UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE … · 2018-12-11 · CAUCHO, elaborado por el...
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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA Diseño e implementación de un equipo separador de partículas sólidas (ciclón) en la industria del caucho Trabajo de titulación, modalidad propuesta tecnológica para la obtención del título de ingeniero químico Autor: William Omar González Cuascota Tutor: Ing. Sergio Homero Medina Romo QUITO 2018
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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
Diseño e implementación de un equipo separador de partículas sólidas (ciclón) en
la industria del caucho
Trabajo de titulación, modalidad propuesta tecnológica para la obtención del título
de ingeniero químico
Autor: William Omar González Cuascota
Tutor: Ing. Sergio Homero Medina Romo
QUITO
2018
ii
© DERECHOS DE AUTOR
Yo, WILLIAM OMAR GONZÁLEZ CUASCOTA, en calidad de autor y titular de los
derechos morales y patrimoniales del trabajo de titulación, modalidad propuesta
tecnológica: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN EQUIPO SEPARADOR DE
PARTÍCULAS SÓLIDAS (CICLÓN) EN LA INDUSTRIA DEL CAUCHO, de
conformidad con el Art. 114 del CÓDIGO ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA SOCIAL
DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E INNOVACIÓN, concedo a favor de
la Universidad Central del Ecuador una licencia gratuita, intransferible y no exclusiva
para el uso no comercial de la obra, con fines estrictamente académicos. Conservo a mi
favor todos los derechos de autor sobre la obra, establecidos en la normativa citada.
Así mismo, autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la
digitalización y publicación de este trabajo de titulación en el repositorio virtual, de
conformidad a lo dispuesto en el Art. 114 de la Ley Orgánica de Educación Superior.
El autor declara que la obra objeto de la presente autorización es original en su forma de
expresión y no infringe el derecho de autor de terceros, asumiendo la responsabilidad por
cualquier reclamación que pudiera presentarse por esta causa y liberando a la Universidad
de toda responsabilidad.
En la ciudad de Quito, a los 24 días del mes de septiembre del 2018.
William Omar González Cuascota
C.C. 1718010430
iii
APROBACIÓN DEL TUTOR
Yo, SERGIO MEDINA , en calidad de tutor del trabajo de titulación, modalidad
propuesta tecnológica DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN EQUIPO
SEPARADOR DE PARTÍCULAS SÓLIDAS (CICLÓN) EN LA INDUSTRIA DEL
CAUCHO, elaborado por el estudiante WILLIAM OMAR GONZÁLEZ CUASCOTA
de la carrera de Ingeniera Química, Facultad de Ingeniería Química de la Universidad
Central del Ecuador, considero que el mismo reúne los requisitos y méritos necesarios en
el campo metodológico y en el campo epistemológico, para ser sometido a la evaluación
por parte del jurado examinador que se designe, por lo que APRUEBO, a fin de que el
trabajo sea habilitado para continuar con el proceso de titulación determinado por la
Universidad Central del Ecuador.
En la ciudad de Quito, a los 24 días del mes de septiembre del 2018.
_______________________________
ING. SERGIO MEDINA ROMO
iv
CONTENIDO
pág.
LISTA DE TABLAS ....................................................................................................... ix
LISTA DE GRÁFICOS .................................................................................................. xii
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................... xiii
LISTA DE ANEXOS ..................................................................................................... xv
RESUMEN .................................................................................................................... xvi
ABSTRACT ................................................................................................................. xvii
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1
2. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 4
2.1. El Caucho .................................................................................................................. 4
2.1.1. Componentes del caucho: ....................................................................................... 4
2.1.2. Descripción del proceso de producción del caucho: .............................................. 5
2.2. Contaminantes del aire. ............................................................................................. 5
2.2.1. Calidad del aire: ...................................................................................................... 6
2.2.2. Partículas en el aire ................................................................................................. 7
2.2.3. Partículas sedimentables ......................................................................................... 8
2.2.3.1. Muestreo de partículas sedimentables ................................................................. 8
2.2.4. Partículas PM 2.5, PM 10 y Partículas Suspendidas Totales (TSP) ....................... 8
2.2.4.1. Muestreo de material particulado PM 2.5, PM 10 y TSP .................................... 8
2.2.5. Valores Límites Ambientales (VLA) ..................................................................... 9
2.2.5.1. Valor Límite Ambiental- Exposición diaria (VLA-ED)...................................... 9
2.2.5.2. Valor Límite Ambiental- Exposición de corta duración (VLA-EC) ................... 9
2.2.5.3. Límites de Desviación (LD) .............................................................................. 10
2.3. Equipos de separación sólido-gas. ........................................................................... 10
2.3.1. Filtros para limpieza de aire y separadores de impacto ........................................ 10
2.3.2. Sedimentadores por gravedad ............................................................................... 11
2.4. Separadores por centrifugación. .............................................................................. 11
2.4.1. Ciclones ................................................................................................................ 11
2.4.2. Funcionamiento de un ciclón ................................................................................ 11
v
2.4.3. Características de flujo ......................................................................................... 12
2.4.4. Teoría de funcionamiento ..................................................................................... 13
2.4.5. Eficiencia de separación ....................................................................................... 14
2.4.6. Rango de operación de los ciclones ...................................................................... 16
2.5. Tipos de ciclones ..................................................................................................... 17
2.5.1. Ventajas de la construcción de ciclones en la industria........................................ 17
2.6. Filtro de Mangas ...................................................................................................... 18
2.6.1. Teoría de funcionamiento de filtro de mangas ..................................................... 19
2.6.2. Velocidad de Filtración ........................................................................................ 20
2.6.3. Ventajas de la construcción de filtros de mangas en la industria ......................... 20
3. METODOLOGÍA ...................................................................................................... 21
3.1. Descripción del diseño experimental. ...................................................................... 21
3.2. Análisis de la calidad de aire. .................................................................................. 22
3.2.1. Negro de Humo .................................................................................................... 22
3.2.2. Caolín.................................................................................................................... 22
3.2.3. Rubbersil ............................................................................................................... 22
3.3. Muestreo en la zona de estudio................................................................................ 22
3.3.1. Captación de partículas, para material particulado sedimentable......................... 23
2.3.3.1. Procedimiento del muestreo .............................................................................. 23
3.3.2.Determinación de concentración de material particulado PM 2.5, PM 10, y TSP. 25
3.3.3. Distribución granulométrica de material particulado. .......................................... 25
3.4. Diseño del proceso................................................................................................... 26
3.4.1. Consideraciones de Diseño ................................................................................... 26
3.4.2. Diseño del ciclón. ................................................................................................. 27
3.4.2.1. Elección del tipo de ciclón................................................................................. 28
3.4.2.2. Variables de diseño para dimensionamiento ..................................................... 29
3.4.2.3. Relaciones de diseño ......................................................................................... 29
3.4.2.4. Diámetro del ciclón. ......................................................................................... 31
3.4.2.5. Velocidad equivalente ....................................................................................... 33
3.4.2.6. Velocidad de saltación ...................................................................................... 34
3.4.2.7. Relación entre velocidades ................................................................................ 34
vi
3.4.2.8. Volumen del ciclón evaluado a la salida .......................................................... 35
3.4.2.9. Longitud natural del ciclón ............................................................................... 35
3.4.2.10. Factor de dimensiones lineales ....................................................................... 35
3.4.2.11. Volumen del ciclón evaluado sobre longitud natural. ..................................... 36
3.4.2.12. Factor dimensional de proporciones volumétricas del ciclón ........................ 36
3.4.2.13. Relación entre la altura de entrada y diámetro del ciclón ............................... 36
3.4.2.14. Relación entre la base de entrada y diámetro del ciclón . ................................ 36
3.4.2.15. Factor de configuración .................................................................................. 36
3.4.2.16. Exponente de vórtice ...................................................................................... 37
3.4.2.17. Tiempo de relajación . ..................................................................................... 37
3.4.2.18. Eficiencia fraccional por intervalo de tamaños . ............................................. 37
3.4.2.19. Calculo de Pérdida de presión del ciclón ......................................................... 38
3.4.3. Diseño de ductos y campana extractora ............................................................... 38
3.4.3.1. Diseño de campana extractora ........................................................................... 38
3.4.3.2. Presión dinámica................................................................................................ 39
3.4.3.3.Pérdida de presión en la campana extractora ..................................................... 40
3.4.4. Diseño del ducto ................................................................................................... 40
3.4.4.1. Pérdidas de presión en el ducto ........................................................................ 41
3.4.4.2. Pérdidas de presión en accesorios . .................................................................. 43
3.4.5. Diseño del filtro de mangass. ............................................................................... 43
3.4.5.1. Cálculo del área de una manga .......................................................................... 44
3.4.5.2. Número de mangas ........................................................................................... 44
3.4.5.3. Pérdidas de presión en el filtro de mangas ........................................................ 45
3.4.6. Pérdida de presión total ........................................................................................ 46
3.4.7. Selección del Ventilador ....................................................................................... 46
4. DATOS ...................................................................................................................... 48
4.2. Material particulado sedimentable inicial................................................................ 49
4.3. Concentraciones iniciales PM 2.5, PM 10, TSP ...................................................... 50
4.4. Distribución granulométrica de material particulado .............................................. 50
4.5. Variables de diseño para cálculo del diámetro del ciclón ....................................... 51
4.6. Longitudes, diámetro y número de accesorios en línea de ductos ........................... 51
vii
5. CÁLCULOS .............................................................................................................. 52
5.1. Cálculo de la concentración de partículas sedimentables ....................................... 52
5.1.1. Cálculo de corrección de la masa de muestras a condiciones de Quito. ............... 52
5.1.2. Cálculo de la masa total de muestra inicial. ......................................................... 52
5.1.3. Cálculo de concentración de partículas sedimentables iniciales ......................... 52
5.2. Cálculos del ciclón................................................................................................... 53
5.2.1. Cálculo del diámetro del ciclón . .......................................................................... 53
5.2.2. Cálculo de velocidades. ........................................................................................ 54
5.2.3. Cálculo de la velocidad equivalente . ................................................................... 54
5.2.4. Cálculo de la velocidad de saltación .................................................................... 54
5.2.5. Volumen del ciclón a la salida . ............................................................................ 55
5.2.6. Longitud natural del ciclón . ................................................................................. 55
5.2.7. Factor de dimensiones lineales ............................................................................ 56
5.2.8. Volumen de ciclón evaluado sobre longitud natural . .......................................... 56
5.2.9. Factor dimensional de las proporciones volumétricas del ciclón . ....................... 56
5.2.10. Relación entre la altura de entrada y el diámetro del ciclón . ............................. 57
5.2.1. Relación entre la base de entrada y el diámetro del ciclón . ................................. 57
5.2.12. Factor de configuración . .................................................................................... 57
5.2.13. Exponente de vórtice ......................................................................................... 57
5.2.14. Tiempo de relajación ......................................................................................... 58
5.2.15. Eficiencia fraccional por intervalo de tamaños . ................................................ 58
5.2.16. Cálculo de caída de presión ............................................................................... 58
5.3. Cálculos de diseño de la campana de extracción..................................................... 59
5.3.1. Cálculo del caudal de entrada a la campana.......................................................... 59
5.3.2. Cálculo de la presión dinámica para todo el sistema extractor. ............................ 59
5.3.3. Cálculo para pérdida de presión en la campana extractora .................................. 60
5.3.4. Cálculo del diámetro del ducto. ............................................................................ 60
5.3.5. Cálculo de pérdidas de presión en el ducto . ......................................................... 60
5.3.6. Cálculo de Pérdidas en accesorios . ...................................................................... 61
5.4. Cálculos del diseño del filtro de mangas. ................................................................ 61
5.4.1. Cálculo del área de filtración . .............................................................................. 61
5.4.2. Cálculo del área de una manga.............................................................................. 61
5.4.3. Cálculo de pérdida de presión en el filtro de mangas. .......................................... 62
viii
5.5. Cálculo de pérdida de presión total. ........................................................................ 63
6. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA EXTRACTOR. ............................................... 64
6.1. Procedimiento de construcción del equipo de extracción. ...................................... 64
6.1.1. Procedimiento sistemático de construcción del ciclón y filtro de mangas. .......... 64
6.1.1.1. Diseño de planos. ............................................................................................... 64
6.1.1.2. Proceso de construcción del ciclón. ................................................................... 64
6.1.1.3. Cono truncado.................................................................................................... 64
6.1.1.4. Cilindro exterior ............................................................................................... 65
6.1.1.5. Cilindro de salida de ciclón . ............................................................................. 66
6.1.1.6. Proceso de construcción del filtro de mangas. .................................................. 73
6.1.1.7. Proceso de construcción de la campana de extracción. ..................................... 74
6.1.1.8. Montaje de ductos .............................................................................................. 76
7. FACTIBILIDAD ECONÓMICA .............................................................................. 79
7.1. Análisis de costos del sistema extractor. ................................................................. 79
7.1.1. Costos de mano de obra para construcción de ciclón y filtro de mangas ............. 79
7.1.2. Costos de materiales directos. .............................................................................. 79
7.1.3. Costos de mano de obra indirecta. ........................................................................ 80
7.1.4. Costos Indirectos. ................................................................................................. 81
7.1.5. Total de costos de fabricación. ............................................................................. 81
7.2. Análisis de costo beneficio del sistema de extracción. ............................................ 81
7.2.1. Cantidad de material particulado recuperado al mes. ........................................... 82
8. RESULTADOS ......................................................................................................... 84
8.2. Resultados del diseño del ciclón. ............................................................................. 86
8.3. Resultado de las concentraciones de material particulado con extractor PM 2.5,
PM 10, partículas suspendidas totales (TSP).................................................................. 87
9. DISCUSIÓN .............................................................................................................. 89
ix
10.CONCLUSIONES ..................................................................................................... 92
11.RECOMENDACIONES ........................................................................................... 94
CITAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................................... 95
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 99
ANEXOS ...................................................................................................................... 100
x
LISTA DE TABLAS
pág
Tabla 1. Límites máximos permisibles de los principales contaminantes del aire .......... 7
Tabla 2. Condiciones ambientales de Quito. .................................................................. 24
Tabla 3. Intervalo de eficiencias de remoción. .............................................................. 28
Tabla 4. Parámetros de diseño para ciclones de entrada tangencial. ............................. 31
Tabla 5. Nomenclatura de proporciones del ciclón de alta capacidad. ........................... 32
Tabla 6. Matriz de decisión para elección de ductos. ..................................................... 41
Tabla 7. Propiedades físico químicas del negro de humo. ............................................ 48
Tabla 8. Propiedades físico químicas del caolín. ........................................................... 48
Tabla 9. Propiedades físico químicas del rubbersil. ...................................................... 49
Tabla 10. Concentración diaria de material particulado en área de laminado y
mezclado. ........................................................................................................................ 49
Tabla 11. Porcentaje base para elaboración pastas de caucho. ....................................... 49
Tabla 12. Resultados monitoreo PM 10, PM 2,5 y TSP en área de laminado y mezclado
antes del extractor. .......................................................................................................... 50
Tabla 13. Distribución granulométrica de material particulado. .................................... 50
Tabla 14. Variables de diseño para cálculo de ciclón. .................................................... 51
Tabla 15. Componentes de línea de ductos. ................................................................... 51
Tabla 16. Dimensiones para cálculo de área lateral para cono truncado. ....................... 65
Tabla 17. Costo de mano de obra directa. ...................................................................... 79
Tabla 18. Costo de materiales directos en la construcción del sistema extractor. .......... 80
Tabla 19. Costo de mano de obra indirecta. ................................................................... 80
Tabla 20. Costos Indirectos. ........................................................................................... 81
Tabla 21. Costo total de construcción del sistema extractor. ......................................... 81
Tabla 22. Costo de funcionamiento por horas de trabajo del extractor. ........................ 82
Tabla 23. Material particulado recuperado. .................................................................... 82
Tabla 24. Concentración de partículas sedimentables con extractor. ............................. 84
Tabla 25. Porcentaje de disminución de partículas sedimentables. ................................ 84
xi
Tabla 26. Concentración por componente en muestra con extractor. ............................ 85
Tabla 27. Valores límites ambientales para agentes químicos (VLA). ........................ 86
Tabla 28. Resultados de la eficiencia del ciclón. ............................................................ 86
Tabla 29. Resultados del monitoreo PM 10, PM 2,5 y TSP en área de laminado y
mezclado con extractor . ............................................................................................... 87
Tabla 30. Porcentaje de disminución de material particulado. ....................................... 87
Tabla 31. Valores máximos permisibles para material particulado. .............................. 87
Tabla 32. Beneficio en $, por funcionamiento del ciclón. .............................................. 88
xii
LISTA DE GRÁFICOS
pág
Gráfico 1: Comparación de concentración antes y después del extractor. .................... 84
Gráfico 2: Concentración de partículas sedimentables por semana antes y después del
extractor. ......................................................................................................................... 85
Gráfico 3. Concentración por componente con extractor. .............................................. 85
Gráfico 4. Eficiencia por tamaño de partícula. ............................................................... 86
Gráfico 5: Comparación de material particulado antes y después del extractor. ........... 88
Gráfico 6: Porcentaje de material particulado captado por extractor en proceso de
mezclado y laminado. ..................................................................................................... 88
xiii
LISTA DE FIGURAS
pág
Figura 1. Vórtices en el ciclón. ...................................................................................... 12
Figura 2. Curva del grado de eficiencia para un tamaño de corte x50 =5 . ................... 16
Figura 3. Filtro de mangas con agitación mecánica. ..................................................... 19
Figura 4. Diagrama del proceso experimental. ............................................................... 21
Figura 5. Esquema del sistema de extracción del área de laminado y mezclado. .......... 26
Figura 6. Curvas características para ciclón de alta capacidad. ..................................... 28
Figura 7. Diseño estándar para ciclones alta capacidad. ............................................... 31
Figura 8. Dimensiones del ciclón de alta capacidad. ..................................................... 33
Figura 9. Factor de Pérdida para campanas rectangulares. ............................................ 40
Figura 10. Esquema de distribución de ductos del sistema de extracción. ..................... 42
Figura 11. Factor de pérdida por fricción en ductos circulares. .................................... 42
Figura 12. Curva característica para diseño ventiladores P vs Q. ................................. 47
Figura 13. Dimensiones del cono truncado. ................................................................... 65
Figura 14. Dimensiones cilindro exterior del ciclón (Dc). ............................................. 66
Figura 15. Dimensiones cilindro de salida del ciclón (Ds)............................................. 66
Figura 16. Construcción de las partes: cónica, cilindro exterior y cilindro de salida del
ciclón. ............................................................................................................................. 67
Figura 17. Cilindro de salida del ciclón (Ds). ................................................................. 68
Figura 18. Unión de cilindro exterior (Dc), con cilindro de salida (Ds) del ciclón. ....... 68
Figura 19. Entrada del ducto al ciclón (a x b). ............................................................... 69
Figura 20. Parte cilíndrica acoplada con blower por la parte superior. .......................... 70
Figura 21. Estructura de refuerzo para blower. .............................................................. 70
Figura 22. Construcción de colector de partículas pesadas del ciclón. .......................... 71
Figura 23. Estructura de soporte del ciclón. ................................................................... 72
Figura 24. Ciclón de alta capacidad................................................................................ 72
xiv
Figura 25. Dimensiones del filtro de mangas. ................................................................ 73
Figura 26. Dimensiones de una manga. .......................................................................... 73
Figura 27. Filtro de mangas. ........................................................................................... 74
Figura 28. Dimensiones de la campana extractora. ........................................................ 75
Figura 29. Construcción de campana extractora. ........................................................... 75
Figura 30. Esquema del sistema de extracción del área de laminado y mezclado. ........ 76
Figura 31. Montaje de ducto para área de mezclado y laminado. .................................. 77
Figura 32. Conexión de ducto a campana extractora...................................................... 77
Figura 33. Sistema extractor de material particulado. .................................................... 78
Figura 34. Molino de laminado y mezclado. ............................................................... 101
Figura 35. Área de mezclado y laminado de pastas. .................................................... 101
Figura 36. Material particulado contaminante. ............................................................. 101
Figura 37.Toma de datos del ambiente contaminado por personal de DPEC. ............. 102
Figura 38.Muestra de material particulado para análisis de granulometría. ................. 102
Figura 39. Equipo analizador de tamaño de partículas, laboratorio de catálisis de la
Facultad de Ingeniería Química de UCE. .................................................................... 102
xv
LISTA DE ANEXOS
pág
ANEXO A. Área de mezclado y laminado Cauchos Vikingo. ..................................... 101
ANEXO B. Monitoreo antes de implementación del extractor. ................................... 102
ANEXO C. Captación de contaminantes en campanas extractoras. ............................ 103
ANEXO D. Caudal en campanas extractoras. .............................................................. 104
ANEXO E. Factor de pérdidas en ductos. .................................................................... 105
ANEXO F. Presión dinámica a diferentes velocidades. ............................................... 106
ANEXO G. Factores de pérdida de presión en codos de 90°. ...................................... 107
ANEXO H. Dimensiones del diseño del ciclón. .......................................................... 108
ANEXO J. Resultados de equipo camsizer. ................................................................. 109
ANEXO K. Resultados de monitoreo con extractor..................................................... 110
ANEXO L. Datos recopilados del muestreo de material particulado sedimentable en áreas
de mezclado y laminado (Cauchos Vikingo)……………………………...…………..112
xvi
Diseño e implementación de un equipo separador de partículas sólidas (ciclón) en
la industria del caucho.
