HIDRODINÁMICA DE UN MODELO EN FRlO DE LECHOS FLUIDIZADOS148.206.53.84/tesiuami/UAM1613.pdf · Aplicaciones que van desde usos comerciales hasta los que están realizando en plena

DlVlSlbN DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERíA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA DE PROCESOS E HIDRAULICA

INGENIERíA EN RECURSOS ENERGÉTICOS CARRERA: INGENIERíA EN ENERGíA

HIDRODINÁMICA DE UN MODELO EN FRlO DE LECHOS FLUIDIZADOS

PROYECTO DE 1NVESTIGAClt)N QUE PRESENTA

PABLO JOEL ROJAS XOOL

PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE

INGENIERO EN ENERGíA

ASESORES:

DRA. ELIZABE (AREA DE INGENIERIA EN sos ENERGÉTICOS,UAM-I)

MEXICO, D.F. AGOSTO 1999

AGRADECIMIENTOS

A mis asesores:

Dra. Elizabeth Salinas Barrios: Le tengo especial agradecmento por la confianza, apoyo y paciencia recibido de ella, además por haberme dirigido en el fascinante campo de la investigación y haber contribuido en mi'formación académica.

Dr. Alberto Soria : Por haber dirigido con acierto este trabajo, además de su apoyo y haber contribuido enormemente en la parte experimental y en mi formación académica.

También estoy muy agradecido con los siguientes profesores y amigos a la vez:

Alberto Vázquez, un gran compañero de trabajo y amigo por haberme apoyado con su equipo de cómputo en el laboratorio de recursos energéticos, para la realización de este trabajo.

Profr. Angel Escobar por las facilidades que r r ' 2 proporcion6 para trabajar en su laboratorio de polímeros.

Profr. Alejandro Torres Aldaco por las facilidades que me dió de trabajar en su laboratorio de instrumentación.

Profr. Richard Steve por habernos facilitado su reactor de lechos fluidizados para realizar nuestras pruebas experimentales del laboratori? de fluidización.

Especial agradecimiento y dedicatoria a Dios y a mi familia: mi padre Pablo J Rojas Cocom y mi madre L. Evangelina Xool Yah y a mis hermanos, que desde Pomuch, Campeche estuvieron apoyándome y confiando en mí.

A las bellas familias y amigos que tuve la oportunidad de conocer durante mi estancia en el D.F.

Finalmente le agradezco a Dios por haberme dado la oportunidad de cursar una carrera en esta Universidad y haberme ayudado a superar los obstáculos que se me presentaron durante todo este tiempo.

I N D I C E

PAGINA

CAPITULO 1 .- INTRODUCCION.

I .I .- MOTIVACI~N

I .3.- ORGANIZACI~N

I .2.- OBJETIVOS

CAPITULO 2.- REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO

2.1 .- DEFJNICI~N

2.2.- CARACTER/STICAS DE dN LECHO FL.UlDlZAD0

2.3.- PARAMETROS Y CLASIFICAC16N DE S6LIDOS

2.4.- REGIMENES DE FLUlDlZACl6N.

2.5.- FLUIDIZACI~N M/NIMA.

2.6.- CICLONES.

2.7.- SISTEMAS DE RECIRCULAC16N DE L. F.

2.8.- CONCLUSIONES.

4

4

8

11

13

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33

34

CAPITULO 3.- FLUIDIZACldN DE PARTíCULAS DE CAUCHO.

3.1 .- FLUlDlZACldN CON DIFERENTES MATERIALES. 35

3.2.- COMBUSTIBLES. 40

3.3.- TECNOLOGíA DEL CAUCHO 44

3.4.- PROCESO DE VULCANIZAC16N 49

3.5.- CARACTER/STICAS DEL CAUCHO. 51

3.6.- CASO PARTICULAR, LOS NEUMÁTICOS (AUTOM6VILES). 53

3.7.- CONCLUSIONES. 54

CAPíTULO 4.- SISTEMA EXPERIMENTAL.

4.1 .- PROCESADO DEL MATERIAL.

4.2.- SELECCI6N DE LAS PARTICULAS.

4.3.- DETERMlNAC16N DE LA DENSIDAD DEL CAUCHO.

4.4.- FLUIDIZACI~N.

4.5.- FLUlDlZACldN CON OTKO TIFO DE REACTOR

4.6.- DIGITALIZACI6N DE IMÁGENES.

4.7.- TAMAÑO DE PARTíCULAS.

4.8.- DETERMINAC16N DEL TAMAÑO DE PARTíCULAS.

4.9.- DETERMINAC16N EXPERIMENTAL DE LA ESFERICICAD.

'4.1 O.-CONCLUSIONES.

CAPITULO 5.- RESULTADOS Y ANALISIS.

5.1 .- ANALISIS DE LA CURVA DE FLUIDIZACIÓN.

5.2.- CONSIDERACIONES DE DISEÑO.

5.3.- MODELO EN FRlO DE UN QUEMADOR DE L.F.

5.4.- COMPARAC16N DE LAS PARTíCULAS.

5.5.- ALCANCES.

5.6.- CONCLUSIONES.

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57

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91

INTRODUCCI~N

HIDRODINÁMICA DE.UN MODELO EN FRlO DE LECHOS FLUIDIZADOS I .-

I. 1 .- MOTIVACI~N

La historia de los .calentadores de lechos fluidizados se remontan de 1921

cuando el alemán Fritz Winkler introdujo productos gaseosos de combustidn en la

base de un contenedor con partículas de coke. Esto marcaba el inicio hacia la

txnologia moderna ~ r \ Ir.- 1- YBS de combustión.

