlstrial tendría que rsalizaree !In estudio pars conseguir molinos xlecuados y
sobre todo un estudio para analizar qué tan rentables son.
Con respecto al diseño del reactor, en este trabajo se consideró una
fluidización en frío, sin embargo, lo interesante sería considerar la combustión de
los sólidos, para esto es necesario un diseño del reactor que considere ciclones y
métodos de “lavado” de contaminantes. Aquí se presenta otro problema, la
rentabilidad.
Así podemos concluir, que para diseñar un reactor para quemado de llantas
es necesario hacer un estudio de mercado, en donde se considere, número de
empleados, número de horas, materiales, contaminación generada, entre otros, y
compararlo con la energía producida por el reactor. De esta manera hacer un
análisis de la rentabilidad y saber las condiciones óptimas.
La basura generada en los pueblos y ciudades le corresponde a 10s
municipios su confinamiento o incineración.
A pesar de lo complejo de este estudio, es importante señalar que es de
interés debido a la gran cantidad de desecho de llantas a nivel mundial.
90
BIBLIOGRAFíA
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Heinemann, USA
2. Howard J R, (1989), Fluidized Bed Technology, Adam Hilger, USA.
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USA.
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5. Geldart, D, :?986), Gzs Fluidizatio? Technolqy, Wiley, USA.
6. Bird RB, (1 993), Fenómenos de transporte, Reverté.
7. Mott R, (1 996), Mecánica de fluidos, ?rentice Hail.
8. Smith W, (1993), Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, Mc
Graw-Hill.
Se realizaron visitas al Instituto de Investigaciones Eléctricas (I.I.E.), Unidad de
Procesos Térmicos en Cuernavaca, Morelos.
91