RESUMEN
Diseño, construcción e implementación de un ciclón para separar el material particulado
en el área de mezclado y laminado de la empresa Cauchos Vikingo.
A partir del análisis de la calidad de aire de esta área, se encontró una alta concentración
de materia prima dispersa en el ambiente, 1828.84 mg/m3; por lo que se diseñó y
construyó este sistema de extracción utilizando información de literatura especializada,
determinando sus principales especificaciones técnicas: caudal 0,7 m3/s y velocidad de
entrada al ciclón de 15 m/s. Una vez implementado el sistema extractor, se realizó un
nuevo análisis de calidad del aire obteniendo un valor de 8,90 mg/m3. Se realizó el
análisis de costos de construcción y de costo beneficio del sistema de extracción.
A partir de los resultados se concluye que en el diseño del extractor se obtuvo una
eficiencia del 88,7 % y en la implementación del equipo una eficiencia del 99 %,
evidenciado por la alta captación de material particulado del área de estudio; y además
que el equipo es uno de los más baratos por la simplicidad de construcción, bajo costo de
materiales y ahorro en consumo de energía y contribuye a reducir la contaminación de la
empresa.
PALABRAS CLAVE: MATERIAL PARTICULADO / PARTÍCULAS
SEDIMENTABLES / CICLÓN / SISTEMAS DE EXTRACCIÓN/ DISEÑO /
INDUSTRIA DEL CAUCHO /
xvii
Design and implementation of a separating equipment for solid particles (cyclone)
in the rubber industry
ABSTRACT
Design, construction and implementation of a cyclone to separate the particulate material
in the area of mixing and rolling of Cauchos Vikingo company.
From the analysis of the air quality of this area was found a high concentration of
dispersed raw material in the environment, 1828.84 mg / m3; so this extraction system
was designed and built using information from specialized literature, determining its main
technical specifications: flow rate 0.7 m3 / s and imput speed to the cyclone of
15 m / s. Once the extractor system was implemented a new analysis of air quality was
performed obtaining a value of 8.90 mg / m3. The analysis of construction costs and cost
benefit of the extraction system was carried out. From the results it is concluded that the
efficiency of the 88.7% was obtained in the design of the extractor and in the
implementation of the equipment an efficiency of 99%, evidenced by the high uptake of
particulate material from the study area; and also that the equipment is one of the cheapest
because of the simplicity of construction, low cost of materials and savings in energy
consumption and contributes to reduce the company's pollution.
KEYWORDS: PARTICULAR MATERIAL / SEDIMENTABLE PARTICLES /
CYCLONE / EXTRACTION SYSTEMS / DESIGN / RUBBER INDUSTRY /
1
INTRODUCCIÓN
El caucho es uno de los productos más utilizados en nuestro medio, sin embargo, en el
país existen pocas empresas que se dedican a la manufactura del mismo, pese a la gran
demanda de dicho producto por lo que se tiene que hacer énfasis en el estudio y desarrollo
de su producción. Las empresas del país que se dedican a la manufactura del caucho son
muy poco desarrolladas tecnológicamente ya que muchos de los procesos presentes en la
cadena productiva son deficientes por lo que genera un alto impacto en costos y
generación de contaminación para el ambiente. Uno de las principales problemas que
presenta este tipo de industrias es que casi todas comenzaron a nivel artesanal por lo que
tenían baja o mediana producción, muchas de ellas con el tiempo han crecido de acorde
a la demanda y han incrementado su nivel de producción, pero muy pocas han adquirido
maquinaria moderna y de mayor capacidad, siguen utilizado maquinaria antigua y
muchas veces deficiente por lo que una cantidad considerable de material particulado se
pierde en el ambiente generando contaminación en la empresa y sectores cercanos a la
misma, esto genera pérdidas de materiales directos y por ende un aumento en costos de
fabricación, además de un serio daño a la salud a corto y mediano plazo al personal de
las distintas áreas de una empresa. Una forma para poder disminuir la contaminación y
pérdida de materia prima en este tipo de industria es la implementación de sistemas de
recuperación de material particulado, mediante el uso de extractores que direccionan
material sólido del ambiente hacia equipos de separación (ciclón y filtro de mangas), con
el objetivo de disminuir la cantidad de material particulado en el entorno laboral,
recuperar materia prima, y así aumentar la eficiencia en el proceso productivo en la
industria del caucho.
En el proceso de purificación de aire se utilizan los llamados ciclones convencionales
mientras que para la obtención de material con tamaño de partícula específico son más
indicados los de alta eficiencia. Estos últimos están diseñados para alcanzar mayor
remoción de las partículas pequeñas. Teniendo en cuenta las proporciones de los ciclones,
se los clasifica en ciclones convencionales, de alta eficiencia y de alta capacidad. La
eficiencia de separación depende del tipo de ciclón utilizado. Los ciclones son
2
separadores gas-sólido en los que se emplea la aceleración centrífuga como fuerza
impulsora de la separación.
Tradicionalmente, los ciclones se han usado en la industria para capturar partículas
relativamente grandes (dp >10 µm). Sin embargo, estos equipos también pueden usarse
para capturar partículas con diámetros de 10, 2.5 e incluso 1 µm, modificando sus
dimensiones. Esto permite usarlos en tareas de monitoreo ambiental de partículas. La
amplia utilización de estos equipos crea la necesidad de contar con modelos matemáticos
para evaluar su operación, así como de contar con metodologías simples y efectivas para
su diseño basadas en la influencia del flujo y de la configuración geométrica de estos
equipos. Sin embargo, los primeros modelos presentados para predecir la eficiencia de
estos equipos fueron basados en simplificaciones que no incluían todos los parámetros
que afectan su funcionamiento. De igual manera, las metodologías de diseño de estos
separadores estaban principalmente basadas en relaciones empíricas de las diferentes
dimensiones del ciclón con respecto al diámetro del mismo.
Las empresas están obligadas a cumplir con normativas vigentes con respecto a la
seguridad, salud ocupacional y medio ambiente en todo su proceso productivo, es por eso
que la empresa cauchos vikingo se ve en la necesidad de la implementación de sistemas
de extracción del material particulado en la elaboración del caucho, sistema que ayudará
en tres puntos fundamentales que son:
Primero: la salud de los colaboradores. Los sólidos que se expulsan al ambiente en los
procesos de mezcla y laminado en la cadena productiva son peligrosos para la salud, ya
que afectan de manera directa a las vías respiratorias causando irritaciones, tos, etc. Por
lo que se debe poner mucho énfasis en este punto para evitar futuras afectaciones a la
salud del personal.
Segundo: el sistema de extracción ayudará en la recuperación de materia prima dispersa
en el ambiente que se pierde en cantidades considerables en determinados procesos en la
elaboración del producto, y en la disminución de costos de producción.
3
Tercero: el sistema de extracción de material particulado reducirá la generación de
contaminación en la empresa y su entorno.
Este tipo de trabajo dejará sentada las bases para que las industrias ecuatorianas
relacionadas con elaboración de caucho y afines vean la necesidad de implementar
sistemas de recuperación para poder separar sólidos valiosos de material desechable,
poder reutilizarlos y tener conciencia ambiental.
4
1. MARCO TEÓRICO
1.1. El Caucho
“El caucho es un material formado por cadenas largas de moléculas denominadas
polímeros las cuales a la vez están formadas por la repetición de unidades químicas
menores denominadas monómeros.”
Cuando los monómeros que se repiten en los polímeros son de un solo tipo, el polímero
se denomina homopolímero, pero cuando son varios tipos de monómeros los que se
repiten como ocurre en la mayoría de los cauchos los polímeros se denominan
copolímeros.
Los cauchos están conformados por monómeros que han sido obtenidos a partir de una
reacción de polimerización, es decir a partir de una reacción que sufren los monómeros
dieno los cuales tienen dos enlaces carbono-carbono para transformarse en una molécula
que contenga solo un doble enlace.
“Este tipo de monómeros dieno se convierten en pieza clave en la elaboración de cauchos
sintéticos porque debido a estos, a los polímeros se los puede vulcanizar con azufre para
convertirlos en cauchos sintéticos de distintas clases según su utilidad.” 1.
1.1.1. Componentes del caucho: Para una correcta formulación del caucho, adicional a
los diferentes elastómeros que se pueden emplear como caucho natural, sintético, epdm,
silicona, vitón, nitrilo, es indispensable usar agentes vulcanizantes, más conocidos como
azufre o peróxidos; agentes acelerantes como MBTS, TMTD, CBS y agentes de refuerzo
que mejoran la calidad de la pasta, entre ellos se puede mencionar el antioxidante 6 PPD,
agente de extrusión A86, homogenizante 40 MS y cargas como caolín, rubbersil, y negros
de humo en diferentes presentaciones, siendo los más empleados el NH330 y NH660.
La correcta distribución de los componentes antes mencionados, permite obtener una
pasta de caucho con propiedades mecánicas elevadas que sirvan a una determinada
aplicación, es decir, para el proceso de vulcanización, normalmente se emplean
5
temperaturas desde 100ºC hasta 220ºC, si las pasta no es formulada de forma correcta,
tiende a hincharse y deformarse, o a no vulcanizar.
Cuando se logra la vulcanización, el intercambio de enlaces C-S, o S-S, se logra un
producto de caucho que adopta la forma de la matriz que lo contiene.
1.1.2. Descripción del proceso de producción del caucho: Se establece las
características que se desean tener en el producto final como dureza, resistencia a la
tracción, porcentaje de elongación, envejecimiento térmico, etc. En base a estas
características se seleccionan los diferentes agentes químicos que intervendrán en su
formulación y sus proporciones en phr (partes por resina).
Una vez establecidas las características del caucho y sus proporciones se procede a la
elaboración de la pasta de caucho, para esto se mezclan todos los componentes de la
formulación base en phr, siguiendo un determinado orden en la adición de químicos.
Se agrega inicialmente la base del caucho (EPDM, NITRILO, SILICONA, NATURAL,
SINTËTICO, NEOPRENO), que se quiere obtener, seguido de los agentes de carga,
agentes homogenizantes, espesantes, conservantes, etc.
Al mezclar todos los componentes se obtiene una masa que tiene forma de pasta de color
negra semisólida, a la cual se le agrega el agente activador para vulcanizar (azufre).
La pasta obtenida se le somete a presión y calor, para lograr el proceso de vulcanización,
una vez que el proceso de vulcanización finaliza, se obtiene el caucho ya como producto
terminado listo para ser comercializado en diferentes presentaciones.
1.2. Contaminantes del aire.
“El aire puro está constituido por gases, siendo los principales el oxígeno, el nitrógeno el
hidrogeno”2, “y por contaminantes que pueden estar en cualquier estado ya sea gas,
sólido o líquido”. 3
6
“Los gases contaminan fácilmente debido a la gran cantidad de partículas de muy bajo
peso molecular que se mezclan fácilmente con el aire puro, de esta manera el gas tóxico
más ampliamente conocido es el monóxido de carbono; también se consideran peligrosos
el sulfuro de hidrogeno, el cloro y dióxido de carbono y nitrógeno siendo estos dos
últimos peligrosos si se dejan acumular en grandes cantidades.” 4
“Los contaminantes sólidos se los consideran a los polvos y a los humos. Los primeros
tienen diámetros de 0,1 a 25 micrómetros, se dividen por medios mecánicos, de tal manera
que todas las personas están expuestas a ellos pero dependiendo de su concentración la
mayoría son relativamente inofensivos, por su parte los humos tienen diámetros de 4* 10
-7 a 0,0002 pulgadas, se forman por la re solidificación de vapores de proceso muy
calientes y algunos se producen por reacciones químicas teniendo en cuenta que no todo
lo que se va al aire a partir de estas reacciones son considerados humos porque también
salen gases y vapores.” 5
1.2.1. Calidad del aire: La presencia o ausencia de varias sustancias (contaminantes)
son las que determinan la calidad del aire la cual se estima por medio de la concentración
de los contaminantes que pueden ser físicos como los comentados en el anterior apartado
o bilógicos debido a la presencia de microrganismos. Los contaminantes también pueden
ser detectados a simple vista por el solo hecho de su apariencia física. La calidad del aire
es un tema de especial importancia porque afecta la salud humana y a la de los demás
seres vivos, es por esto que existen organizaciones como la OMS que la regulan mediante
normas las emisiones estándares dependiendo de los lugares a los que las personas u
animales estén expuestos para asegurar una correcta calidad de vida en los mismos.
“A continuación, se muestra la tabla 1, que establece los límites máximos permisibles de
los principales contaminantes que se pueden tener en el aire ambiente según la norma
ecuatoriana de la calidad del aire, la cual clasifica a las concentraciones de cada uno de
los contaminantes en rangos de alerta, alarma y emergencia según el nivel daño que
puedan causar.
7
Tabla 1. Límites máximos permisibles de los principales contaminantes del aire 6
CONTAMINANTE Y
PERÍODO DE TIEMPO
ALERTA ALARMA EMERGENCIA
Monóxido de Carbono
Concentración promedio en
ocho horas (μg/m3)
15000 30000 40000
Ozono Concentración
promedio en ocho horas
(μg/m3)
200 400 600
Dióxido de Nitrógeno
Concentración promedio en
una hora (μg/m3)
1000 2000 3000
Dióxido de Azufre
Concentración promedio en
veinticuatro horas (μg/m3)
200 1000 1800
Material particulado PM 10
Concentración en veinticuatro
horas (μg/m3)
250 400 500
Material Particulado PM 2,5
Concentración en veinticuatro
horas (μg/m3)
150 250 350
1.2.2. Partículas en el aire: “A pesar de que las partículas constituyen el 9% de la masa
total de los contaminantes en el aire, el riesgo potencial para este tipo de contaminantes
es mayor, ya que representan peligro para la salud, incrementan las reacciones químicas
en el ambiente, reducen la visibilidad, reducen la radiación solar, cambios en la
temperatura ambiental, afectan en el crecimiento de la vegetación, y ensucian los
ambientes a nivel del suelo. 7 El problema para las magnitudes descritas dependen del
8
rango del tamaño con el que se presentan las partículas en la atmosfera local, la
concentración, las composiciones tanto físicas como químicas”. 8
1.2.3. Partículas sedimentables:” Son un material particulado que pueden ser sólido o
líquido, las cuales generalmente tienen un tamaño mayor a 10 um, al ser tan grandes y/o
pesadas tienden a precipitarse con facilidad por lo cual pueden permanecer en suspensión
temporal en el aire ambiente.