Más adelante se perfeccionaría la" idea de quemar carbón en un lecho

fluidizado burbujeante, siendo uno de los pioneros Douglas Elliott-los primeros

paises que se interesaron en desarrollar los calentadores de lechos fluidizados

fueron Estados Unidos y China. Posteriormente se continuaron desarrollando

'sistemas de lechos. fluiaizados ' circulantes . con sistemis gas-s&os para',

calentadores. Dentro de estos estudios se encuentran los elaborados en el ' - 1

Instituto de tecnología de Massachussets por Warren Lewis y Edwin Gilland

(1938), en donde realizando procesos de contacto para rompimiento catalítico,

proceso que sería más tarde de gran Útilidad en los procesos de la industria

petroquímica.

Algunos investigadores con aportaciones de trabajos importantes en esta

rama fueron:

Lurgi quien encontró que la fluidización rápida es una técnica para el

transporte con sólidos finos a Ata velocidad trabajando con polvo de alúmina.

Vénturi quien trabajó con sistemas de gas-sólido en recirculación pero con

la recuperación de calor usando lechos fluidizados con intercambiadores de calor.

Dada la importancia de los procesos de transporte en calentadores de

lechos fluidizados, en este trabajo se estudian experimentalmente El tipo de

fluidización que se presenta cuando la fase dispersa son partículas de llanta. Este

material despierta interés debido a la cantidad de llantas que se están depositando

en los basureros. Y surge la pregunta, ¿se puede aprovechar este material

además de reciclarlo como parte del asfalto?, Len la generación de energia?.

1

Si investigamos un poco en el origen de los neumáticos podremos tener

una idea de la cantidad de producción de artículos de caucho.

El caucho natural ( para 1998 ) estaba presente en alrededor de un 40 %

del consumo mundial de prodticias da caiici-tu mientras q x el 35 % proviene del

caucho sintético ( SBR ), que se produce en México, Brasil y Argentina, y el 25 %

proviene de cauchos sint6ticos especiales, sin pasar por alto al mayor productor y

exportador de caucho natural que es el país de Guatemala.

El crecimiento que viene registrando durante los últimos años la industria

mundial de caucho ha sido incrementado. El consumo mundial ha aumentado de

15 850 O00 ton en 19% 16 420003 ton durante 1997, proyectándose in

consumo aproximado de 16 91 O O00 ton para 1998.

La industria automotriz, que es la mayor consumidora de caucho incorpora

cada vez más kilos de caucho por unidad a los nuevos modelos de automóvil,

debido a los esfuerzos por mejorar el confort de los vehículos.

A nivel mundial, aproximadamente un 35 % del cc nsumo de caucho se

destina a la producción de neumáticos.

Entonces el presente proyecto es proporcionar una alternativa al destino de

esa cantidad enorme de neumáticos usados.

Generalmente en ITS basureros para deshacerse de ellas las incineran,

generando contaminantes muy dañinos y desperdiciando la energía que ie producen en ellas.

1.2.- OBJETIVOS

Nuestro enfoque es un estudio hidrodinámico de la combustión en frío de

partículas de llanta para entender los procesos involucrados y así posteriormente

en un trabajo futuro proponer un modelo de combustor y se esta manera captar la

energía generada por el quemado de llantas, en donde se introducirá un sistema

de filtrado para evitar las emisiones de contaminantes hacia la atmósfera. Esta es

una propuesta que soluciona el problema de los basureros con respecto a los

neumáticos.

2

I .3.- ORGANIZACI~N.

Par la realización de este trabajo, en el capítulo 1, definimos un reactor de

lechc fluidizado, en donde se ;fa la clasificación de sólidos de Geldart y se

especifica lo regímenes de fluidización. En el capítulo 2, se habla de la fluidización

con diferentes materiales y de la composición del sólido de nuestro interés, las

partículas del caucho. En el capítulo 3, explicamos el método experimental que se

siguió par obtener los parámetros físicos de las partículas de llanta molida y lo situarnos dentro de la clasificación de Geldart y en el capítulo 4, presentamos los

resultados para especificar el régimen de fluidización de estas partículas.

Finalmente en las conclusiones consideramos las ventajas de este estudio,

así como sus limitaciones.

3

REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO

HIDRODINAMICA DE UN MODELO EN FRíO DE LECHOS FLUIDIZADOS

CAPITULO 2.- REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO.

2.1 .-DEFINICI~N

El proceso de fluidización se refiere a una gran variedad de sistemas

multifásicos, como gas-sólido, líquido-sólido. Entre ellos encontramos el proceso

de intercambio de calor entre partículas y el fluido en el secado de granos;

gasificación de carbón en lecho fluidizado rápido; reactores de catálisis, etc., en

los cuales actúa la fuerra de gravedad y la fricción del fluido, ( corriente gaseosa

en forma ascendente ). Básicamente, la fluidización es la levitación de una masa

de partículas ( lecho de sólidos ), contenida en un recipiente ( reactor ), por la

fricción de una corriente de gas ( o líquido ) a presión, asemejándose a un líquido

en ebullición, que tiende a establecer un nivel y un flujo en respuesta a un

gradiente de presión.