1.2.3.1. Muestreo de partículas sedimentables: Para esto se utilizan envases de 15 cm
de diámetro o mayor con una altura de dos o tres veces el diámetro. El envase debe estar
a una altura de 1,2 m sobre el nivel del suelo, hay veces que dependiendo del experimento
las partículas colectadas son después contadas y clasificadas como solubles e insolubles;
las primeras se determinan mediante la diferencia de peso en un crisol en el cual se
evaporará el líquido de lavado del envase, las segundas se determinan mediante la
utilización de un filtro que gana peso al retener las partículas contenidas en un líquido de
lavado del envase.
La concentración total de las partículas es la suma de las solubles y las insolubles
normalizada con respecto al área total de captación del envase.
1.2.4. Partículas PM 2.5, PM 10 y Partículas Suspendidas Totales (TSP): Son
partículas más pequeñas que las sedimentables; las partículas PM10 son un material
particulado de diámetro aerodinámico menor a 10 um; las partículas PM 2,5 son un
material particulado de diámetro aerodinámico menor a 2,5 um y las partículas
suspendidas totales (TSP), son el material particulado que resulta de sumar los dos tipos
de partículas mencionadas anteriormente.
1.2.4.1. Muestreo de material particulado PM 2.5, PM 10 y TSP: Se realiza
dependiendo de los requerimientos del tipo de partículas, para ellos se utilizan
muestreadores que pueden funcionar de acuerdo a distintos métodos como por ejemplo
equipos muestreadores de alto o de bajo caudal, que funcionan bajo el método
gravimétrico, estos cuentan con una entrada aerodinámica que separa las partículas de
9
tamaño superior a 10 o 2,5 micrones de diámetro aerodinámico según se quiera
contabilizar las PM10 o las PM 2.5, de esta manera las partículas menores a 10 o a 2,5
micrones son captadas en un filtro el cual gana peso a medida que el equipo está
funcionando.
El equipo determina la masa de partículas debido al peso captado y al mismo momento
determina el aire que ha pasado por el equipo, así teniendo estas dos unidades se
determina la concentración de las partículas en el aire.
También se utilizan equipos de micro balanza oscilante y los de atenuación beta, en el
primer caso el equipo muestreador está equipado con una entrada aerodinámica de PM10
o de PM 2,5 según sea el caso, este poseen un transductor de masa de las oscilaciones
inducidas por el material particulado y en el segundo caso el equipo muestreador cuenta
igualmente con una entrada pM10 o PM2,5 según sea el caso y por medio de una
radicación beta determina la ganancia de peso en un filtro que experimenta acumulación
de las partículas.” 9
1.2.5. Valores Límites Ambientales (VLA): “Los VLA son valores de referencia para
concentraciones de agentes químicos en el aire, y representan condiciones, en la que la
mayoría de los trabajadores pueden estar expuestos diariamente en su puesto de trabajo.
Los VLA sirven exclusivamente para analizar y controlar riesgos por inhalación de
agentes químicos, existe una lista que especifica las concentraciones máximas para
material particulado non fibroso que se encuentra expresado en mg/m3. Existen varios
tipos de valores límites ambientales los que se detallan a continuación:
1.2.5.1. Valor Límite Ambiental- Exposición diaria (VLA-ED): Valor de referencia
para exposiciones diarias (ED), representan condiciones en la cual un colaborador puede
estar expuesto las 8 horas diarias (40 horas a la semana), sin sufrir efectos adversos en su
salud.
1.2.5.2. Valor Límite Ambiental- Exposición de corta duración (VLA-EC): Valor de
referencia para exposiciones de corta duración (EC), no puede sobrepasar los valores del
10
apartado 2.2.4.1.2. a lo largo de la jornada laboral. Estos valores son aplicados para los
agentes químicos que tiene efectos agudos y de naturaleza crónica.
1.2.5.3. Límites de Desviación (LD): Estos límites de desviación (LD) se han
establecido mediante consideraciones de carácter estadístico, a través del estudio de la
variabilidad observada en gran número de mediciones, para determinar las exposiciones
de corta duración en los procesos industriales reales.” 10
1.3. Equipos de separación sólido-gas.
1.3.1. Filtros para limpieza de aire y separadores de impacto: Para llevar a cabo la
limpieza de los gases se utilizan por lo general los filtros de almohadilla para polvo
atmosférico, los lechos granulares y los filtros de bolsas para el tratamiento de polvos de
proceso.
“Los filtros de almohadilla pueden ser fabricados de pulpa de celulosa, algodón, fieltro,
fibra de vidrio o tamices metálicos, estos materiales filtrantes pueden estar secos o
recubiertos con aceite para que el filtro actúe como un mejor retenedor de polvo, en
procesos que no son utilizados de manera continua o son de poca utilización estas
almohadillas se desechan, pero en la limpieza de gases a gran escala en donde se los
utiliza continuamente los filtros se lavan y se recubren con aceite.
Los filtros de lecho granular contienen lechos estacionarios o móviles de gránulos cuyo
tamaño oscila de 30 a 8 mallas y de 12 a 40mm según para lo que los diseños de los filtros
se requieran.
Los filtros de bolsa tienen una o más bolsas grandes de fieltro o de una tela fina instaladas
en el interior de una carcasa metálica, de tal manera que cuando se utilizan para separar
el gas con polvo, el gas entra en la bolsa por el fondo y asciende dejando atrás el polvo.”
11
11
1.3.2. Sedimentadores por gravedad: “Las partículas más pesadas pueden separarse
de un gas o un líquido en un tanque de sedimentación, en el que la velocidad del fluido
es baja por lo que las partículas tienen suficiente tiempo para sedimentar esta clase de
equipos no pueden ser utilizados ampliamente ni eficientemente porque la separación no
es completa y se requiere de bastante mano de obra para recoger los sedimentos.
Los sedimentadores que separan los sólidos en dos fracciones se llaman clasificadores,
(los cuales se subdividen en los de gravedad y los lavadores), en cambio los equipos que
separan casi todas las partículas sedimentadas se conocen como clarificadores o
espesadores, pero las dos clases de sedimentadores comparten los mismos principios de
sedimentación.” 12
Esta clase de clasificadores separa las partículas por tamaños cuando las densidades de
las partículas finas son iguales a las de las gruesas. Este tipo de dispositivo hace que a
velocidad ascendente del líquido sea menor a la velocidad de sedimentación de los
sedimentos finos.
1.4. Separadores por centrifugación.
1.4.1. Ciclones: “Los ciclones son empleados para separar solidos contenidos en
fluidos, estos utilizan la misma fuerza del fluido absorbido hacia el interior generando
una fuerza centrípeta que efectúa la separación; la separación llevada a cabo en este tipo
de equipo depende del tamaño de las partículas que absorbe y de la densidad de las
mismas por lo que el ciclón hace la separación ya sea basándose en el tamaño o en la
densidad de las partículas que absorbe.
1.4.2. Funcionamiento de un ciclón: “La trayectoria del gas al ingresar al ciclón
comprende de un doble vórtice, donde se forma un espiral descendente en las paredes del
cilindro y ascendente por el centro. La figura 3 ilustran los vórtices.
12
Figura 1. Vórtices en el ciclón. 13
El gas entra a la cámara superior de forma tangencial y desciende en forma de espiral
hasta el ápice de la sección cónica; luego, asciende en un segundo espiral, con diámetro
más pequeño, y sale por la parte superior a través de un ducto vertical centrado. Los
sólidos se mueven radialmente hacia las paredes, se deslizan por las paredes, y son
recogidos en la parte inferior.
El diseño apropiado de la sección cónica del ciclón obliga al cambio de dirección del
vórtice descendente; el vórtice ascendente tiene un radio menor, lo que aumenta las
velocidades tangenciales; en el cono se presenta la mayor colección de partículas,
especialmente de las partículas pequeñas al reducirse el radio de giro”. 14
1.4.3. Características de flujo: “El flujo rotacional dentro del ciclón eleva el gradiente
radial de presión, el cual combinado con la pérdida de presión en la entrada y en la salida
conforma la caída de presión total. La caída de presión es proporcional al cuadrado del
flujo del gas que hay en el ciclón y de esta manera el número de Euler (un coeficiente de
resistencia) relaciona la caída de presión y la velocidad por medio de la ecuación 1.
𝐸𝑢 = ∆𝑃/(𝜌𝑓𝑣2/2 (1)
13
Donde:
𝐸𝑢= número de Euler
𝜌𝑓= densidad del gas
𝑣= velocidad del gas
El número de Euler representa el radio de las fuerzas de presión a las fuerzas inerciales
que actúan sobre un elemento fluido. Este valor es prácticamente constante para la
geometría de un ciclón cualquiera independientemente del cuerpo del ciclón.
La fórmula para la velocidad evidenciada en la ecuación 2, es la más apropiada y está
basada la sección de cruce de cuerpo cilíndrico del ciclón:” 15
𝑉𝑒𝑐 = 4𝑞/𝜋𝐷2 (2)
Donde:
𝑉𝑒𝑐= velocidad del gas
Qec= velocidad del flujo de gas
Dc= Diámetro interno del ciclón
1.4.4. Teoría de funcionamiento: Al poner en funcionamiento un ciclón las partículas
de polvo y aire son absorbidas rápidamente, por lo que las partículas una vez dentro del
equipo adquieren rápidamente velocidades terminales de precipitación, así las partículas
al ser tan pequeñas se considera válida la ley de Stokes para los ciclones, con lo
anteriormente expuesto se crea la ecuación 3 la cual expresa la velocidad terminal radial
de un movimiento centrifugo.
𝑣𝑡𝑅 =𝑤𝑖2𝐷𝑝
2(𝜌𝑝−𝜌)
18𝜇 (3)
Donde:
𝑣𝑡𝑅= velocidad terminal radial
𝑤𝑖= velocidad angular
𝐷𝑝= diámetro de la particula
𝜌𝑝= densidad de la partícula
𝜌𝑔= densidad del fluido
14
También se tiene que:
𝑤𝑖 = 𝑣𝑡𝑎𝑛/𝑟 (4)
Donde:
𝑤𝑖= velocidad angular
𝑣𝑡𝑎𝑛= velocidad tangencial de la partícula en el radio r
Así la ecuación (3) se transforma en:
𝑣𝑡𝑅 =𝐷𝑝2𝑔(𝜌𝑝−𝜌)
18𝜇
𝑣𝑡𝑎𝑛2
𝑔𝑟= 𝑣𝑡
𝑣𝑡𝑎𝑛2
𝑔𝑟 (5)
Donde:
𝑣𝑡= es la velocidad terminal gravitatoria de precipitación
Por consiguiente, cuanto mayor sea la velocidad terminal gravitatoria mayor será la
velocidad terminal radial lo que quiere decir que la partícula precipitara fácilmente en la
pared, pero la anterior ecuación supone varias dificultades puesto que la evaluación de la
velocidad radial está en función de la velocidad terminal gravitatoria y de la velocidad
tangencial, de la posición radial y axial en el ciclón de esta manera se modifica a la
ecuación y se prefiere manejar la ecuación 6 que es una ecuación empírica.
𝑣𝑡𝑅 =𝑏1𝐷𝑝
2(𝜌𝑝−𝜌)
18𝜇𝑟𝑛 (6)
Donde
𝑏1 y n son constantes empíricas
1.4.5. Eficiencia de separación: Si en un ciclón la velocidad másica de flujo es M, el
flujo másico grueso descargado en el oficio de la salida es 𝑀𝑐 y el flujo másico fino
descargado será 𝑀𝑓.
De esta manera el flujo másico total es la suma del flujo másico grueso y del flujo másico
fino como lo indica la ecuación 7.
15
𝑀 = 𝑀𝑓 +𝑀𝑐 (7)
Y el balance para cada tamaño de partícula x sin asumir una ruptura o crecimiento de las
partículas dentro del ciclón viene dado por la ecuación 8.
𝑀(𝑑𝐹
𝑑𝑥) = 𝑀𝑓 (
𝑑𝐹𝑓
𝑑𝑥) +𝑀𝑐 (
𝑑𝐹𝑐
𝑑𝑥) (8)
Donde:
dF/dx, dFf/dx, dFc /dx: son las distribuciones del tamaño de frecuencia diferencial por
masa para la alimentación, es decir fracción másica de tamaño x para la alimentación,
producto fino y producto grueso respectivamente.
F, Ff y Fc son las distribuciones del tamaño de frecuencia acumulativa por masa, es decir
fracción másica menor que el tamaño x para la alimentación, producto fino y producto
grueso respectivamente.
La eficiencia total de separación de las partículas de una gas ET es definido como la
fracción del total de la alimentación el cual aparece en el producto grueso recolectado
como se evidencia en la ecuación 9.
𝐺(𝑥) =𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑥 𝑖𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑔𝑟𝑢𝑒𝑠𝑜
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑥 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (9)
Usando la notación para el tamaño de distribución descrita arriba la ecuación anterior
queda como se define en la ecuación 10.
𝐺(𝑥) =𝑀𝑐(
𝑑𝐹𝑐𝑑𝑥
)
𝑀(𝑑𝐹
𝑑𝑥)
(10)
Así, de todas las ecuaciones anteriores se obtiene la ecuación 11.
(𝑑𝐹/𝑑𝑥) = 𝐸𝑇(𝑑𝐹𝑐
𝑑𝑥+ (1 − 𝐸𝑇)(
𝑑𝐹𝑓
𝑑𝑥) (11)
16
La ecuación anterior relaciona el tamaño de distribuciones de la alimentación, producto
grueso y producto fino, así que en forma se convierte en la ecuación 12: 16
𝐹 = 𝐸𝑇𝐹𝑐 + (1 − 𝐸𝑇)𝐹𝑓 (12)
1.4.6. Rango de operación de los ciclones: “En los ciclones la eficiencia de separación
y la caída de presión varían con la velocidad del flujo de gas en donde se supone que la
eficiencia incrementa con el incremento de la velocidad de flujo de gas pero a través de
la figura 4 la realidad es otra, ya que esta curva muestra que la eficiencia cae lejos para
altas velocidades de flujo.
Figura 2. Curva del grado de eficiencia para un tamaño de corte 𝐱𝟓𝟎 =5 16
La operación óptima de estos equipos se alcanza entre los puntos de unión del cilindro y
del cono hasta casi la mitad del cono, donde la eficiencia máxima de separación se
consigue con razonables pérdidas de presión.
Entonces si los equipos están correctamente diseñados estos tienen que operar con caídas
de presión dentro de los rangos recomendados que para la mayoría d estos equipos en
condiciones normales de ambiente está entre 50 y 150mm de columna de agua, es decir
de 500 a 1500 Psi, dentro de este rango la eficiencia total incrementa con la caída de
presión aplicada.” 17.
17
1.5. Tipos de ciclones.
“Los ciclones se dividen principalmente en ciclones de alta eficiencia y en ciclones de
alta capacidad. Los primeros entregan altas recuperaciones y se los identifica porque
tienen pequeños orificios tanto para la entrada como para la salida del gas. Los segundos
ofrecen baja resistencia al flujo así que una unidad de un tamaño dado tendrá una
capacidad más alta de gas, estos también se caracterizan por tener grandes entradas y
salidas de gas siendo su tamaño usualmente pequeño.
Para ciclones correctamente diseñados se tiene una relación directa entre el número de
Euler y el de Stokes así, altos valores del coeficiente de resistencia llevan a bajos valores
del número de Stokes por consiguiente tamaños de corte bajos y altas eficiencias y
viceversa. La tendencia general anterior puede ser descrita por la ecuación 13 la cual es
una correlación empírica “. 18
𝐸𝑢 = √12
𝑆𝑡𝑘50 (13)
1.5.1. Ventajas de la construcción de ciclones en la industria: “En Bhopal India en
diciembre de 1984 una planta pesticida descargo metil isocianato matando a cerca de
2500 personas, por lo que los controles de polución o cualquier forma de contaminación
al aire ambiente son de especial atención al ser de diferentes tipos, así el metil isocianato
o el sulfuro de hidrogeno son muy tóxicos pero otros no lo son tanto, ya que no son
liberados en concentraciones altas o no son muy perjudiciales, pero la exposición a ellos
de manera repetitiva ya sea en concentraciones bajas pueden ser peligrosas. “19.
“Es por esto que las industrias están principalmente enfocadas a los contaminantes de
larga duración, pero de baja exposición (LD-BE) lo cual lleva a tener efectos crónicos en
la salud, claro sin dejar al lado los de alta concentración y baja exposición (AC-BE) que
llevan a efecto agudos de la salud. “20
“Para ciertos contaminantes como los (LD-BE) no se tienen valores máximos permitidos
o de umbral los cuales se pueden fijar y decir que a partir de ahí resultan tóxicos o
18
peligrosos, por lo que para tales sustancias cualquier inhalación de ellas resulta dañina,
ya que si son aspiradas hay una elevada probabilidad estadística de contraer alguna
enfermedad como cáncer o radiación ionizante. “21.
“En las industrias muchas de las veces la producción de polvo se genera por corrientes de
aire inducido SCHIFFTNER, ya sea producido por las maquinas utilizadas o por los
mismos operadores quienes las controlan, este polvo como ya se comentó anteriormente
al aspirarse en grandes cantidades puede resultar perjudicial para la salud por lo que se
necesita aspirarlo con ventiladores para despejar los ambientes de trabajo.” 22.
Una de las ventajas de usar ciclones es que sirven para proteger a los ventiladores de los
polvos abrasivos por lo que colocando un ciclón colector bien diseñado delante de un
ventilador este en ultimas lo protege de los polvos abrasivos y hace que se alargue la vida
útil del ventilador.