2.2.- CARACTERISTICAS DE UN LECHO FLUIDIZADO

Las partes principales de un sistema de lecho fluidizado son, ( ver fig. 2.1 ):

1. - Reactor:

a) Porción del lecho fluidizado

b) Espacio de separación o margen libre ( freeboard ),

c) Distribuidor de gas

2. - Alimentador de sólidos o control de flujo.

3. - Descarsa de sólidos.

4. - Separador de polvo para los gases de salida.

5. - Instrumentación.

6. - Abastecimiento de gas.

4


Figura 2.1 .-Vista esquemática de un reactor. Separador t Gas

Aliment :ación de sólidos

Lecho de sólidos "--

Profundidad del lecho

Caja de viento o cámara plena

Distribuidor (Grilla)

REACTOR

El reactor es la parte principal de todo el proceso que se lleva a cabo en la

industria. Puesto que se emplea para establecer contactos entre gases y sólidos,

los usos posibles de los lechos fluidizados son numerosas. Aplicaciones que van

desde usos comerciales hasta los que están realizando en plena investigación;

algunas de ellas se pueden clasificar para:

l. - Reacciones químicas

a) Cataliticas


b) No catalíticas

O Homogéneas

0 Heterogéneas

2 . - Contacto físim:

a) Transmisión de calor

b) Mezcla de sólidos

c) Mezcla de gases

d) Der, u caciCln

e) Aumento o reducción de tamaño de las partículas

t) Clasificación

g) Tratamiento calorífico

h) Recubrimiento, etc.

La forma habitual de este disp: sitivo es en cilindro vertical con alturas de 30 * .

cm hasia mayores de 30 m, dependiendo de la aplicación y de varios fqctores, los

cuales pueden ser:

a) Rendimiento espacio -tiempo,

b) Tiempo de contacto con el gas

c) Razón altura / diámetro requerida

d) Tiempo de retención de los sólidos, etc.

Otros reactores operan a altas temperaturas ( órdenes de magnitud ), por lo

que emplean acero recubierto con material refractario, para protegerla de la

abrasión producida por las partículas en el lecho.

Se ha mencionado que el reactor consta de: lecho empacado cuando no

está operando el reactor, o lecho fluidizado cuando esta operando, margen o

espacio libre, distribuidor y ciclones ( ver fig. 2.1 ). Los ciclones pueden estar

colocados en el interior del reactor (ciclón interno) o fuera del reactor (ciclón

externo), que normalmente se colocan en la parte superior del sistema. Además

de las entradas y salidas del gas y de los s6lidos.

6


Observando el reactor desde la base, tenemos el distribuidor que consiste

en una grilla o malla con orificios por el cual pasa la corriente de gas, de este

dispositivo dependerá una aistribución uniforme, que a su vez sirve como soporte

del lecho empacado en algunos diseños. En otros diseños se prefiere ¡a inyección

desde un conjunto de tubos ya sea con orificios laterales o sin ellos

Luego sigue el lecho que es la masa de sólidos, cuyas dimensiones varían

desde micro", .> :ph 3 finn) kasta milímetros, mas adelante se trstarhn a las

partículas. El lecho empacado tiene una altura inicial que es precisamente cuando

no está operdrtclo, pero cumdo ocurre la fluidización el lecho crece hasta una

altura de fluidización. Y el espacio que va quedando entre el lecho y la parte

superior de la columna es el espacio libre.

Pcr otra parte se tienen a los alimentadores y controles de flujo de los

sólidos, estos dispositivos se encuentran fuera de la columna per- están

conectados a ella, así como también las conexiones para la descarga de sólidos.

Por lo común es necesario recuperar los sólidos arrastrados por el gas que

sale del espacio de separación del lecho fluidizado, empleándose ciclones internos

o externos.

El sistema cuenta o debe tener una instrumentación para vigilar, controlar y

registrar el proceso, tales como medidores de presión, de flujo, de temperatura. Y

por último se tiene la alimentación de gas, que puede ser a través de un

compresor que inyecta el gas al reactor.

7


2.3.- PARÁMETROS Y CLASlFICAC16N DE S6LlDOS (POLVOS).

La clasificación propuesta por Geldart divide a las partículas en cuatro

categorías en función de su diámetro promedio dp y de su diferencia de densidad

( pp- pf ) como se muestra en la siguiente figura:

Figura 2.2.- Clasificación de las partículas de Geldart.

% m

s. lo4r l o 3

% m

s.

d- l

n

10

Empezando la clasificación desde la partícula más fina hasta las partículas

más grandes:

o Grupo C cohesivo, polvos muy finos cuyos diámetros son menores de 20 pm.

La fluidización normal es demasiado complicada para estos tipos de polvo

debido a las fuerzas interparticulares que existen las cuales son muy intensas.

( Ejemplo: polvos de flúor.)

8


o Grupo A: Partículas de tamaño relativamente pequeño y de baja densidad,

que van de diámetro promedio de 20 pm dp 90 pm con densidad menor de

1.4 gr/cm3. E j l ~ s tipos de sólidos fluidizan con relativa facilidad, fluidizan

suavemente con bajas velocidades de gas.( Ejwriph. puiw dalizador FCC.)

o Grupo B: Del tipo arenoso, con diámetro promedio de 90 pm dp 650 pm,

con densidades de 1.4 gr/cm3 ps 4 gr/cm3,(ps= densidad del sólido o de la

partícula). ?or s;r partículas relativamente pesadas fluidizan más o menos bien

aunque van acompañadas de burbujeos fuertes que crecen con la corriente del

gas. ( Ejenlplu. partículas dc arena.)