“La construcción de los ciclones tiene diversas aplicaciones en las industrias, así por
ejemplo en las industria de madera se generan desperdicios para lo cual se utilizan
ciclones de pequeños diámetros que al tener radios de giro corto son más eficientes para
la separación de partículas, pero se los ordena en hileras para aumentar su capacidad y
poder recoger hasta 1000 pies cúbicos de flujo de gas por minuto; esto también se da
en la industria de la caña de azúcar para los bagazos de las calderas y esta clase de arreglo
en estos equipos son comúnmente llamados ciclones colectores múltiples.” 23
1.6. Filtro de Mangas: “Este tipo de equipos son considerados como los más
representativos para la separación sólido-gas, su funcionamiento consiste en recoger
partículas sólidas que son arrastradas por un gas, las cuales atraviesan un tejido. Los
filtros son estructuras porosas que retienen partículas transportadas por un gas que
atraviesa los espacios huecos del filtro. Para la construcción de un filtro se debe identificar
que la tela sea compatible con el gas y las partículas que atraviesan el sistema. La figura
X. representa uno de los filtros más utilizados en la industria.
19
Figura 3. Filtro de mangas con agitación mecánica. 24
1.6.1. Teoría de funcionamiento de filtro de mangas: “La separación de los sólidos
se efectúa ala hacer pasar una corriente gaseosa que contiene material particulado en su
seno a través de una tela en forma de manga. Las partículas quedan atrapadas en los
intersticios del material filtrante y se en un determinado tiempo se forma una especie de
torta filtrante, la cual mientras más partículas acumuladas posea aumentara la eficiencia
de retenido del equipo. Debido a que el sólido se va acumula en el tiempo en los filtros,
se tiene que parar la operación y realizar una limpieza para poder evitar caídas de presión
excesivas en el sistema y disminución del caudal.
El gas que ingresa al filtro lo hace por la parte inferior del equipo, atraviesa los filtros de
mangas y se dirige hacia arriba hasta llegar a la salida del filtro ya como un gas limpio.”
25
“La caída de presión en los filtros es media, al igual que su potencia y pueden manejar
grandes volúmenes. Como limitantes son la temperatura ya que no puede manejar flujos
a temperaturas mayos a los 200°C, y deben permanecer secos en su totalidad, de lo
contrario se corre el riesgo que se quemen las mangas o se apelmace el polvo y pueden
tapar el medio filtrante, por lo que de la elección del tipo de tela que se use, depende la
eficiencia logrando tener eficiencias sobre el 90 por ciento.” 26
20
1.6.2. Velocidad de Filtración: “Para obtener una filtración eficiente se sugiere usar
velocidades de entre 0,005 a 0,05 m/s. La velocidad de filtración es en cierta forma difícil
de estimar por lo que se cuenta con valores experimentales que pueden ser una buena guía
para el diseño de este tipo de separadores de sólidos, en función del tipo de partículas a
separar y el tipo de tela utilizada”. 27
1.6.3. Ventajas de la construcción de filtros de mangas en la industria: Las ventajas
que presentan este tipo de separadores son la razón del porque son de los más utilizados
en la industria.
• Alta eficiencia de captación de partículas para un intervalo amplio de tamaños.
• Caída de presión y consumo de energía moderado.
• Recuperación de partículas secas
• , que pueden ser reutilizadas.
• Capacidad de manejo de una amplia gama de materiales sólidos.
21
2. METODOLOGÍA
En este capítulo se establece la metodología para el diseño planteado, se detalla los pasos
de desarrollo del diseño de cada componente del sistema, para su posterior construcción
e implementación.
2.1. Descripción del diseño experimental.
Se realizó un análisis cuantitativo y cualitativo del material particulado que se utiliza en
los procesos de mezclado y laminado en la elaboración de la pasta de caucho, a partir de
la información y datos obtenidos, se procedió a diseñar el proceso de extracción que
consta de un ciclón y un filtro de mangas. Una vez revisado y aprobado el diseño, se
realizó un análisis de costo de materiales y equipos necesarios para la construcción del
equipo separador de partículas. Se construyó el equipo, se realizaron varias pruebas, y
una vez comprobado su correcto funcionamiento, se procedió a la toma de datos en el
área de mezclado y laminado que es el lugar afectado por la contaminación del material
particulado en el ambiente. Se realizó un análisis de la calidad del aire, para poder
determinar la concentración final del material particulado ya con el sistema implementado
y funcionando.
Figura 4. Diagrama del proceso experimental.
22
2.2. Análisis de la calidad de aire.
Se realizó un análisis de la calidad del aire, enfocándose en las concentraciones del
material particulado que generan en mayor proporción, contaminación en el área de
mezclado y laminado, encontrándose que las partículas de negro de humo, rubbersil y
caolín son las que afectan de manera agresiva el ambiente de trabajo, ya que una buena
parte de estas partículas se quedan suspendidas en el ambiente y precipitan en poco
tiempo, evidenciándose este suceso en el aspecto final de las instalaciones de la planta en
el momento de su limpieza. (Ver anexo A)
Se realizó el estudio de las características principales de los químicos que generan
contaminación del ambiente, mediante información proporcionada por los proveedores
de dichos químicos.
2.2.1. Negro de Humo: Es un agente reforzante para productos elastoméricos, muy
importante para incrementar las características, de resistencia a la tracción, resistencia al
desgarre y resistencia a la abrasión, aparte de que este tipo de materia prima es barata. El
tamaño de partícula es muy importante ya que de este dependen las características y grado
de refuerzo del producto final.
2.2.2. Caolín: El caolín por su granulometría y su alta pureza es empleado en varias
industrias a nivel mundial, sus características le permiten dar determinadas propiedades
a los productos de caucho, por lo que se lo emplea como agente reforzante para dar dureza.
2.2.3. Rubbersil: Partícula fina de gran nivel de absorción de aceites, ayuda a la fluidez
del caucho y buen apelmazamiento para polvos.
2.3. Muestreo en la zona de estudio.
El análisis de la calidad de aire en la empresa Cauchos Vikingo se lo realizó mediante la
determinación de concentración de material particulado en el aire ambiente, se tomó como
referencia la legislación ambiental ecuatoriana.
23
2.3.1. Captación de partículas, para material particulado sedimentable: El muestreo
de emisiones de partículas sedimentables del proceso de mezclado y laminado se lo
realizó en base a criterios de documentación técnica por medios propios de la empresa.
El muestreo se lo efectuó en el lugar considerado de mayor generación de material
particulado que es el área de mezclado y laminado, ya que este es donde se adicionan
químicos en estado sólido de forma manual.
2.3.3.1. Procedimiento del muestreo:
2.3.3.1.1. Se hermetizó por completo el área de mezclado y laminado, para evitar que
entre cualquier tipo de contaminante que no es parte del proceso, o para que salga el
material particulado del área de interés.
2.3.3.1.2. Se realizó una limpieza total del lugar, de paredes, techo, piso y maquinas.
Para evitar que al realizar el monitoreo exista algún tipo de residuo de material
particulado, o algún tipo de contaminantes ajenos al proceso que altere el valor de la
muestra a colectar.
2.3.3.1.3. Se inició el muestreo del 3 de julio al 11 de agosto cumpliendo con los 30
días laborables de recolección de la muestra.
2.3.3.1.4. En la mañana a primera hora, se recogió el material acumulado del área de
estudio, se verificó que la muestra no contenga algún tipo de material que no haya sido
generado en los procesos de interés y se reportó la cantidad diaria de partículas
sedimentables.
2.3.3.1.5. Este procedimiento se lo realizó por un tiempo de 30 días para poder estimar
la máxima concentración de una muestra colectada de forma continua, para partículas
sedimentables.
“Las mediciones realizadas del material particulado del aire se deben corregir de acuerdo
a las condiciones de la localidad mediante la siguiente ecuación”. 28
24
(14)
Donde:
MC.: Masa corregida, (mg).
MR: Masa recolectada, (mg).
PL: presión atmosférica local, (mmHg).
T: temperatura local, (°C).
Para el cálculo de la corrección de masa se empleó las condiciones ambientales de la
ciudad de Quito, detallado en la siguiente tabla.
Tabla 2. Condiciones ambientales de Quito. [29]
El cálculo de la masa total corregida, se lo realizó sumando la masa obtenida de cada
semana del mes, mediante la siguiente ecuación:
𝑀𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑆1 + 𝑆2 + 𝑆3 + 𝑆4 + 𝑆5 + 𝑆6 (15)
Donde
M total = Masa total, (mg).
S1 = Semana 1.
Sn = Número de semanas siguientes.
Se calculó la concentración de partículas sedimentables, determinando el volumen del
lugar donde se genera el material particulado.
Las dimensiones del lugar donde se realiza el proceso de mezclado y laminado son las
siguientes:
T, °C
540 20
Condiciones
ambientales, Quito.
𝑃 𝑔
𝑀𝐶 = 𝑀𝑅 ∗ 760 𝑔
𝑃 𝑔∗(273 + 𝑇°𝐶)𝐾
298𝐾
25
Largo, m = (LH)
Ancho, m = (BH)
Alto, m = (HH)
Volumen del ambiente de trabajo, m3 = (VM)
Se calculó el volumen del ambiente de trabajo (VM), mediante la siguiente ecuación:
𝑉𝑀 = 𝐿𝐻 ∗ 𝐵𝐻 ∗ 𝐻 (16)
Por lo tanto, para calcular la concentración de partículas sedimentadas se tiene la siguiente
ecuación:
𝐶𝑝𝑠 =𝑀𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑉𝑀 (17)
2.3.2. Determinación de concentración de material particulado PM 2.5, PM 10, y
TSP.
Se realizó el muestreo con el equipo de medición de concentración de partículas
AEROCET 531, el cual se colocó por un tiempo determinado en el área afectada, el
monitoreo se lo realizó en varios puntos con 10 repeticiones para cada tamaño de
partícula, también se midieron condiciones ambientales como la temperatura, humedad
relativa, etc., con equipos especializados para cada variable a medir. La concentración de
material particulado obtenida se la reportó en la tabla 10, en unidades de (μg/m3).
(Ver anexo B).
2.3.3. Distribución granulométrica de material particulado: Se recolectó por una
semana una muestra de material particulado y se la llevo para su análisis al laboratorio de
Catálisis de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central, se empleó el
equipo CAMSIZER, que es un equipo analizador de tamaño y forma de partículas sólidas,
(ver tabla 13).
26
2.4. Diseño del proceso.
2.4.1. Consideraciones de Diseño: El sistema de extracción de material particulado,
será construido e implementado en la empresa Cauchos Vikingo, la misma que esta ubica
en el sur de la ciudad de Quito, provincia de Pichincha, localizada a una altura de 2792
msnm, con una temperatura media de 20 °C, humedad relativa del 59%.
Se diseñó un sistema en el cual se pueda realizar un proceso de extracción localizada de
material particulado del ambiente, como se mencionó antes el área de mezclado y
laminado es donde se genera esta contaminación por lo que el sistema será implementado
en esta área.
El equipo extractor consta de los siguientes componentes:
• Sistema de ductos circulares.
• Ciclón
• Filtro de mangas.
• Ventilador
El sistema de extracción de material particulado y sus partes se lo representa en el
siguiente esquema.
Figura 5. Esquema del sistema de extracción del área de laminado y mezclado.
27
El sistema de absorción inicia con la captación de material particulado mediante una
campana extractora sobre el molino (ver figura 32), la campana está conectada a un ducto
que transporta a los sólidos mediante un gas, que en este caso es aire, hacia un ciclón. Las
partículas que llegan al ciclón entran con fuerza y chocan con las paredes internas del
ciclón, donde las partículas más pesadas van cayendo por un vórtice al fondo, hasta que
llegan al colector de partículas pesadas y se quedan ahí, por otra parte, se produce un
segundo vórtice en la parte central del ciclón que vuelve a subir arrastrando las partículas
más finas y livianas llevándolos hacia afuera del ciclón. Una vez que las partículas más
livianas están fuera del ciclón pasan por un ventilador centrífugo de alto caudal, el cual,
por la fuerza de impulsión los transporta hacia un filtro de mangas, donde las partículas
de diámetros pequeños que lograron pasar hacia este separador se quedan retenidas en los
filtros que este contiene, el aire que es expulsado del filtro de mangas sale con una
cantidad mínima de partículas en comparación a la concentración inicial al entrar al
sistema extractor.
2.4.2. Diseño del ciclón: La elección del tipo de ciclón se la realizó en base al tamaño
de partícula, sus características y la eficiencia de separación deseada: Existen tres
tipos de familias de ciclones que son: convencional, alta eficiencia y alta capacidad de las
cuales se escogió el ciclón de alta capacidad, por ser el que más se ajustó a las necesidades
de la empresa. Los ciclones son adecuados para la separación de partículas por encima de
5 µm de diámetro; partículas más pequeñas, por debajo de unos 0,5 µm, se pueden separar
si pueden aglomerarse.
Los ciclones constituyen uno de los medios menos costosos de recolección de polvo, tanto
desde el punto de vista de operación como de la inversión. Estos son básicamente
construcciones simples que no cuentan con partes móviles, lo cual facilita las operaciones
de mantenimiento; pueden ser hechos de una amplia gama de materiales y pueden ser
diseñados para altas temperaturas (que ascienden incluso a 1000 °C) y presiones de
operación bastante altas.
La siguiente tabla presenta el intervalo de remoción para las diferentes familias:
28
Tabla 3. Intervalo de eficiencias de remoción. [30]
FAMILIA DE CICLÓN EFICIENCIA DE REMOCIÓN %
PST PM 10 PM 2.5
Alta eficiencia 80-99 60-95 20-70
FAMILIA DE CICLÓN EFICIENCIA DE REMOCIÓN %
PST PM 10 PM 2.5
Convencional 70-90 30-90 0-40
FAMILIA DE CICLÓN EFICIENCIA DE REMOCIÓN %
PST PM 10 PM 2.5
Alta Capacidad 80-99 10--40 0- 10
PST = Partículas Suspendidas Totales
2.4.2.1. Elección del tipo de ciclón: Según la distribución granulométrica de la tabla X.,
el porcentaje de partículas menores a 10 micrómetros es bajo con el 8,9 %, por lo que se
escogió el diseño de la familia de alta capacidad (ciclón Stairmand, por ser este de alta
eficiencia y baja caída de presión.), que permite un porcentaje alto de remoción de
partículas sobre los 40 micrómetros, que son las partículas que presentan mayores
concentraciones en la muestra inicial y se las representa en el siguiente gráfico.
Figura 6. Curvas características para ciclón de alta capacidad. [31]
Se estableció las variables de diseño para el ciclón.
29
2.4.2.2. Variables de diseño para dimensionamiento: para el cálculo del ciclón es
necesario establecer las variables de diseño, las cuales de detallan a continuación:
Caudal de aire: los caudales establecidos por literatura especializada para unidades de un
solo ciclón son de 0.5 a 12 m3/s, a condiciones de referencia.
Temperatura: la temperatura de entrada se la consideró como la temperatura ambiente, y
estaría limitada únicamente por los materiales de construcción del ciclón.
Concentración de partículas: las concentraciones más comunes son de 2 a 230 g/m3, a
condiciones de referencia.
Velocidad de entrada: Se eligió una velocidad sugerida por documentos técnicos para la
construcción de ciclones que va de 15 a 27 m/s.
Donde
Qc = Caudal del aire del ciclón, (m3/s).
Cp = Concentración de partículas, (ug/m3).
Vec =Velocidad de entrada, (m/s).
ρp = densidad de la partícula, (kg/m3).
Para el cálculo de la densidad de la partícula, se tomó una muestra recolectada en una
semana y se calculó su densidad a partir de la masa recolectada en un volumen definido.
2.4.2.3. Relaciones de diseño: Se empleó las relaciones de diseño establecidas para el
dimensionamiento del ciclón, a partir de las variables caudal y velocidad.
30
Características de ciclones de alta capacidad. [32]
En la siguiente tabla se detalla la nomenclatura de las dimensiones de los ciclones.
Nomenclatura de ciclones. [33]
31
Figura 7. Diseño estándar para ciclones alta capacidad. [34]
Los principales parámetros de diseño del diámetro del ciclón por lo general son:
Tabla 4. Parámetros de diseño para ciclones de entrada tangencial. [35]
2.4.2.4. Diámetro del ciclón. (Dc): Se seleccionó una velocidad de entrada de 15 m/s,
la cual está dentro del intervalo de 15 a 27 m/s, de velocidades recomendadas por
literatura especializada.
Se estableció de igual forma el valor del caudal de 0.7 m3/s, y así poder determinar el
diámetro del ciclón mediante las siguientes ecuaciones.
32
𝐴𝐷𝐸𝐶 =𝑄𝑐
𝑉𝑒𝑐 (18)
Donde
ADEC = Área del ducto de entrada al ciclón, (m2).
Vec = Velocidad de entrada al ciclón, (m/s).
Se tomó las relaciones de diseño de la tabla X. para la altura de entrada (a) y ancho de la
entrada (b), se igualan las ecuaciones y nos queda:
𝑎 𝑥 𝑏 = 0 75𝐷𝑐 𝑥 0 375𝐷𝑐 = 𝐴𝐷𝐸𝐶 2
Se despeja y tenemos la ecuación:
Las otras dimensiones del ciclón se hallan en base a las proporciones propuestas:
Tabla 5. Nomenclatura de proporciones del ciclón de alta capacidad.
Altura de entrada al ciclón (a): a = 0,5 Dc
Ancho de entrada al ciclón (b): b = 0,2 Dc
Altura de salida del ciclón (S): S = 0,5 Dc
Diámetro de salida del ciclón (Ds): Ds = 0,5 Dc
Altura parte cilíndrica del ciclón (h): h = 1,5Dc
Altura total del ciclón (H): H = 4 Dc
Altura parte cónica del ciclón (z): z = 2,5 Dc
Diámetro salida del polvo (B): B = 0,375Dc
Dc=√𝐴𝐷𝐸𝐶
0 5 ∗0 2
33
Figura 8. Dimensiones del ciclón de alta capacidad. [36]
Para hallar la relación de velocidades se requiere primer estimar la velocidad equivalente
y después la velocidad de saltación.