O Grupo D: Este tipo de partículas tienden a comportarse como surtidores,

grandes burbujeos en forma de chorro. Estos sólidos son muy densos y

grandes ( mayores de 650 pm ), de hecho son los más. grandes de la

clasificación. Para lechos profundos son difíciles de fluidizar, se tienen que

emplear grandes presiones de gas, se comportan en forma errática, originando

burbujas que explotan bruscamente. Sin embargo son de aplicación comercial,

como las partículas de trigo, café y otros granos.

En la siguiente tabla se presenta una comparación de diversos efectos y

características entre los grupos de partículas de la clasificación de Geldart.

Tabla 2.1 .- Características de los cuatro grupos de los polvos de Geldart.

Ejemplo: Trigo Arena F.C.C Flúor

Tamaño de Diámetro 1 partícula 1 dp< 20 pm 1 20 < dp<90 pm I 90<dp<650 pm I dp> 650 pm

1 pp= 2500 kg/m3 I

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Despreciable Pequeño Grande Despreciable

(acanalamientos) Ninguno Ninguno Lechos poco

Profundo Sensible al efecto

surtidor (spouted)

Rapidez de co-

lapsamiento al

cese de flujo de

gas Expansión

burbujas

Carácter

reológico de fase

densa

Mezclado de

sólidos

Inversión de

mezclado del

gas Modo intermitente

(slugging)

¿? Suave Rápido Rápido

Alto: debido a

la formación de burbbjss

Esfera de

base plana

Viscosidad

Aparente de

orden de 1 p

Bajo: debido

a canales Mediano Mediano

Ninguna, solo canales

Campo alto de presión

Redondas

Viscosidad

Aparente de

Orden de 5 p

Mediano

Redondas

Viscosidad

Aparente de

orden de 10 p

Muy bajo Alto Bajo

Muy bajo Alto Mediano Bajo

Flujo tapón Asimétrico Demasiado

Asimétrico desconocido

Desconocido Efecto de dp

Hidrodinámica

Efecto de la

distribución del

tamaño de

partículas

Desconocido Considerable Pequeño

Considerable Despreciable Puedecausar

coalescencia de

burbujas

Desconocido

10


2.4.-REGÍMENES DE FLUIDIZACIoN

Para determinar los parámetros que intervienen en la transición de un

régimen de fluidÍzación P otro, ¡a rnayuría de ¡os ads-es-se-basan en la-medida-de"

la fluidización mínima ( más adelante se hará un análisis ), que es la mínima

velocidad que puede tener el fluido ( gas ) para que pueda iniciar el movimiento de

las partículas del lecho. Esto es, la velocidad de fluidización mínima Umf, es una

medida de la velocidad superficial del gas ( Uo ), a partir del lecho empacado.

Lecho fijo: El tango de velocidad es O<Uo<Urnf, es decir, las partículas están

fijas, la corriente de gas no es lo suficientemente intensa para suspender las

partículas.

Fluidización mínima: Rango de velocidad: Umf<Uo<Ub ( U burbujeante ), las

partículas se empiezan a mover; el lecho se expande en forma homogénea y la

superficie superior del lecho está bien definida con pequeñas fluctuaciones de

presión.

Fluidización burbujeante: Rango de velocidad: Ub<Uo<Us ( U borboteante ).

En este régimen existen regiones huecas cercanas al distribuidor, que crecen

gradualmente, éstas bolsas de aire finalmente llegan a la superficie para

romperse. Todavía el nivel de superficie está definida, pero se perturban con

las explosiones de las bolsas. Las fluctuaciones de la presión son periódicas

con amplitud apreciable. Las bolsas de aire crecen conforme aumenta la velocidad superficial del gas.

Fluidización intermitente ( slugging ): Rango de velocidad UbcUo<Uf ( U

turbulenta ). Este régimen se encuentra a un paso de la fluidización turbulenta;

en la columna se originan grandes huecos o bolsas de gas que cubren casi

toda la sección transversal de la columna, estas bolsas ascienden

11


colapsándose periódicamente, ocurriendo con mayor frecuencia en columnas

delgadas y largas.

5. Fluidización turbulenta: Rango ae velocidad. üt < üo < Ur ( U rkpida ): En

este régimen turbulento se presentan pequeños huecos, bolsas, grupos de

partículas dispersas que van saliendo disparadas. El nivel de superficie del

lecho ya no es posible distinguirlo y existen pequeñas fluctuaciones en la

presión.

6. Fluidización rápida: Rango de velocidad: Ut<Uo=Ur: La velocidad superficial

del gas es tan rápida que ya no hay superficie del lecho, puesto que las

partículas son arrastradas hacia fuera de la columna. Para este tipo de proceso

la configuración de la columna cambia al de las anteriorec ecesario

alimentar constantemente al reactor de sólidos, +- mtra un

proceso recirculante. Se observan grupo- - . I~ l~ula~ que se

mueven hacia abajo, por las paredes, r n t ~ 2 ~ r , r tb arrastre de partículas

dispersas en todo el espacio del tubo se mueven hacia arriba

Figura 2.3.- Etapas de fluidización.