2.4.2.5. Velocidad equivalente (W): La velocidad equivalente se determinó por la
siguiente ecuación:
𝑊 = √4∗𝑔∗𝜇∗(𝜌𝑝−𝜌𝑔)
3∗𝜌𝑔2
3 (19)
Condiciones de la corriente de aire a 20°C y 71,9 kPa:
𝜌𝑔 = 0 827 𝑘𝑔
3
𝜇 = 18 25 𝑥 10−6 𝑘𝑔
∗ 𝑠
Donde
W = velocidad equivalente, (m/s).
34
g = gravedad, (m/s2).
µ = viscosidad del aire, (kg/m*s)
ρp = densidad de la partícula, (kg/m3).
ρg = densidad del aire, (kg/m3).
2.4.2.6. Velocidad de saltación (Vs): La velocidad de saltación es muy importante ya
que a velocidades pequeñas las partículas pueden sedimentarse y por ende provocar una
disminución en la eficiencia del sistema, y velocidades muy altas pueden resuspender el
material colectado y afectar de igual forma en la eficiencia.
𝑉𝑠 =4 913∗𝑊∗𝐾𝑏
0 4∗𝐷𝑐0 067∗ √𝑉𝑒𝑐
23
√1−𝐾𝑏3 (20)
Relación entre base y diámetro del ciclón.
𝑘𝑏 =𝑏
𝐷𝑐 (21)
Donde
Vs = Velocidad de saltación, (m/s).
Vec = Velocidad de entrada al ciclón, (m/s).
kb = Relación entre la base de entrada y diámetro del ciclón.
b = Base del ducto de entrada al ciclón, (m).
2.4.2.7. Relación entre velocidades: Se han desarrollado correlaciones entre la relación
de velocidad de entrada y velocidad de saltación, en la que se determinó que si la relación
de velocidades es menor a 1.35, no se produce resuspención.
𝑉𝑒𝑐𝑉𝑠
< 1 35 𝑛𝑜 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑢𝑠𝑝𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙
35
2.4.2.8. Volumen del ciclón evaluado a la salida (Vsc).
𝑉𝑠𝑐 = 𝜋
4∗ (𝑆 −
𝑎
2) ∗ (𝐷𝑐2 − 𝐷𝑠2) (22)
Donde
Vsc = Volumen del ciclón a la salida, (m3).
a = Altura del ducto de entrada al ciclón, (m).
S = Altura del canal de salida del ciclón, (m).
Ds = Diámetro de salida del ciclón, (m).
2.4.2.9. Longitud natural del ciclón (L): Es la longitud necesaria para iniciar el vórtice
ascendente, tomado desde la altura superior del ciclón.
𝐿 = 2 3 ∗ 𝐷𝑠 ∗ √𝐷𝑐2
𝑎 ∗𝑏
3 (23)
Se tiene que cumplir la siguiente condición:
𝐿 < − 𝑆 (24)
Donde
L = Longitud natural del ciclón, (m).
H = Altura total del ciclón, (m).
S = Altura del canal de salida del ciclón, (m).
2.4.2.10. Factor de dimensiones lineales (Kl).
𝐾𝑙 = 𝐷𝑐 − (𝐷𝑐 − 𝐵) ∗ 𝑆+ −ℎ
𝑧 (25)
Donde
Kl = Factor de dimensiones lineales, (m).
B = Diámetro de salida de polvo al final del cono del ciclón, (m).
h = Altura parte cilíndrica del ciclón, (m).
z = Altura del cono del ciclón, (m).
36
2.4.2.11. Volumen del ciclón evaluado sobre longitud natural (VR).
𝑉𝑅 =𝜋
4∗ 𝐷𝑐2 ∗ ℎ − 𝑆 +
𝜋
12∗ 𝐷𝑐2 ∗ (𝐿 + 𝑆 − ℎ) ∗ (1 +
𝐾𝑙
𝐷𝑐+ (
𝐾𝑙
𝐷𝑐)2
) −𝜋
4∗ 𝐷𝑠2 ∗ 𝐿
(26)
Donde
VR = Volumen del ciclón evaluado sobre longitud natural, (m3).
Ds = Diámetro de salida del ciclón, (m).
2.4.2.12. Factor dimensional de proporciones volumétricas del ciclón (Kc).
Kc =Vsc+
VR
2
Dc3 (27)
Donde
Kc = Factor dimensional de proporciones volumétricas del ciclón.
2.4.2.13. Relación entre la altura de entrada y diámetro del ciclón (Ka).
𝐾𝑎 =𝑎
𝐷𝑐 (28)
Ka = Relación entre altura de entrada del ducto al ciclón y diámetro del ciclón.
2.4.2.14. Relación entre la base de entrada y diámetro del ciclón (Kb).
𝐾𝑏 =𝑏
𝐷𝑐 (29)
Donde
Kb = Relación entre la base de entrada del ducto al ciclón y diámetro del ciclón.
2.4.2.15. Factor de configuración G : Este factor es el resultado de relacionar varias
proporciones normalizadas por el diámetro del ciclón y característico para cada familia
de ciclones.
37
G = 8𝐾𝑐
(𝐾𝑎∗𝐾𝑏)2 (30)
Donde
Kc = Factor dimensional de las proporciones volumétricas del ciclón.
Ka = Relación entre la altura de entrada y diámetro del ciclón.
Kb = Relación entre el ancho de entrada y diámetro del ciclón.
2.4.2.16. Exponente de vórtice (nv).
nv =1- (1-0,67*𝐷𝑐0 14) ∗ (𝑇
283)0 3 (31)
Donde
nv = Exponente de vórtice.
T = temperatura, (°C).
2.4.2.17. Tiempo de relajación (Ti): El tiempo de relajación es el tiempo necesario para
que una partícula alcance la velocidad terminal de caída.
Ti=𝜌𝑝 ∗ 𝐷𝑝𝑖2
18𝜇 (32)
Donde
Ti = Tiempo de relajación, (s).
µ = viscosidad del aire, (kg/m*s)
ρp = densidad de la partícula, (kg/m3).
Dpi = Diámetro de partícula, (m).
2.4.2.18. Eficiencia fraccional por intervalo de tamaños (ni).
ni= 1 - ℮[−2 ∗ (𝐺 ∗𝑇𝑖 ∗𝑄𝑐 ∗(𝑛𝑣+1)
𝐷𝑐3)
0 5
𝑛𝑣+1] (33)
38
Donde
ni = eficiencia fraccional por tamaño, (%).
Qc = Caudal de entrada al ciclón, (m3/s).
nv = Exponente de vórtice.
2.4.2.19. Calculo de Pérdida de presión del ciclón, (∆Pc).
Número de cabezas de velocidad (Nh).
(34)
Donde
K = cte. para ciclones de entrada tangencial.
Para el número de cabezas de velocidad se considera la cte. K = 16 para ciclones de
entrada tangencial.
∆𝑃𝑐 =1
2∗ 𝜌𝑔 ∗ 𝑉𝑒𝑐
2 ∗ 𝑁ℎ (35)
Donde
∆Pc = Caída de presión en el ciclón, (Pa).
ρg = densidad del aire, (kg/m3).
Si la caída de presión del equipo es mayor a 2488,1 Pa, se necesita cambiar el tipo de
ciclón.
2.4.3. Diseño de ductos y campana extractora.
2.4.3.1. Diseño de campana extractora: se realizó el diseño de la campana extractora
según las características requeridas para el sistema extractor, tiene una configuración
rectangular y se tomó como referencia de literatura especializada una relación entre el
ancho y la longitud de la entrada.
Factor de forma:
L: longitud de entrada, (m).
Nh=K*𝑎∗𝑏
𝐷𝑠2
39
H: ancho, (m).
𝐻
≥ 0 2
La relación de ancho y longitud debe ser mayor a 0,2.
Se escogió un espesor menor al estándar 3mm, debido a costos y se utilizó una plancha
de 1mm, de acero ASTM A36.
Uno de los parámetros de diseño es el caudal a ser extraído, y su posición.
Campana suspendida en el aire.
𝑄𝑒 = 𝑉𝑒(10𝑥2 + 𝐴𝑐) (36)
Donde:
Qe: Caudal en la campana (m3/s).
Ve: Velocidad de captura de la partícula (m/s).
X: Distancia al foco (m).
Ac: Área transversal de campana (m2).
Se tomó el valor de la velocidad de captura sugerida por literatura especializada en diseño
de ventilación y extracción localizada de 1 m/s. La distancia de la campana al foco de
generación del material particulado se asumió de un máximo de 1 m.
2.4.3.2. Presión dinámica, (VP): Para cálculos posteriores de caídas de presión en
distintos puntos del sistema extractor se calculó la presión dinámica del sistema.
Se toma la velocidad de transporte a la velocidad estándar sugerida para colectores de
polvos cuyo valor es de 15 m/s, y con esto se realizó el cálculo de la presión dinámica
según la ecuación descrita.
𝑉 = 4 003√𝑉𝑃 (37)
Donde
VP = Presión dinámica del sistema, (mmca).
Vs = velocidad estándar para colectores de material particulado, (m/s).
40
2.4.3.3. Pérdida de presión en la campana extractora (ho): Se obtuvo el factor Fh,
con ayuda de la carta de factor de Pérdida para campanas rectangulares, la cual depende
exclusivamente del ángulo de apertura. El ángulo de apertura de la campana que se utilizó
fue de 80°.
Figura 9. Factor de Pérdida para campanas rectangulares. [37]
Entonces la pérdida en la campana extractora se la determina mediante la siguiente
ecuación:
ℎ𝑜 = 𝐹ℎ ∗ 𝑉𝑃 (38)
Donde
ho = Pérdida de presión en la campana, (mmca).
Fh = Factor de Pérdida de presión para campanas rectangulares.
2.4.4. Diseño del ducto: Se calculó del valor del diámetro del ducto por el cual se van a
extraer las partículas, tomando como referencia los valores obtenidos del caudal aspirado
por la campana extractora y la velocidad estándar del material particulado, que es de 15
m/s.
𝑄𝑒 = 𝑉𝑠 ∗ 𝐴𝐷 (39)
41
𝐴𝐷 =𝜋∅𝐷
2
4 (40)
Donde
Vs = velocidad estándar para colectores de material particulado, (m/s).
Qe: Caudal en la campana (m3/s).
AD = Área del ducto, (m2).
ØD = Diámetro del ducto, (m).
En la selección del material del ducto se realizó un análisis entre varias alternativas:
• Latón
• Acero ASTM A36
• Tubería PVC
Tabla 6. Matriz de decisión para elección de ductos.
Material Pared
interior lisa Peso
Resistente a
la abrasión
Acero
ASTM SI
Extra
pesado NO
Latón SI pesado NO
Tubería
PVC SI liviano SI
Se escogió la tubería de pvc, ya que posee una pared interior lisa, que ayuda a que la caída
de presión sea menor, se puede manejar con facilidad, dar forma sin problemas y por su
resistencia a la abrasión ya que el material transportado es polvo e impurezas del
ambiente.
2.4.4.1. Pérdidas de presión en el ducto (hf).
El diseño y longitudes de las líneas de ductos, se los representa en el siguiente esquema:
42
Figura 10. Esquema de distribución de ductos del sistema de extracción.
El factor de pérdidas por fricción del ducto se obtuvo haciendo uso del nomograma de
pérdidas en ductos circulares de pared lisa.
Figura 11. Factor de pérdida por fricción en ductos circulares. [38]
La pérdida de presión a lo largo del ducto se determinó mediante la ecuación:
ℎ𝑓 = 𝑘𝐿 (41)
43
El factor k obtenido por la carta de factor de perdida que se muestra en la figura 11.,
presenta las siguientes unidades 𝑝𝑢𝑙𝑔 𝐻2𝑂
100 𝑓𝑡, por lo que se realizó la conversión para
transformar a unidades de 𝑚𝑚𝑐𝑎
𝑚.
Donde
hf = Pérdidas de presión en el ducto, (mmca).
k = Perdidas por fricción en ductos circulares (𝑝𝑢𝑙𝑔 𝐻2𝑂
100 𝑓𝑡).
L = longitud de toda la línea de ductos, (m).
2.4.4.2. Pérdidas de presión en accesorios (hs).
Codo de 90: En el trayecto desde el punto de extracción hasta el ciclón hay una longitud
de 6.7 m, con 5 codos para la unión de partes curvas y entrada a la campana extractora,
al igual que en la campana extractora el factor de Pérdida se encuentra en función de la
presión dinámica por lo que se escoge según la tabla de factor de Pérdidas en codos de
90° de la ACGIH., el factor donde el radio de curvatura del ducto sea 1,25 veces el
diámetro del ducto.
ℎ𝑠 90° = 0 55𝑉𝑃 (42)
Donde
hs90° = Pérdida de presión en codo 90°, (mmcol.H2O).
2.4.5. Diseño del filtro de mangas: Para el diseño del equipo se calculó el número de
mangas y sus dimensiones en base al caudal de entrada al filtro. Por la reducción que se
colocó en la línea de entrada al filtro de mangas, el caudal de salida del ciclón disminuye
y se tiene un caudal de 0.3 m3/s, con este dato se establece las dimensiones del equipo en
base a dimensiones estándar sugeridas por fabricantes.
“Literatura especializada sugiere que el rango de velocidades para obtener una filtración
eficiente está entre los 0,005 y 0,1 m/s. Se escogió una velocidad de 0,09 m/s que está
dentro del rango sugerido.
44
Se calculó del área de filtración con la siguiente ecuación.
𝐴𝑓 =𝑄𝑓
𝑉𝑓 (43)
Donde
Af = Área de filtración, (m2).
Qf = Caudal de entrada al filtro de mangas, (m3/s).
Vf = Velocidad de filtración, (m/s).
2.4.5.1. Cálculo del área de una manga: Desde el punto de vista práctico, se
recomienda que la dimensión de una manga no exceda de los siguientes valores: “[39]
• Diámetro: entre 0,15 y 0,30 m.
• Longitud: entre 1,5 y 12 m.
Por lo que se escogió un diámetro de 0,15 m, la longitud por motivos del tiempo de
filtración y concentración de partículas de entrada se tomó un valor menor al requerido,
optando por el valor de 1m, que es lo suficiente para el equipo.
𝐴𝑓𝑚 = 𝜋 ∗ 𝐷 ∗ 𝐿 + 𝜋 ∗ (𝐷𝑚
2)2 (44)
Donde
Afm = Área de filtración de una manga, (m2).
Dm = Diámetro de una manga, (m).
Lm = Longitud de manga, (m)
2.4.5.2. Número de mangas (N).
𝑁 =𝐴𝑓
𝐴𝑓𝑚 (45)
Se construyó el filtro con un área total de 0.24 m2, de dimensiones (largo = 0.60 m;
ancho = 0.40; y alto 1.50 m), los filtros están distribuidos de forma de una matriz de 3X2.
45
El material filtrante que se escogió fue el de poliéster por ser el más utilizado en las
industrias y sobre todo uno de los más resistentes.
2.4.5.3. Pérdidas de presión en el filtro de mangas, (∆Pf): Las caídas de presión se
producen en los filtros por los ductos de entrada y salida del equipo, y por la pérdida de
presión cuando el gas es filtrado a través de las mangas. La caída de presión en las mangas
va aumentando con el tiempo debido a que se acumula polvo en el material filtrante por
lo que se debe tener muy en cuenta su limpieza cada cierto tiempo.
La pérdida de presión en el filtro de mangas es la suma de la pérdida de presión a través
del compartimento, de la tela y de la capa de partículas. La pérdida de presión a través
del compartimento por lo general suele ser baja por lo que se la puede ignorar.
∆𝑃𝑓 = ∆𝑃𝑆 + ∆𝑃𝑗 + ∆𝑃𝑝 (46)
Donde
∆𝑃𝑆 = Pérdida de presión a través del compartimiento, en mmca.
La pérdida de presión a través de la tela se la calcula por medio de la siguiente ecuación:
∆𝑃𝑗 = 𝐾1𝑉 (47)
Donde
∆𝑃𝑗 = Pérdida de presión a través de la tela, en mmca.
𝐾1 = Factor de resistencia del tejido, en mmca.
Vf = Velocidad de filtración, en m/s.
Se calculó la pérdida de presión en la capa de las partículas que se han acumulado sobre
la tela mediante la siguiente ecuación:
∆𝑃𝑝 = 𝐾2𝐶𝑝𝑉2𝜃 (48)
Donde
∆𝑃𝑝 = Pérdida de presión a través de la capa de partículas, en mmca.
𝐾2 = Factor de resistencia debido a la capa de partículas, en mm H2O m/s.
46
Cp = Concentración de partículas en la corriente gaseosa, g/m3.
Vf = Velocidad de filtración, m/s.
𝜃 =Tiempo acumulado de las partículas o de filtración, s.
La suma de las dos caídas de presión nos da la caída de presión total que se produce en el
filtro de mangas.
∆𝑃𝑓 = ∆𝑃𝑗 + ∆𝑃𝑝 (49)
2.4.6. Pérdida de presión total, (∆𝑷𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍): La pérdida de presión a lo largo del sistema
de extracción es igual a la suma de todas las caídas de presión en los ductos, accesorios y
equipos de separación.
∆𝑃𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∆𝑃𝑐 + ∆𝑃𝑓 + ℎ𝑓 + ℎ𝑜 + ℎ𝑠 (50)
Donde
∆𝑃𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = Pérdida de presión total, mmca.
∆𝑃𝑐 = Pérdida de presión en el ciclón, mmca.
∆𝑃𝑓 = Pérdida de presión en el filtro de mangas, mmca.
hf = Pérdida de presión en el ducto, mmca.
ho = Pérdida de presión en la campana, mmca.
hs = Pérdida de presión en accesorios, mmca.
Como la caída de presión total cumple con la condición de ser menor a 2488.16 Pa, nos
indica que la selección del tipo de ciclón es la correcta.
2.4.7. Selección del Ventilador: Se observó que el valor de la presión resultante del
sistema está dentro del rango de ventiladores de mediana presión que van desde 100 a
300 mmca, por lo que se procedió a seleccionar un ventilador centrifugo que cumpla con
las necesidades del sistema a partir de especificaciones del caudal y la presión del sistema.
Se determinó la potencia necesaria para el ventilador con la ayuda de curvas
características para ventiladores que ofrecen los fabricantes de este tipo de equipos.
47
Figura 12. Curva característica para diseño ventiladores P vs Q. [40]
Se determinó que la potencia mínima que necesita el ventilador es de 1,6 kW ≈ 2,14 hp,
por factores de seguridad, corrección por altitud y temperatura, se sobredimensionó al
equipo con un 25 % de la potencia requerida por lo que se obtuvo las siguientes
características del equipo.
Potencia: 2,7 hp
Rpm: 3200-3600
Presión: ≈ 1650 Pa
48
3. DATOS
3.1. Propiedades físico químicas de agentes químicos
Características principales de los químicos que generan mayor contaminación del
ambiente. Información proporcionada por los proveedores.
Tabla 7. Propiedades físico químicas del negro de humo. [41]
PROPIEDAD UNIDAD ESPECIFICACIONES
Residuo al Tamiz 35
mesh 325 mesh ppm
10 máx.
20 máx.
Humedad % 1,0 máx.
Densidad aparente Kg/m3 465 ± 30
Tabla 8. Propiedades físico químicas del caolín. [42]
PROPIEDAD UNIDAD ESPECIFICACIONES
Residuo al Tamiz 100
mesh 200 y 325 mesh ppm 0,5 máx.
Humedad % 3,0 máx.
Densidad aparente g/cm3 1,1 a 1,3
49
Tabla 9. Propiedades físico químicas del rubbersil. [43]
PROPIEDAD UNIDAD ESPECIFICACIONES
Residuo al Tamiz 400
mesh ppm ≤ 0,5
Humedad % 1,0 máx.
Densidad aparente g/cm3 0,19 a 0,27
3.2. Material particulado sedimentable inicial.
En la siguiente tabla se reportó la masa total inicial de las partículas sedimentables de 30
días.
Tabla 10. Concentración diaria de material particulado en área de laminado y
mezclado.
PROCESO
PESO
TOTAL,
mg 30 días
PROMEDIO
DIARIO, mg 𝑪𝒑𝒔 =
𝒎𝒈
𝒎𝟑
laminado 1919966,28 63998,88 1828,54
Tabla 11. Porcentaje base para elaboración pastas de caucho.
QUÍMICO % Másico
N. Humo 23,3
Caolín 5,4
Rubbersil 18,8
Cloropreno 38,81
Aceite 2,70
Azufre 0,65
Otros 10,34
TOTAL 100,00
Formulación para un lote de 18 kg, aproximadamente.
50
3.3. Concentraciones iniciales PM 2.5, PM 10, TSP.
Los valores reportados se los realizó por laboratorio DPEC de la Facultad de Ingeniería
Química de la Universidad Central del Ecuador, en monitoreo de calidad de aire, para el
área de laminado.
Tabla 12. Resultados monitoreo PM 10, PM 2,5 y TSP en área de laminado y
mezclado antes del extractor.
PM 2,5
μg/m3
PM 10
μg/m3 TSP μg/m3
26,1 608,7 1254,4
3.4. Distribución granulométrica de material particulado.
Tabla 13. Distribución granulométrica de material particulado.
Tamaño de
partícula, um
Distribución
granulométrica
(%)
2,5 18,18
5,0 25,68
10,0 35,18
40,0 47,73
60,0 65,16
100,0 95,16
150,0 128,5
51
3.5. Variables de diseño para cálculo del diámetro del ciclón.
Tabla 14. Variables de diseño para cálculo de ciclón.
Variable Especificación
Qc (m3/s) 0,70
ρp (kg/m3) 435,17
gas aire
T °C 20
Cp (mg/m3) 2,098
Vec (m/s) 15,00
3.6. Longitudes, diámetro y número de accesorios en línea de ductos.
Tabla 15. Componentes de línea de ductos.
Cantidad Descripción Longitud, m Diámetro, m
Tubería que conecta al ciclón
1 Tubería PVC 6,7 0,25
5 codo 90 ………………….. 0,25
Tubería que conecta al filtro de mangas
1 Tubería PVC 3 0,16
2 codo 90 ………………….. 0,16
52
4. CÁLCULOS
4.1. Cálculo de la concentración de partículas sedimentables (Cps).
Los datos de las cantidades recopiladas en 30 días, del material particulado se los reportó
en el Anexo L.
4.1.1. Cálculo de corrección de la masa de muestras a condiciones de Quito:
Reemplazó datos de ecuación 14. en masa total de la primera semana de muestreo.
Cálculo modelo para la masa recolectada en la primera semana.
𝑀𝐶 = 244 38 ∗ 760 𝑔
540 𝑔∗(273 + 20)𝐾
298𝐾
𝑀𝑐 = 338167 92 𝑔
4.1.2. Cálculo de la masa total de muestra inicial (Mtotal).
Reemplazando valores en la ecuación 15.
𝑀𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 388167 92 + 328754 94 + 273650 92 + 380236 06 + 283269 80
+ 315886 64
𝑀𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1919966 28 𝑔
4.1.3. Cálculo de concentración de partículas sedimentables iniciales (Cps): El
cálculo de la concentración de partículas sedimentables se lo realizó reemplazando
valores en la ecuación 16.
El espacio de trabajo de análisis tiene las siguientes dimensiones:
Longitud del área de mezcla y laminado, (Lm) = 4 m
Ancho del área de mezcla y laminado, (Am) = 3,5 m
Altura del área de mezcla y laminado, (Hm)= 2,5 m
53
Se calculó el volumen total del espacio donde se produce pastas de caucho, teniendo que
𝑉 = 𝐿𝑚 + 𝐴𝑚 + 𝑚
𝑉 = 4 𝑥 3 5 𝑥 2 5
𝑉 = 35 3
Donde
Vm = Volumen total del espacio de molino.
Reemplazamos datos en la fórmula:
𝐶𝑝𝑠 =𝑀𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑉𝑚
𝐶𝑃𝑆 = 1828 54 𝑔
3
4.2. Cálculos del ciclón.
4.2.1. Cálculo del diámetro del ciclón (Dc): A partir de las variables caudal y velocidad
se realizó el cálculo siguiendo la ecuación 18.
𝐴 =0 70 3
15 0 𝑠
𝐴 = 0 0467 2
Donde
Altura de entrada al ciclón (a)
𝑎 = 0 75𝐷𝑐
Ancho de entrada al ciclón (b)
𝑏 = 2 0𝐷𝑐
𝑎 𝑥 𝑏 = 0 75𝐷𝑐 𝑥 0 375𝐷𝑐 = 0 0250 2
𝐷𝑐=√0 0250
0 5 ∗0 2
54
𝐷𝑐 = 0 41
4.2.2. Cálculo de velocidades.
Condiciones de la corriente de aire:
𝑃 = 71 9 𝑘𝑃𝑎
𝑇 = 20°𝐶
𝜌𝑔 = 0 827 𝑘𝑔
𝑚3 (aire)
𝜇 = 18 25 𝑥 10−6 𝑘𝑔
3
4.2.3. Cálculo de la velocidad equivalente (W).
Reemplazando valores en la ecuación 19.
W= √4∗9 8∗0 00001825(435 17−0 814)
3∗0 8142
𝑊 = 0 533
𝑠
4.2.4. Cálculo de la velocidad de saltación (Vs).
Cálculo de la relación Kb (relación ancho de la entrada al ciclón y diámetro del ciclón).
𝐾𝑏 =𝑏
𝐷𝑐
𝐾𝑏 =0 15
0 41
𝐾𝑏 = 0 375
Reemplazando valores en la ecuación 20.
𝑉𝑠 =
4 913 ∗ 0 533 ∗ 0 3750 4 ∗ 0 410 067 ∗ √1523
√1 − 0 3753
55
𝑉𝑠 = 11 8
𝑠
Relación de velocidades de entrada / velocidad de saltación según correlaciones de Kalen
y Zenz.
15
11 8 = 1 27
No existe resuspención del material ya que la relación de la velocidad es menor a 1,35
veces la velocidad de saltación.
4.2.5. Volumen del ciclón a la salida (Vsc).
Reemplazando valores en la ecuación 22.
𝑉𝑠𝑐 = 𝜋
4∗ (0 356 −
0 306
2) ∗ (0 4102 − 0 3062)
𝑉𝑠𝑐 = 0 012 3
4.2.6. Longitud natural del ciclón (L).
Reemplazando valores en la ecuación 23.
𝐿 = 2 3 ∗ 0 306 ∗ √0 410 2
0 306 ∗ 0 150
3
𝐿 = 1 07
Condición
𝐿 < − 𝑆
Reemplazando valores en la ecuación 24.
𝑉𝑒𝑐𝑉𝑠
< 1 35 𝑛𝑜 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑢𝑠𝑝𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙
56
1 07 < 1 629 − 0 356
1 07 < 1 273
Se cumplió con la condición se calculó el volumen evaluado sobre la longitud natural del
ciclón.
4.2.7. Factor de dimensiones lineales (Kl).
Reemplazando valores en la ecuación 25.
𝐾𝑙 = 0 200
4.2.8. Volumen de ciclón evaluado sobre longitud natural (VR).
Reemplazando valores en la ecuación 26
𝑉𝑅 =𝜋
4∗ 0 412 ∗ 0 611 − 0 356 +
𝜋
12∗ 0 412 ∗ (1 07 + 0 356 − 0 611)
∗ (1 +0 20
0 41+ (
0 20
0 41)2
) −𝜋
4∗ 0 3062 ∗ 1 07
𝑉𝑅 = 0 020 3
4.2.9. Factor dimensional de las proporciones volumétricas del ciclón (Kc).
Reemplazando valores en la ecuación 27.
𝐾𝑐 = 0 295
𝐾𝑙 = 0 410 − (0 410 − 0 153) ∗ 0 356 + 1 07 − 0 611
1 018
𝐾𝑐 =0 012 +
0 0202
0 4103
57
4.2.10. Relación entre la altura de entrada y el diámetro del ciclón (Ka).
Reemplazando valores en la ecuación 28.
𝐾𝑎 = 0 750
4.2.11. Relación entre la base de entrada y el diámetro del ciclón (Kb).
Reemplazando valores en la ecuación 29.
𝐾𝑏 = 0 375
4.2.12. Factor de configuración G.
Reemplazando valores en la ecuación 30.
𝐺 = 29 79
4.2.13. Exponente de vórtice (nv).
Reemplazando valores en la ecuación 31.
𝑛𝑣 = 0 587
𝐾𝑎 =𝑎
𝐷𝑐=0 306
0 410
𝐾𝑏 =𝑏
𝐷𝑐=0 153
0 410
G=8∗0 295
(0 750∗0 375)2
nv =1- (1-0,67*0 410 14) ∗ (20
283)0 3
58
4.2.14. Tiempo de relajación (Ti).
Reemplazando valores en la ecuación 32. para cada tamaño de partícula.
Ti=1800 ∗ (700 𝑋 10−6)2
18𝜇
𝑇𝑖 = 8 𝑥 10−5 𝑠
4.2.15. Eficiencia fraccional por intervalo de tamaños (ni).
Reemplazando valores en la ecuación 33.ni= 1 - ℮[−2 ∗
(29 79 ∗0 000008∗0 70 ∗(0 587+1)
0 4103)
0 5
0 587+1]
𝑛𝑖 = 0 29
4.2.16. Cálculo de caída de presión (Nh).
Reemplazando valores en la ecuación 34.
𝑁ℎ = 8
Reemplazando valores en la ecuación 35.
𝛥𝑃𝑐 = 744 69 𝑃𝑎
𝛥𝑃𝑐 = 75 988 𝑐𝑜𝑙. 2𝑂
Nh=16*0 306∗0 153
0 3062
∆𝑃𝑐 =1
2∗ 0 827 ∗ 152 ∗ 8
59
4.3. Cálculos de diseño de la campana de extracción.
4.3.1. Cálculo del caudal de entrada a la campana.
Factor de forma:
L: longitud de entrada.
H: ancho
𝐿≥ 0 2
Reemplazando las dimensiones de la campana en la ecuación se observa que cumplen con
la condición.
Ancho: 0,645 m
Largo: 1,202 m
0 645
1 20 ≥ 0 54
Uno de los parámetros de diseño es el caudal a ser extraído, y su posición.
Reemplazando valores en la ecuación 36.
𝑄𝑒 = 0 03(10 ∗ 1 52 + 0 645 ∗ 1 2)
𝑄𝑒 = 0 70 3
𝑠
4.3.2. Cálculo de la presión dinámica para todo el sistema extractor (VP).
Despejando y reemplazando datos en la ecuación 37. tenemos que:
𝑉𝑃 = (𝑉
4 003)2
𝑉𝑃 = (15
4 003)2
𝑉𝑃 = 14 04 . 𝑐𝑜𝑙 2𝑂
60
4.3.3. Cálculo para pérdida de presión en la campana extractora (ho).
Se obtuvo el factor Fh, con ayuda de la carta de factor de Pérdida para campanas
rectangulares.
Reemplazando datos obtenidos en la ecuación 38. se tiene:
ℎ𝑜 = 0 22(14 04)
ℎ𝑜 = 3 09 . 𝑐𝑜𝑙. 2𝑂
4.3.4. Cálculo del diámetro del ducto.
Reemplazando en ecuación 39.
∅ = (4 ∗ 0 05
𝜋)1/2
∅𝐷 = 0 24 ~ 10 𝑝𝑢𝑙𝑔
4.3.5. Cálculo de pérdidas de presión en el ducto (hf).
Con los datos reportados en la tabla. se obtuvo el factor de Pérdidas por fricción del
ducto, haciendo uso del nomograma de Pérdidas en ductos circulares de pared lisa.
𝑄 = 0 7 3
𝑠= 1483 22 𝑐𝑓
∅𝐷𝑢𝑐𝑡𝑜 = 10 𝑖𝑛
Se obtuvo un valor del factor de Pérdida de:
𝑘 = 1 2 𝑝𝑢𝑙𝑔 2𝑂
100 𝑓𝑡
Se convirtió a unidades de mm.col.H2O
1 2𝑝𝑢𝑙𝑔 2𝑂
100 𝑓𝑡∗25 39 𝑐𝑎
1 𝑝𝑢𝑙𝑔 2𝑂∗
1 𝑓𝑡
0 3048
𝑘 = 1 𝑐𝑎
61
Reemplazando datos en la ecuación 40.
ℎ𝑓 = (1)(9 7)
ℎ𝑓 = 9 7 . 𝑐𝑜𝑙. 2𝑂
4.3.6. Cálculo de Pérdidas en accesorios (hs).
Codo de 90.
Reemplazando datos en ecuación 41.
ℎ𝑠 90° = 0 55 ∗ 14 04
ℎ𝑠 90° = 7 72 . 𝑐𝑜𝑙. 2𝑂
ℎ𝑠 90° = 7 72 ∗ 5
ℎ𝑠 = 38 61 . 𝑐𝑜𝑙. 2𝑂
4.4. Cálculos del diseño del filtro de mangas.
4.4.1. Cálculo del área de filtración (Af).
Para una velocidad de filtración de 0,09 m/s, el área de tela es:
Reemplazando valores en la ecuación 42.
𝐴𝑓 =0 3
0 09
𝐴𝑓 = 3 33 2
4.4.2. Cálculo del área de una manga (Afm).
Reemplazando valores:
𝐴𝑓𝑚 = 𝜋 ∗ 0 15 ∗ 1 + 𝜋 ∗ (0 15
2)2
𝐴𝑓𝑚 = 0 49 2
62
Con este valor se calculó el número de mangas para el filtro.
Reemplazando valores en ecuación 43.
𝑁 =3 33
0 49
𝑁 = 6 8
𝑁 = 6
4.4.3. Cálculo de pérdida de presión en el filtro de mangas (∆Pf).
Remplazando en ecuación 44. tenemos:
Se escogió el factor de resistencia del tejido con ayuda de la tabla [23], para el material
filtrante que se está utilizando.
∆𝑃𝑗 = 11.8 2𝑂.𝑠
∗ 0 09
𝑠
∆𝑃𝑗 = 1 06 2𝑂
Se calculó la caída de presión en la capa de las partículas que se han acumulado sobre la
tela.
Remplazando en ecuación 45. tenemos:
∆𝑃𝑝 = 48 337 ∗ 0 002098 ∗ 0 092 ∗ 3600
∆𝑃𝑝 = 2 957 2𝑂
La suma de las dos caídas de presión nos da la caída de presión total que se produce en el
filtro de mangas.
Remplazando en ecuación 46. tenemos:
∆𝑃𝑓 = 1 06 + 2 957
∆𝑃𝑓 = 4 02 2𝑂
63
4.5. Cálculo de pérdida de presión total.
Remplazando en ecuación 47. tenemos:
∆𝑃𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 91 84 + 51 4
∆𝑃𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 143 24 𝑐𝑜𝑙. 2𝑂
∆𝑃𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1403 72 𝑃𝑎
64
5. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA EXTRACTOR.
5.1. Procedimiento de construcción del equipo de extracción.
Con el diseño, cálculos y dimensiones, se procedió a la construcción del equipo.
5.1.1. Procedimiento sistemático de construcción del ciclón y filtro de mangas.
5.1.1.1. Diseño de planos: Se diseñó los planos del ciclón y en el programa AUTOCAD,
con todos los datos obtenidos por cálculo. Estos planos contienen, las partes del ciclón y
el filtro de mangas con sus respectivas dimensiones. (Ver anexo H).
Materiales:
Para la construcción se utilizaron los siguientes materiales:
• Plancha de acero A36 de 1 mm
• Perfiles cuadrados de 3” y 1 ½ “.
• Tela de poliéster.
• Malla metálica.
Equipos:
Los equipos que se utilizaron se detallan a continuación:
• Soldadora Mig
• Amoladora
5.1.1.2. Proceso de construcción del ciclón.
Se desarrolló el cálculo del área del ciclón para las siguientes partes:
5.1.1.3. Cono truncado.
Para la construccion del cono truncado se realizó el cálculo del area lateral, con ayuda
del programa AUTOCAD, para poder realizar los cortes en la plancha de metal.