1 2 3 4 5 6 1' 1' 1' 1' 1'

12


2.5.- FLUIDIZACI~N MINIMA

Partimos de un lecho empacado con características físicas definidas, esto

es que conocemos las dimensiones de la columna, la cantidad de partículas, las

propiedades físicas de las partículas, tipo de partículas en la clasificación de

Geldart, además del tipo de fluido que actuará sobre el lecho, que en este caso es

un gas inyectado con velocidades conocidas.

Consideramos que las partículas son esféricas y del mismo tamaño,

además, las suponemos del tipo A de la clasificación de Geldart, para que el

proceso de fluidización no presente inconvenientes.

Iniciamos el proceso, en condiciones isotérmicas se le suministra un flujo de

gas, al principio muy suave, con velocidad baja; el gas pasa por el lecho entre el

espacio intersticial de los sólidos. En ese momento los sólidos no sienten el efecto

de la corriente del gas, hasta que al ir aumentando gradualmente la velocidad del

gas llegará en un momento que las partículas empiezan a moverse e inicia la

etapa de fluidización mínima, hasta que se estabiliza.

Se grafican las diferencias de presiones contra las diferentes velocidades

del gas ( figura 2.4 ) observándose lo siguiente: Inicialmente no hay flujo, el lecho

está totalmente empacado, se le suministra corriente de gas a Uo, no hay fuerza

de arrastre; se incrementa U hasta que empiezan a moverse, pero en este

intervalo de velocidad del gas existe un salto en la gráfica para después

estabilizarse; esto se debe a que la presión del gas necesita vencer la inercia del

empaquetamiento de los sólidos y la fuerza del fluido es igual al peso de los sólidos. Esto experimentalmente se puede ver en la columna transparente en el

momento que el gas rompe la inercia del lecho, observando el medidor de presión

en que éSta ocurre, además del medidor de flujo para conocer la velocidad del

13


gas. Este punto ocurre bruscamente, puesto que decae ligeramente hasta un valor

dPmf ( caída de presión en la fluidización mínima ).

Se sigue increr'rzntando aún más la velocidad del gas y se nota que dP no

cambia para cierto intervalo ae veiociaaa del gas UD. hasta que para velocidades

aún más altas empiezan las fluctuaciones, generalmente ocurre en la fluidización

turbulenta.

Figura 2.4.- AP vs U del gas.

AP

ApM

o

fluctuación de la

/ I zona de I fluidización 1

lecho empacado I I

_ I

I I I I

Urnb Ugas

Pero en este momento nuestro análisis se limitará a las condiciones de la

velocidad de fluidización mínima, cuando la velocidad del gas se iguala al peso del

lecho empacado y empiezan las partículas a moverse.

En el momento en que ocurre la velocidad de fluidización mínima, se puede

conocer experimentalmente la velocidad del gas, mediante la medición del flujo

volumétrico del mismo:

i u ~~

A (2.1)

En donde:

14


A = área de sección transversal del cilindro

v" = flujo volumétrico del gas.

Ya se había considerado que AP no cambia, o se mantiene casi constante.

Entonces podemos asumir que esa diferencia de presión es equivalente al peso

total del lecho, para mantener suspendidas a las partículas. De la hidrostática se

sigue que:

En donde:

LIP = caída de presión en el lecho

r n ~ = masa del lecho

pp = densidad de las partículas

ps = densidad del gas

A = área transversal de la columna.

Se observa que si la densidad del gas con respecto a la densidad de las

partículas es pequeña:

Ahora procedemos a realizar el balance de momentum lineal.

Hacemos la consideración de que el lecho de partículas equivale a un grupo

de líneas rectas, como si fueran canales paralelos de medidas iguales, de tal

forma que el área superficial total de los canales es igual al área superficial total

de las partículas y el volumen del gas encerrado ( en los canales) es equivalente

al volumen del espacio interparticular del lecho empacado ( figura 2.5 ).

Área superficial total de los canales = área superficial total de los sólidos

Volumen total del gas encerrado = volumen de todos los huecos

15


Figura 2.5.- Acanalamientos dentro del lecho.

corte tranversal

t t t t

I H t

“----l Canales

Por otro lado, por el teorema de Bernoulli, la caída de presión se debe a la

suma de dos efectos ( en flujo laminar ):

a) Una fuerza para vencer los esfuerzos de corte que es

proporcional a la velocidad.

b) Consumo de energía cinética que es proporcional al cuadrado de

la velocidad.

Se ha hecho la hipótesis de líneas rectas, para simplificar el problema,

aunque el flujo del gas ascendente no sea recto. Sin embargo, físicamente el

patrón de flujo es complicado. Dicho flujo cambia constante y rápidamente de

dirección a través de todo el lecho; así que la suposición de flujo de líneas

ascendente de corriente de gas es aceptable.