65
Tabla 16. Dimensiones para cálculo de área lateral para cono truncado.
Altura
(m)
Radio
mayor
(m)
Radio
menor
(m)
Generatriz
(m) Área lateral, m2
1,02 0,20 0,08 1,03 0,90
Figura 13. Dimensiones del cono truncado.
5.1.1.4. Cilindro exterior (Dc): Se calculó las dimensiones del cilindro exterior del
ciclón, haciendo uso de la hoja de cálculo excel las cuales se detallan en el siguiente
gráfico.
66
Figura 14. Dimensiones cilindro exterior del ciclón (Dc).
5.1.1.5. Cilindro de salida de ciclón (Ds): Se calculó las dimensiones del cilindro
exterior del ciclón, haciendo uso de la hoja de cálculo excel las cuales se detallan en el
siguiente gráfico.
Figura 15. Dimensiones cilindro de salida del ciclón (Ds).
67
5.1.1.5.1. Una vez que se calcularon las dimensiones del cono, del cilindro exterior y
cilindro de salida, se procedió a darle la forma cilíndrica y cónica a cada una de las partes
anteriormente descritas del ciclón como se muestra en el siguiente gráfico.
Figura 16. Construcción de las partes: cónica, cilindro exterior y cilindro de salida
del ciclón.
5.1.1.5.2. Con las partes principales del ciclón ya armadas se procedió a unir el cilindro
exterior con el cilindro de salida, con un equipo de soldadura mig que es muy empleado
para soldar aceros de diferentes tipos y aleaciones ligeras.
68
Figura 17. Cilindro de salida del ciclón (Ds).
Figura 18. Unión de cilindro exterior (Dc), con cilindro de salida (Ds) del ciclón.
5.1.1.5.3. Una vez armada la parte del cilindro exterior con el de salida se procedió hacer
cortes en el mismo para el ingreso del ducto al ciclón con los valores de cálculo del diseño:
altura de la entrada del ducto al ciclón (a) y base de la entrada del ducto al ciclón (b).
69
Figura 19. Entrada del ducto al ciclón (a x b).
5.1.1.5.4. Al tener la parte del cilindro completa, con el ducto de entrada y salida del
ciclón, se hacen perforaciones en la carcasa del blower y se sueldan ángulos al cilindro
para que el blower se acople firmemente y no se corra el riesgo de que se pueda caer y
evitar vibraciones, que a largo tiempo dañarían al equipo. Se colocó entre el blower y el
cilindro un empaque de caucho esponjoso para que sirva como sello y evitar cualquier
tipo de fuga de aire.
70
Figura 20. Parte cilíndrica acoplada con blower por la parte superior.
5.1.1.5.5. Como siguiente paso se procedió a construir la estructura que sostendrá al
motor, debido a que pesa aproximadamente 80 kg, por lo que se necesita un refuerzo extra
en esta parte del ciclón.
Figura 21. Estructura de refuerzo para blower.
71
5.1.1.5.6. Después de realizó la construcción del colector de polvos pesados del ciclón,
para esto se utilizó un tanque metálico de 200 kg y se lo corto según las medidas del
diseño del ciclón.
Figura 22. Construcción de colector de partículas pesadas del ciclón.
5.1.1.5.7. Una vez ya listo el soporte del blower, se construyó la estructura total de
material de hierro de 3“, que soportará al ciclón, para después soldar la parte del cono al
cilindro y tener casi listo el equipo.
72
Figura 23. Estructura de soporte del ciclón.
5.1.1.5.8. Como paso final se procedió a soldar la parte cónica al cilindro y armar ya
todo el ciclón dentro de la estructura para darle un acabado con pintura anticorrosiva ya
que, el equipo se va ubicar fuera de la planta.
Figura 24. Ciclón de alta capacidad.
73
5.1.1.6. Proceso de construcción del filtro de mangas.
Con los valores obtenidos de los cálculos del filtro de mangas se procedió a dimensionar
el equipo. Se construyó el equipo en función del número de mangas y sus dimensiones.
Figura 25. Dimensiones del filtro de mangas.
Figura 26. Dimensiones de una manga.
74
5.1.1.6.1. Como primer paso se armó las mangas con la tela de poliéster y la malla
metálica, se soldaron las mallas a la placa inferior del filtro con la configuración de una
matriz de 3 x 2, y se cubrieron las con las mangas.
Se habilitó la caja metálica de un filtro de otra máquina que estaba en desuso, se la reparó
y se soldó con la placa que contiene a las mangas.
5.1.1.6.2. Se revisó que no existan fugas, para evitar algún tipo de salida de
contaminantes y se dejaron las conexiones para la entrada y salida de aire lista para
cuando se conecte el ciclón.
Figura 27. Filtro de mangas.
5.1.1.7. Proceso de construcción de la campana de extracción.
5.1.1.7.1. Se utilizó una plancha de acero A36 de 1mm de espesor, para su construcción.
La campana es del tipo suspendida, con una configuración rectangular de las siguientes
dimensiones.
Largo = 1,20 m
Ancho = 0,645 m
75
5.1.1.7.2. Para su construcción se procedió a realizar cortes con las dimensiones descritas
en el gráfico X.
5.1.1.7.3. Después se procedió a soldar y esmerilar, hasta que quede unidas todas las
partes de la campana.
Figura 28. Dimensiones de la campana extractora.
Figura 29. Construcción de campana extractora.
76
5.1.1.8. Montaje de ductos
5.1.1.8.1. Una vez que ya se tuvieron todos los componentes del sistema extractor se
realizó el montaje de los ductos según el esquema del sistema de extracción del área de
mezclado y laminado representado por la figura 30.
Figura 30. Esquema del sistema de extracción del área de laminado y mezclado.
5.1.1.8.2. Se colocó a los equipos en las posiciones destinadas según el esquema del
sistema extractor. Después de procedió a realizar el montaje de ductos y las conexiones
con cada equipo.
77
Figura 31. Montaje de ducto para área de mezclado y laminado.
Figura 32. Conexión de ducto a campana extractora.
5.1.1.8.3. Una vez realizado el montaje de todos los equipos, ductos y campana, se
procedió colocar todo el cableado para el sistema eléctrico y botones de control del
sistema.
78
5.1.1.8.4. Por ultimo ya con el sistema eléctrico instalado, se encendió el equipo y
comprobó las condiciones de operación del equipo.
Figura 33. Sistema extractor de material particulado.
79
6. FACTIBILIDAD ECONÓMICA
6.1. Análisis de costos del sistema extractor.
6.1.1. Costos de mano de obra para construcción de ciclón y filtro de mangas.
Se realizó un análisis de los costos de la construcción del ciclón y el filtro de mangas, en
el cual se detalla el costo de hora hombre tanto en supervisión como en mano de obra.
Tabla 17. Costo de mano de obra directa.
1.- MANO DE OBRA DIRECTA
Diseño
Supervisión
William González 20 hora 4,08 $/hh 81,65
Nota: Se demora 10 días
SUBTOTAL $ 81,65
Construcción
Supervisión
William González 20 hora 4,08 $/hh 81,65
Soldado y Armado
Luis Morales 60 hora 3,50 $/hh 210,22
Nota: Se demora 10 días pero 2 hora/día en supervisión y 6h/día e soldado y armado
SUBTOTAL $ 291,87
Armado
Supervisión
Luis Morales 60 hora 3,50 $/hh 210,22
Nota: Se demora 10 días
SUBTOTAL $ 210,22
TOTAL DE MANO DE OBRA DIRECTA $ 583,74
6.1.2. Costos de materiales directos: Para realizar este cálculo se utilizó los valores de
los materiales que intervinieron en la construcción del sistema extractor y se sacó un costo
total de todo lo gastado.
80
Tabla 18. Costo de materiales directos en la construcción del sistema extractor.
2.- COSTOS DE MATERIALES DIRECTOS
2.1.- Materiales Directos
Descripción Cantidad Unidad
Precio Unitario
(con IVA) TOTAL $
Mantenimiento Motor 1,000
U
316,76 316,76
filtros 1,000 75,29 75,29
Tubos 1,000 14,00 14,00
Mustang 1,000 7,00 7,00
Pernos 1,000 6,03 6,03
Thiner 1,000 9,00 9,00
Esmalte 1,000 15,44 15,44
Tubería PVC 1,000 371,49 371,49
Siliconas y Alambre 1,000 5,14 5,14
Desagüe 6" 1,000 14,00 14,00
Pago Carrera Tubos 1,000 5,00 5,00
Siliconas 1,000 11,73 11,73
Tubo de 3" y 1 1/2" 1,000 58,05 58,05
Análisis de Laboratorio
Externo (DPEC) 2,000 175,00 350,00
Materiales eléctricos 1,000 130,00 80,00
SUBTOTAL $ 1338,93
6.1.3. Costos de mano de obra indirecta: Se contrató un técnico para que se encargue
de toda la parte eléctrica del sistema, por un tiempo de 4 horas que es lo que se demoró
en dejar instalado toda la parte eléctrica.
Tabla 19. Costo de mano de obra indirecta.
2.2.- Mano de obra indirecta
Instalación eléctrica
Eléctrico 4 hora 12,50 $/hh 50,00
Nota: Se demora 4 horas
SUBTOTAL $ 50,00
81
6.1.4. Costos Indirectos: En este punto se realizó el cálculo de los costos indirectos, en
el cual se analizó las depreciaciones, el mantenimiento y gastos generales, para cada uno
de los equipos que se utilizó por hora y así poder sacar costos, en función del tiempo de
uso.
Tabla 20. Costos Indirectos.
6.1.5. Total, de costos de fabricación: Una vez obtenidos los valores de mano de obra
directa e indirecta, y costo de materiales directos e indirectos, se procedió a realizar la
suma de todos estos costos para tener el costo total del sistema extractor.
Tabla 21. Costo total de construcción del sistema extractor.
TOTAL DE COSTOS DE CONSTRUCCIÓN $ 1521,30
TOTAL DE GASTOS PARA CONSTRUCCIÓN DE CICLÓN $ 2105,04
6.2. Análisis de costo beneficio del sistema de extracción.
Se realizó el cálculo del costo de funcionamiento por hora, del extractor contemplando
la depreciación, gastos generales y mantenimiento, para analizar cuánto cuesta el
2.3.- Costos Indirectos
Descripción Cantidad
Unida
d
Días de
Uso
Unida
d
Precio
Unitario TOTAL $
Depreciación
Suelda Mig 2,00 h/día 20,00 $/h 0,26 0,26
Dobladora 0,50 h/día 20,00 $/h 0,06 5,90
Suelda Eléctrica 1,00 h/día 20,00 $/h 5,90 0,06
Mantenimiento
Suelda Mig 2,00 h/día 20,00 $/h 0,43 17,17
Dobladora 0,50 h/día 20,00 $/h 0,69 6,88
Suelda Eléctrica 1,00 h/día 20,00 $/h 0,21 4,17
Gastos Generales
Agua m3 $/h 0,44
Energía eléctrica
gastada en
construcción
5,00 kw/día 30,00 $/h 0,65 97,50
SUBTOTAL $ 132,37
82
equipo por las horas que se mantiene operativo en el día. (4 horas), los valores se los
detalla en la siguiente tabla.
Tabla 22. Costo de funcionamiento por horas de trabajo del extractor.
COSTO DE FUNCIONAMIENTO POR HORAS DE
TRABAJO
Descripción Cantidad Unidad
Horas de
uso Unidad
Precio
Unitario
TOTAL
$
GA
ST
OS
GE
NE
RA
L
ES
Energía
Eléctrica 5,59 kw 4,00 $/h 0,65 22,37
DE
PR
EC
IAC
I
ON
, U
SO
DE
MÁ
QU
INA
S
CICLON 6,00 h/día 4,00 $/h 0,22 1,32
Ma
nte
nim
ien
t
o
CICLON 6,00 $/h 4,00 $/h 0,18 1,09
TOTAL COSTO DE SERVICIO/día 26,87
El equipo extractor funciona aproximadamente 4 horas diarias por lo que, se estima
que costo de funcionamiento de 4 horas lo asumiremos como costo diario.
6.2.1. Cantidad de material particulado recuperado al mes: En la siguiente tabla se
detalla la cantidad de materia prima recuperada y su costo. La cantidad recuperada se la
reutiliza como carga para productos de la línea de productos reciclados.
Tabla 23. Material particulado recuperado.
GANANCIA POR FUNCIONAMIENTO DEL CICLON
Masa total de Partículas Recuperadas Masa, mg
Costo Masa, $/Kg Costo Total
63687,39 4,34 0,28
GANANCIA POR IMPACTO AMBIENTAL
Descripción $/año $/día
Ahorro en multas por contaminación ambiental 1500 4,167
GANACIA GASTOS MEDICOS
83
Descripción $/mes $/día
Ahorro por gastos médicos y medico ocupacional 2550 85,000
AHORRO TOTAL,$ 89,167
COSTO BENEFICIO TOTAL,$ 62,297
84
7. RESULTADOS
7.1. Resultados de partículas sedimentables.
Los valores obtenidos en la siguiente tabla son resultado de un monitoreo de 30 días, con
el equipo de extracción en funcionamiento.
Tabla 24. Concentración de partículas sedimentables con extractor.
Proceso
Masa
Total, mg
30 días
Promedio
diario, mg 𝑪𝒑𝒔
𝒎𝒈
𝒎𝟑
Mezclado y
laminado 9344,76 311,49 8,90
Tabla 25. Porcentaje de disminución de partículas sedimentables.
𝑪𝒑𝒔 𝒎𝒈
𝒎𝟑 𝑪𝒑𝒔 𝒎𝒈
𝒎𝟑
Porcentaje de disminución,
%
Sin
extractor
Con
extractor 99,22
1828,54 8,90
Gráfico 1: Comparación de concentración antes y después del extractor.
1828,54
8,900
500
1000
1500
2000
CO
NC
ENTR
AC
IÓN
MIL
IGR
AM
OS
/MET
RO
S C
ÚB
ICO
S
CONCENTRACIÓN SIN EXTRACTOR CONCENTRACIÓN CON EXTRACTOR
Comparación concentración sin extractor vs concentración con
extractor
Sin extractor Con extractor
85
En el siguiente gráfico se compara los miligramos por metro cúbico colectados en 6
semanas sin el equipo extractor, y los miligramos por metro cúbico recolectados en 6
semanas con el equipo extractor en funcionamiento.
Gráfico 2: Concentración de partículas sedimentables por semana antes y después
del extractor.
Tabla 26. Concentración por componente en muestra con extractor.
Químico Masa, kg Xi % 𝑪𝒑𝒔 =
𝒎𝒈
𝒎𝟑
Negro Humo 3,00 0,36 36,36 3,24
Caolín 1,50 0,18 18,18 1,62
Rubbersil 2,50 0,30 30,30 2,70
Otros 1,25 0,15 15,15 1,35
TOTAL 8,25 1,00 100,00 8,90
Gráfico 3. Concentración por componente con extractor.
0,00
200000,00
400000,00
1 2 3 4 5 6MA
SA,
MIL
IGR
AM
OS/
CM
3
TIEMPO, SEMANAS
Concentración de particulas sedimentables por semana antes y
despues del extractor.
mg sin extractor mg con extractor
3,24 2,701,62 1,35
0,00
2,00
4,00
N Humo Rubbersil CaolínOtros
CO
NC
ENTR
AC
IÓN
M
ILIG
RA
MO
S/M
ETR
O
CÚ
BIC
O
Concentración por componente de muestra con
extractor
86
Tabla 27. Valores límites ambientales para agentes químicos (VLA). [4]
Agente Químico VLA-ED, 𝒎𝒈
𝒎𝟑
Negro de Humo 3,5
Caolín 2
Rubbersil 3,5
7.2. Resultados del diseño del ciclón.
Tabla 28. Resultados de la eficiencia del ciclón.
Tamaño (um) % M Ǿ partícula, um Ti, s ni
eficiencia
fraccional (ni*M)
2,5 7,50 2,5 0,000008 0,297 2,23
2,5--5 9,50 5 0,000033 0,421 3,99
5--10 12,55 10 0,000132 0,570 7,16
10--40 17,43 40 0,002120 0,868 15,13
40--60 30,00 60 0,004769 0,927 27,80
60--100 33,34 100 0,013247 0,973 32,43
EFICIENCIA TOTAL 88,74
Gráfico 4. Eficiencia por tamaño de partícula.
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
2,5 5 10 40 60 100
% E
FIC
IEN
CIA
TAMAÑO DE PARTÍCULA, MICROMETROS
Eficiencia por tamaño de particula
87
7.3. Resultado de las concentraciones de material particulado con extractor PM
2.5, PM 10, partículas suspendidas totales (TSP).
Los valores reportados se los realizó por laboratorio DEPEC de la Facultad de Ingeniería
Química de la Universidad Central del Ecuador, en monitoreo de calidad de aire, para el
área de laminado y mezclado con el equipo de extracción en funcionamiento.
Tabla 29. Resultados del monitoreo PM 10, PM 2,5 y TSP en área de laminado y
mezclado con extractor.
PM 2,5
μg/m3
PM 10
μg/m3 TSP μg/m3
8,8 20,4 382,3
Tabla 30. Porcentaje de disminución de material particulado.
Descripción
PM 2,5
μg/m3
PM 10
μg/m3 TSP μg/m3
Sin extractor 20,1 82,33 1988,4
Con
extractor 8,8 20,4 382,3
%
Disminución 56,22 75,22 80,77
Tabla 31. Valores máximos permisibles para material particulado. [45]
Máxima concentración de muestra ug/m3
PM 10 PM 2,5
100 50
88
Gráfico 5: Comparación de material particulado antes y después del extractor.
Gráfico 6: Porcentaje de material particulado captado por extractor en proceso de
mezclado y laminado.