16


Debido a la geometría del sistema, consideraremos coordenadas cilíndricas

( figura 2.6 ), consideramos además la presión total como función espacial:

P(X, y , S>

de donc'e

Entonces haciendo el análisis en cada coordenada tenemos que:

O En el eje B se tiene que la presión es la misma de acuerdo con el principio de

Pascal a cierta altura, entonces por geometría , la presión en cierta altura de x

se cancelan entre sí, por lo tanto:

O En la dirección r, la presión del centro hacia las paredes -4 cilindro es muy

pequeña comparada con la presión en la dirección x, por lo tanto podemos

despreciarla:

O Entonces sólo sobrevive el término en la dirección de x y la parcial se convierte

en una diferencial ordinaria:

17


0 Figura 2.6.-Plano espacial en coordenadas cilíndricas

De acuerdo a la geometría y las hipótesis a y b consideradas el modelo

matemático propuesto resulta:

dP dx - - = a u + b p u 2

En donde u es la componente axial de la velocidad. El coeficiente a ha sido

obtenido mediante la ecuación de Hagen-Poisiuille para una diferencia de presión

dP, con longitud L de un tubo recto de sección circular con diámetro d, en flujo

laminar. A la ecuación (5) se le introducen factores de corrección adimensionales

(a, p) determinados experimentalmente, quedando:

dP dx

~ = a a u + p b p u 2 (2.5a)

Por otro lado, realizamos un balance macroscópico de momento en estado

estacionario, considerando dos planos, una de entrada y otra de salida, como se

puede apreciar en la siguiente figura:

Figura 2.7.-Ubicación de los planos en el lecho.

I u2 I ".o.. ."""". P O

O0 OO0O o

o" O o o o o

O 0 o O 0 0 L.;;,.. n O t .."..:e A

A I "

Plano 2

Rano 1


Se toma de referencia del distribuidor como plano 1 y la altura del lecho

fluidizado como plano 2. El gas entra por el plano 1 en forma ascendente con una

velocidad promedio U1 y sale del lecho con velocidad U2.. Debido a la fricción con

las partículas el gas ha perdido velocidad, por lo tanto e¡ baiance queda:

F=pl U,Sl-pf2U2S2+P1S,-P2S2+mg (2.6)

donde

S = área de sección transversal de R2,

pr = densidad del fluido

m = masa del lecho

g = aceleración de la gravedad

P = presión del fluido

F = fuerza total

La convención de entrada menos la salida, se debe a que nuestro sistema

de referencia es de forma ascendente, ( del distribuidor hacia la superficie ).

Como F es la fuerza total del fluido que ejerce sobre todas las superficies

sólidas ( la at- las partículas y de las paredes del cilindro ), esa fuerza total sólo es

contribución de la que ejercen las partículas, porque es muy grande comparando

el área superficial total de las partículas con la pared del cilindro. Tomando esta

consideración entonces la fuerza que ejerce el fluido sería igual al peso de las

partículas suspendidas ( fuerza que ejercen las partículas en oposición ) sobre un

volumen S L de masa p g, esto es:

F = - ( l - E ) S L p g

S = área de sección transversal

L = longitud del lecho

p = densidad del lecho

g = aceleración de la gravedad

19


Aquí el factor ( 7- E ) es la fracción de sólidos, esto se explica de la siguiente

forma.

El volumen total ( VT) es equivaknte ai voiumen de todas :as partículas (Vp)

más el volumen de los huecos ( VV) o espacios interpartículas ( fracción vacío ),

entonces:

Dividimos entre V T ~ tdda la ecuacibn:

Se puede nombrar a los cocientes:

V P =

VT -

E , fracción de sólidos

La relación final queda:

fracción vacío

l = E , + E

Entonces la fracción de sólidos en términos de la fracción vacío es:

& , = l - E

(2.8a)

(2.9a)

20


Ahora continuando con el balance, tenemos que si el fluido es

incompresible, de densidad constante, la densidad no cambia en la entrada y en la

salida:

pf1 = pf2 = p = constante

Además S y U son constantes en ese plano implica que:

pfl u1 s1= pf2 u2 S2

El balance queda ( ecuación (2.6)):

F = P lS1-P2S2+mg

Rearreglando:

F = S ( P I -Pp )+mg (2.1 O)

Igualando las ecuaciones (2.7) y (2.10), significa que la fuerza ascendente

del fluido se iguala con la fuerza de oposición que ejerce el lecho empacado,

justamente cuando empiezan a moverse las partículas.

F (gas) = F (lecho)

S ( P I - P 2 ) + m g = - ( l - & ) S L p g

Pero m g = & S L p f g

S (P1 - P z ) + & S L p f g = - ( l - & ) S L p g

Simplificando :

PI -P2 = - L g [ ( l - & ) p p + & p f ]

P1 - P2 = - L g ( & Pf+PP-&PP) (2.1 1)

21


En términos de las densidades del fluido y de los sólidos:

Podemos observar que si ,?f << pp la ecuación sc reduce a:

(2.12)

(2.1 3)

Entonces 'la diferencia de presiones ( en pascales ) sólo se debe al peso

del lecho de altura L.

Reordenando la ecuaci6n (2.13) en función de las presiones efectivas, que

se define como la presión total que considera la contribución que hace la fuerza de

gravedad y que depende de la altura. Esto es, si nuestro plano de referencia de la

figura anterior, ( figura 2.7 ), en forma ascendente del plano 1 al plano 2 es

positivo y x va de O a L, entonces PI =PO , P2 = PL en x1 = O , x2 = L,

respectivamente.

Hacemos Po = Po

P L = PL + L pp g (1- E ) (2.14)

P, -P2 + L g p p ( l - E ) = O (2.14a)

Po - P L = o (2.15)

A P = O (2.1 6)

La relación A P = O, tiene sentido puesto que la presión que ejerce el lecho

sobre el fluido se ha igualado con la que ejerce el fluido sobre el lecho.