Tabla 32. Beneficio en $, por funcionamiento del ciclón. GANANCIA POR FUNCIONAMIENTO DEL CICLON
Masa total de Partículas Recuperadas Masa, mg
Costo Masa, $/Kg Costo Total
63687,39 4,34 0,28
Concentración sin extractor
Concentración con extractor
1 2 3
20,1 82,33
1988,4
8,8 20,4382,3
Co
nce
ntr
acio
n,u
g/m
3
Tamaño de particula, um
COMPARACIÓN CONCENTRACIÓN ANTES Y DESPUES DEL EQUIPO
EXTRACTOR
0
50
100
PM 2,5 μg/m3 PM 10 μg/m3 TSP μg/m3
56,22
75,22 80,77
% D
ISM
INU
CIÓ
N
TAMAÑO DE PARTICULA
Porcentaje de disminución por tamaño de partícula.
89
8. DISCUSIÓN
• Con la implementación del sistema extractor de material particulado en el área de
mezclado y laminado, se observó una disminución del 99 % de concentración de
partículas sedimentables, la cual se reporta en la tabla 25, y se compara en el
gráfico 1. Se aprecia que los valores de concentración antes de la implementación
del equipo extractor son elevados para el ambiente laboral con aproximadamente
1,8 gramos por cada metro cúbico, dato que sobrepasa los límites máximos de
exposición ocupacional para agentes químicos, en 914 veces con respecto a los
valores límites ambientales (VLA). (Ver tabla 27).
• La media aritmética de la concentración total de partículas sedimentables a lo
largo de 30 días con el sistema extractor nos dio como resultado una concentración
de 8,90 miligramos por metro cúbico diario. La tabla 26 específica los porcentajes
de composición de la concentración total, en la que se observó que los
componentes de mayor concentración son el negro de humo con el 36 %, rubbersil
con el 30 %, y el caolín con el 18 %, la proporción de estos porcentajes en masa
con respecto a la concentración total nos dan resultados que cumplen con los
valores límites ambientales (VLAs), que se describen en la tabla 27.
• El ciclón que se diseñó es de alto caudal debido a las características
granulométricas de la muestra que se analizó antes de la implementación del
sistema extractor, cuyos resultados se representan en la tabla 13. Se obtuvo un
diseño con una eficiencia del 88.7 %, la misma que es suficiente para reducir y
recuperar partículas en el ambiente de nuestro interés. Según los datos obtenidos
de las eficiencias fraccionales de la tabla 28, se obtuvieron valores bajos en la
captación de partículas en los rangos de tamaños PM 2,5 con un 2,23% y PM 10
con un 11,15 %, estos valores eran esperados por diseño ya que, por la selección
del tipo de ciclón, la captación de estos tamaños son de bajo porcentaje como lo
detalla la tabla 28. De igual manera el porcentaje de eficiencia del rango de
partículas suspendidas totales (STP) tiene un valor del 75,4 %, valor muy cercano
90
al valor detallado en literatura especializada para este tipo de ciclones (ver tabla
3).
• Se realizó el análisis para material particulado menor a 100 micrómetros, con el
sistema de extracción en funcionamiento y se obtuvo porcentajes de reducción
como se puede apreciar en la tabla de resultados 30, donde se compara los valores
obtenidos en un monitoreo inicial sin el sistema extractor, y los valores reportados
ya con el sistema de extracción implementado. Se observó que existe un
porcentaje mayor al 50% de captación de partículas PM 2.5 y PM 10, superiores
a los rangos de eficiencia del diseño del ciclón para esos tamaños, por lo que se
puede pensar que una posible razón de este suceso es porque las partículas de esos
tamaños se aglomeran y están saliendo como partículas de mayor tamaño. Si se
proyectan los valores de los resultados de la tabla 29, para las 4 horas de
producción a las condiciones de máxima generación de material particulado, se
observa que los valores estimados son menores que los valores máximos
permisibles reportados según la norma ambiental ecuatoriana, reportados en la
tabla 31.
• Se observó que los porcentajes de captación de material particulado son altos con
valores del 56%, para partículas menores a 2.5 micrómetros, 75% para partículas
menores a 10 micrómetros y el 80%, para partículas suspendidas totales,
porcentajes que se pueden apreciar en el grafico 4, estos valores son importantes
para el personal de la empresa ya que permiten tener la seguridad que se está
trabajando en un ambiente seguro para su salud y cumpliendo con normativas
ambientales.
• Se optó por la velocidad de entrada al ciclón de 15 m/s, de esta dependieron varios
factores importantes en el diseño, como la influencia que tiene en la relación de
velocidades entre la velocidad de entrada y la velocidad de resuspención (Vec/Vs),
cuando se utilizó una velocidad de entrada pasada los 20 m/s, el factor de esta
relación aumentaba y se producía resuspención de las partículas colectadas en la
parte inferior de ciclón. De igual manera ocurrió con la caída de presión del
91
sistema, mientras se incrementó el valor de la velocidad de entrada, mayor caída
de presión se generó en el sistema y disminuyó la eficiencia de separación.
• Se observó que el ahorro neto por día con la implementación del ciclón es de
62,29 dólares ya que, en promedio diario la empresa gastaba un aproximado de
89 dólares en gastos por multas y servicios médicos, por la contaminación del
proceso de mezclado y laminado, al restar el costo de operación del ciclón que es
de 26,87 dólares podemos observar que el sistema beneficia a la empresa en
ahorro de dinero y sobre todo en la responsabilidad de precautelar la salud de sus
colaboradores.
92
9. CONCLUSIONES
• Con el sistema de extracción que se diseñó e implementó en el área de mezclado
y laminado que es parte fundamental del proceso de elaboración del caucho, se
cumplió con el objetivo de dar una solución rápida y no tan costosa al problema
de contaminación del área mencionada.
• Se concluyó que el porcentaje de material particulado en el ambiente, con el que
se trabajaba en el área de mezclado y laminado es peligroso según los límites de
exposición ocupacional máximos de la tabla 27, por los altos niveles de
concentración de material particulado, por lo que la implementación del sistema
extractor era una necesidad primordial en la empresa.
• Se concluye que la elección de los equipos del sistema de extracción (ciclón y
filtro de mangas), son convenientes para la disminución de contaminación de
material particulado en áreas de molienda o trituración, ya que los valores
obtenidos en la tabla 2, muestran una disminución del 99% de la concentración,
debido a la alta eficiencia de captación de material particulado en el ambiente,
mostrada en la tabla 3.
• Se obtuvo una eficiencia total del diseño del ciclón del 88.7%, en base a los
resultados del monitoreo para los tamaños PM 2.5, PM 10 y TSP de la tabla 29,
se concluye que esta eficiencia es suficiente para conseguir el objetivo de
reducción de material particulado en el ambiente de tamaños menores a 100
micrómetros.
• Se concluye una vez implementado el sistema extractor que la velocidad óptima
para este tipo de ciclones es de 15 m/s, ratificando lo recomendado por literatura
especializada ya que con esta velocidad no se produjo resuspención de partículas
en el colector del ciclón, y se lo evidencia en la masa de partículas que se han
podido recuperar después de varias jornadas de trabajo.
93
94
10. RECOMENDACIONES
• Expandir o implementar otro sistema de extracción a otras áreas de la empresa, ya
que aunque no se genera material particulado si existen ciertas áreas donde se
realizan otras actividades como desbaste, soldadura, etc. Que son actividades que
también generan contaminantes de alto peligro al personal de la fábrica.
• Adquirir un blower de mayor capacidad con un variador de frecuencia, para poder
manejar la variable velocidad de entrada y poder mejorar, las eficiencias de
separación del equipo, dependiendo del área y tipo de material que se quiera
capturar.
• Realizar un estudio más detallado de todos los componentes que se manejan en
la elaboración del caucho para tener información relevante y poder hacer uso de
la misma en el momento que se lo requiera.
• Realizar una programación de dos veces como mínimo de control ambiental, con
alguna entidad autorizada, para poder tener datos que permitan determinar si el
sistema extractor sigue funcionando con la eficiencia inicial.
• Aislar con una caja revestida internamente de algún material de poli estireno o
poliuretano la parte del blower del ciclón ya que el nivel de ruido causado cuando
este encendido el sistema es alto y también genera contaminación sonora.
• Realizar una simulación del sistema construido y comparar los valores obtenidos
en diferentes condiciones y así poder, proponer mejoras al sistema implementado.
95
CITAS BIBLIOGRÁFICAS
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2011. 13 diapositivas, col.+ manual.
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Superior Politécnica del Litoral. Facultad de Ingeniería Mecánica. Guayaquil 2008. p. 23.
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de Gases y Polvos del Proceso de Reconstrucción Mecánica de Turbinas Hidráulicas y
Manejo para Control de Impacto Ambiental (HIDROAGOYAN). Trabajo de Grado.
Ingeniera Mecánica. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. Facultad de Ingeniería
Mecánica. Riobamba. 2012. p. 4.
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Ciclónico para la Industria Naval. Trabajo de Grado. Facultad de Ciencias de la
Ingeniería. Escuela de Ingeniería Naval. Valdivia. 2008. p.1.
6 Norma de calidad del aire ambiente o nivel de inmisión libro vi anexo 4. Quito
2014.p.6 del pdf.
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Totales de Arena de Moldeo del Área de Producción de una Empresa Metal Mecánica.
Trabajo de Grado. Ingeniería Civil. Universidad Autónoma de Nuevo León. Facultad de
Ingeniería Civil. Nuevo León. 1995. p. 22.
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2014.p.55 del pdf.
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España. Madrid: Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el trabajo, 2015. p. 19,20.
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13 BAHAMONDES, Op. Cit., p. 124.
14 Ibíd. , p. 124
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operations of chemical engineering. New York: McGraw-Hill, 2003.pag 1121, 1122.
16 MCCABE, Warren Lee; SMITH, Julian Cleveland; HARRIOTT, Peter. Unit
operations of chemical engineering. New York: McGraw-Hill, 2003.pag 1122.
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22 Ibíd. , p. 650
23. Loc. Cit.
97
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25 Ibíd. , p. 45
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27 ECHEVERRI, Op. Cit., p. 51 ,52.
28 Norma de calidad del aire ambiente o nivel de inmisión libro vi anexo 4. Quito
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29 BRAVO Cristian, MELO, Fredy, URRUTIA, Jhoanna, Presiones Ambientales
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30 BAHAMONDES, Op. Cit., p. 26.
31 Calle Ñamiña, Mario, Procesos de separación sólido-gas. diapositiva, 2010. 23
diapositivas, col.
32 ECHEVERRI, Op. Cit., p. 126.
33 ECHEVERRI, Op. Cit., p. 127.
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38 Industrial Ventilation . A manual recommends prectice. American Conference of
gorvernment Industrial Hygienist, ACOGIH 14 Edition.
[39] CALERO, Op. Cit., p.56.
[40] SCODA, Op. Cit., p. 70
[41] Tecnología del caucho, Componentes diapositiva.Medellín, 2011. 15 diapositivas,
col.+ manual.
[42] Ibíd. , diapositiva. 6
[43] Ibíd. , diapositiva. 8
[44] CALERO, Op. Cit., p.30
[45] Norma de calidad del aire ambiente o nivel de inmisión libro vi anexo 4. Quito
2014.p.55 del pdf.
99
BIBLIOGRAFÍA
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GEANKOPLIS, C. J. Transport Process and Unit Operations, 3aEd.
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DE NEVERS, Noel. Air pollution control engineering. Waveland press, 2017.
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RHODES, Martin J. Introduction to particle technology. John Wiley & Sons, 2008.
WALTER, Badger; JULIUS, Banchero. Introducción a la Ingeniería Química. México:
Editorial Mc Graw Hill, 1984.
100
ANEXOS
101
ANEXO A. Área de mezclado y laminado Cauchos Vikingo.
Figura 34. Molino de laminado y mezclado.
Figura 35. Área de mezclado y laminado de pastas.
Figura 36. Material particulado contaminante.
102
ANEXO B. Monitoreo antes de implementación del extractor.
Figura 37.Toma de datos del ambiente contaminado por personal de DPEC.
Figura 38.Muestra de material particulado para análisis de granulometría.
Figura 39. Equipo analizador de tamaño de partículas, laboratorio de catálisis de la Facultad de Ingeniería Química de UCE.
103
ANEXO C. Captación de contaminantes en campanas extractoras.
104
ANEXO D. Caudal en campanas extractoras.
105
ANEXO E. Factor de pérdidas en ductos.
106
ANEXO F. Presión dinámica a diferentes velocidades.
107
ANEXO G. Factores de pérdida de presión en codos de 90°.
108
ANEXO H. Dimensiones del diseño del ciclón.
109
ANEXO J. Resultados de equipo camsizer.
Resultado de análisis de granulometría de muestra de material particulado.
110
ANEXO K. Resultados de monitoreo con extractor.
Análisis de concentración de material particulado con extractor.
111
ANEXO L. Datos recopilados del muestreo de material particulado sedimentable en
áreas de mezclado y laminado (Cauchos Vikingo).
FECHA 3 de Jul io 4 de Jul io 5 de Jul io 6 de Jul io 7 de Jul io
HORA PESO,g PESO,g PESO,g PESO,g PESO,g
8:00-16:45 40,5 31,93 25,39 35,6 6,1 139,52
17:00-8:00 30,38 20,75 17,77 33,82 2,14 104,86
TOTAL 24H 70,88 52,68 43,16 69,42 8,24 244,38
8:00-16:45 5,91 7,37 6,81 7,55 2,02 29,66
17:00-8:00 4,14 4,79 4,90 7,40 0,81 22,04
TOTAL 24H 10,05 12,16 11,71 14,95 2,83 51,70
FECHA 10 de Jul io 11 de Jul io 12 de Jul io 13 de Jul io 14 de Jul io
HORA PESO,g PESO,g PESO,g PESO,g PESO,g
8:00-16:45 35,1 28,73 21,99 27,33 25,4 138,55
17:00-8:00 22,82 21,55 15,17 19,68 19,81 99,03
TOTAL 24H 57,92 50,28 37,16 47,01 45,212 237,58
8:00-16:45 6,78 6,87 6,99 7,35 6,62 34,61
17:00-8:00 4,75 4,47 5,24 7,20 4,57 26,22
TOTAL 24H 11,53 11,34 12,23 14,55 11,19 60,83
FECHA 17 de Jul io 18 de Jul io 19 de Jul io 20 de Jul io 21 de Jul io
HORA PESO,g PESO,g PESO,g PESO,g PESO,g
8:00-16:45 25,67 20,3 21,42 29,88 18,7 115,97
17:00-8:00 17,97 13,20 13,92 22,11 14,59 81,78
TOTAL 24H 43,64 33,50 35,34 51,99 33,286 197,75
8:00-16:45 6,50 5,55 6,61 7,43 5,59 31,68
17:00-8:00 4,88 3,89 4,69 5,05 4,19 22,70
TOTAL 24H 11,38 9,44 11,30 12,48 9,78 54,38
FECHA 24 de Jul io 25 de Jul io 26 de Jul io 27 de Jul io 28 de Jul io
HORA PESO,g PESO,g PESO,g PESO,g PESO,g
8:00-16:45 31,85 25,48 29,73 31 42,47 160,53
17:00-8:00 22,30 16,56 19,32 22,94 33,13 114,25
TOTAL 24H 54,15 42,04 49,05 53,94 75,5966 274,78
8:00-16:45 7,96 6,37 7,42 7,75 10,62 40,12
17:00-8:00 5,97 4,46 5,27 6,05 7,97 29,71
TOTAL 24H 13,93 10,83 12,69 13,80 18,59 69,83
FECHA 31 de Jul io 1 de Agosto 2 de Agosto 3 de Agosto 4 de Agosto
HORA PESO,g PESO,g PESO,g PESO,g PESO,g
8:00-16:45 28,9 28,67 32,34 5,00 25,96 120,87
17:00-8:00 20,23 18,64 21,02 3,70 20,25 83,84
TOTAL 24H 49,13 47,31 53,36 8,70 46,2088 204,71
8:00-16:45 7,10 7,90 8,10 2,30 6,88 32,28
17:00-8:00 5,33 5,53 5,75 1,79 5,16 23,56
TOTAL 24H 12,43 13,43 13,85 4,09 12,04 55,84
FECHA 7 de Agosto 8 de Agosto 9 de Agosto 10 de Agosto 11 de Agosto
HORA PESO,g PESO,g PESO,g PESO,g PESO,g
8:00-16:45 25,67 26 30,05 28,12 23,36 133,20
17:00-8:00 19,25 15,60 23,44 19,97 16,82 95,08
TOTAL 24H 44,92 41,60 53,49 48,09 40,18 228,28
8:00-16:45 10,60 6,88 7,07 8,10 5,89 38,54
17:00-8:00 7,95 4,82 5,02 6,32 4,42 28,52
TOTAL 24H 18,55 11,70 12,09 14,42 10,31 67,06
13,41 92798,83
283269,80
11,17 77271,01
45,66 315886,64
10,88 75247,91
54,96 380236,06
13,97 96626,40
PESO, mg CORREGIDO
P=540 mmHg y 20°C
PESO, mg CORREGIDO
P=540 mmHg y 20°C
PESO, mg CORREGIDO
P=540 mmHg y 20°C
PESO, mg CORREGIDO
P=540 mmHg y 20°C
PESO, mg CORREGIDO
P=540 mmHg y 20°C
PESO, mg CORREGIDO
P=540 mmHg y 20°C
273650,92
laminado
mezclado
TOTAL, g
PROCESO TOTAL, g
laminado
mezclado
48,88
10,34
338167,92
71538,93
47,52 328754,94
12,17 84182,78
39,55
40,94
PROMEDIO
DIARIO
PROMEDIO
DIARIO
PROMEDIO
DIARIO
PROMEDIO
DIARIO
PROMEDIO
DIARIO
PROMEDIO
DIARIO
PROCESO TOTAL, g
laminado
mezclado
PROCESO TOTAL, g
laminado
mezclado
PROCESO TOTAL, g
laminado
mezclado
PROCESO TOTAL, g
laminado
mezclado
PROCESO