Es entonces que ese tipo de presión ( presión efectiva ) A P que involucra la

ecuación de Hagen-Poiseuille, establece la relación entre la velocidad volumétrica

de flujo y las fuerzas que la originan. Es decir fuerzas relacionadas con la caída de

presión y la aceleración gravitacional.

22


La ecuación de Hagen-Poiseuille que relaciona el gasto

Q = A Ü (2.17)

donde

A = área de sección transversal = 7~ i!

u = velocidad media del gas

con la diferencia de presiones está dada por:

(2.18)

donde:

p = viscosidad del fluido

R = radio del cilindro

L= longitud del cilindro

Mediante esta ecuación podemos determinar la velocidad superficial del

gas. Usamos la siguiente definición:

7~ (A P ) R 4 Q =

8 P L

igualando (2.17) y (2.18), podemos determinar la velocidad superficial del gas:

~ ;.(A P ) R 4 u = -~ ~~ ~~ ~~

8 p L A ......................................... (2.19)

de donde se sigue:

23

A P u p 3 2 u - L d2

-

REACTOR DE LECHO, FLUIDUADQ

(2.20)

Existe otra contribución a la fuerza que está en función del factor de fricción

y la energía cinética, definida como FK = A k f, ( Bird, Fenómenos de transporte,

cap 6 ). Entonces la caída de presión debido a la disipación de energía cinética

está dada por:

(2.21 )

f = factor de fricción que depende del número de Reynolds y de la geometría.

Finalmente la caída presión total de A P b del lecho sobre L es la suma de

las ecuaciones (2.20) y (2.21):

(2.22)

(2.23)

La ecuación (2.23) está en términos de propiedades conocidas o que se

pueden determinar experimentalmente, pero ahora se tiene que considerar las

partículas suspendidas, por lo tanto van a influir las características de los sólidos,

la esfericidad, el tamaño y lo denso del lecho.

Anteriormente habíamos definido la fracción vacío (E) :

vol. del lecho - vol. de solidos vol. del lecho

E = ~~~~ ~~ - . . ~ . -- ~ ~~~ ~~ ~~ ~

vol. de solidos vol. del lecho PP

& = 1 - "" = I - P b - (2.24)

24


Además, se emplea el término de esfericidad (4) que es también una

medida fraccionaria adimensional que tiene que ver con la relación de una

partícula esférica y una partícula no esférica con el mismo volumen pero

di fmnte área superficial.

de

área superficial de una esfera (4 z r 2 ) d e mismo volumen de una partícula área superficial de una partícula

a=-- -~

1 6

Vp = -K dp3 volúmen de una partícula esférica,

1 6

Ap = --X dp3 SV área de la partícula esférica

dp = diámetro de la partícula

Sv es la relación de superficie y volúmen de una partícula:

As =Área superficial de la partícula esférica,

Vs = volúmen superficial de la partícula esférica.

que más adelante se tratará con detalle.

De la definición par (4) se sigue:

6 0 = (2.25) 4 S"

Entonces el área superficial de una partícula estará dado por:

25


6 Vs As = dP

Si se considera un polidisperso de partículas esféricas:

6 Vs @ dm

A S = ~

(2.26)

(2.27)

en donde dm es el diámetro promedio de las partículas.

Ahora retomando la consideración de que el lecho está formado de N

tubitos de largo L y diámetro d. Entonces en términos de áreas superficiales y

volúmenes de partículas.

El área superficial de las paredes de los N tubos:

A w = N z d L

donde A , ec el área superficial del tubo

El volumen del fluido en los N tubos:

1 V - ~~ N n d ' L J - 4

Si dividimos (2.27) entre (2.28). Razón de superficie / volumen:

área superJicia1 de las paredes de los tubos A, "" ______"____..~~~ -

vol. total de los tubos ~~ -

vr

(2.28)

(2.29)

A,- N n d L 4 VJ

- N n d 2 L

26


simplificando:

(2.30)

Ahora si el lecho de partículas de profundidad L y diámetro D con fracción

vacío (E ) ya determinado, lo consideramos en forma total:

El área superficial del total de partículas = x n , S, .(2.31)

Volumen total de partículas en el lecho = z n , P i = (1 - E ) ~~~~~

;t B' L (2.32)

4

El volumen de los huecos = E ~ D2 L n 4

(2.33)

Si dividimos las ecuaciones (2.31) entre (2.32), tomando la analogía y la

igualdad de la ecuación (2.30):

& z D 2 L d (2.34)

Asimismo de la ecuación (2.32) despejamos TC D2 L para insertarlo en la

ecuación (2.34) para obtener la relación superficie volumen:

simplificando:

27

REACTOR DE LECHO FLUIDUADO

entonces el cociente de sumatorias se ha definido como:

1 . P S P = SV = razón de superficie-volúmen.

C.; V p

Podemos despejar d:

(2.35)

(2.36)

Con dimensiones de longitud (m) puesto que Sv tiene dimensiones de

IAongitud. Esta ecuación nos da la relación del diámetro promedio del espacio

interparticular que es inversamente proporcional a Sv además de la fracción vacío.

Se puede interpretar como la separación media ( huecos ) entre las partículas.

Por otra parte retornando la velocidad u del fluido a través de los “huecos” lo relacionamos con la velocidad U superficial de fluidización, redifiniendo U

(velocidad media):

U u =

&

Donde U se ve modificado por la fracción vacío:

U = & U

(2.37)

(2.38)

Claro está que si E = 1 ,(U = u ) implica que no hay partículas en el paso del

gas, caso contrario con E = O , U = O, no hay paso de gas, debido a lo denso del

lecho, es decir no hay espacios interparticular.

Si regresamos a la ecuación (2.23) para ajustarla con los parámetros hasta

el momento ya definido:

28


Además de la ecuación (2.36), sustituimos d y simplificamos :

(2.23)

(2.39)

(2.40j

Pero esta ecuación es la que se había planteado en la ecuación (2.5), por lo

que hacen falta los parámetros adimensionales a y p,

(2.41 )

Pero esta ecuación enfrentaba un nuevo problema, que era la relación de

superficie-volumen, Sv, que involucra partículas no esféricas y de diferentes

diámetros, por lo que Ergun considera particulas no esfhricas con diámetros

promedios, en principio por simplicidad y sólo quedaba determinar los parámetros

adimensionales a y p.

Entonces retornamos la ecuación (2.25), con las condiciones de diámetro

medio (dm ), partícula esférica (4 = 1). La ecuación (2.25) queda:

(2.25a)

6 también

29

REACTOR DE LECHO FLUIDEADO

Nm = Número promedio de partículas.

Sustituimos dm en la ecuación (2.41) y queda:

Reacomodando:

Pf u2 (2.43)

(2.44)

Ahora se puede ajustar dm = $d, ( d diámetro de cualquier partícula en

general ), para partículas no esféricas. Pero antes podernos reordenar la ecuación

de la siguiente forma:

(2.45)

Denominada ecuación de Ergun.

Entonces los parámetros a y p se determinan experimentalmente, para ello

se emplean diferentes fluidos con diferentes densidades, con diferentes

viscosidades, a diferentes velocidades y a diferentes presiones ( M ) .

Con esas pruebas experimentales se aproximaron a los siguientes valores:

7 2 a = 150

(3/4) p = 1.75

Entonces la ecuación (2.44) resulta:

(1 - &)2 36 (I-&) 6 ‘ 4 =150 ~ p f U +1.75 L ¿? dm 2 dm ’’ u2 (2.46)

30


Entonces la ecuación de Ergun para partículas de esfericidad cualquiera,

considerando dm = 4 d.

(2.4.7)

Esta ecuación relaciona una caída de presión en función de la velocidad

superficial de fluidización ( del gas ). En el primer término de la ecuación la

velocidad U es lineal y en el segundo la velocidad es cuadrática. Por lo tanto, la

ecuación de Eryrn #-S no lineal y sólo se p 2 d e reso!ver numéricamente.

La ecuación de Ergun está en función del diámetro de la partícula, y del

número de Reynolds, es decir, para partículas muy pequeñas, la velocidad mínima

de fluidización se encuentra en Re, mf < 20. Para partículas muy grandes el Rep,,,f

> 1000.

Además la ecuación es función de la velocidad, implicado en el número de

Reynolds, nos dá los regímenes de flujo, es decir podemos relacionar el régimen

de flujo en los huecos con el número de Reynolds de la partícula.:

Re, c 20 flujo laminar en ¡os huecos

Re, > I O 3 flujo turbulento en los huecos

20 < Re, c 1O3.transiciÓn a flujo turbulento en los huecos.

31


2.6.- CICLONES

Cuando en el proceso se requiere de fluidización rápida, se necesita en el

reactor un diseño diferente y apropiado con respecto al sistema de fluidización de

bajas velocidades. En este régimen se manejaii velocidades altas tal que en el

interior del lecho ocurren movimientos bruscos y el arrastre inherente de las

partículas hacia la parte superior del recipiente y por lo tanto son expulsadas del

lecho. Este problema se resuelve con un reactor de lecho fluidizado recirculante,

de tal forma que los sólidos arrastrados sean atrapados y conducidos al seno del

lecho.

También se considera que se tiene que estar suministrando sólidos frescos

continuamente para evitar la pérdida de sólidos y mantener estable el proceso,

como sería el caso de la combustión en donde las partículas son consumidas.

Entonces en el diseño del lecho se cuentan con separadores, llamados

ciclones internos o externos que sirven para atrapar los sólidos separarlos del gas

y recircularlos, tal como se presenta en el siguiente diagrama (figura 2.8).

I t I PRODUCTO

COLECTOR

REGENER

FUJO DE GAS

ENFRIAMIENTO

ALIMENTACI~N

AldE VALVULA

Figura 2.8.- Sistema de fluidizado con ciclones internos de recolección

32


Técnicamente un ciclón es un sistema de recolección en el cuál el gas

penetra tangencialmente en una cámara cilíndrica y sale de la misma a través de

una abertura central. El ciclón es como una cát??ara de sedimentación d;nde la

aceleración centrífuga atrae las partículas junto con la fuerza de gravitación.

Podemos esquematizarla de la siguiente forma, (figura 2.9):

Figura 2.9. Vista esquemática de un ciclón.

Partículas atrapadas por la acción de la fuerza

O

centrífuga (efecto ciclón)

Flujo \ ascendente

Depósito de partículas debido a la fuerza de gravedad

2.7.- SISTEMAS DE ClRCULAC16N DE LECHOS FLUIDIZADOS.

Existen cuatro formas más usuales de sistemas de circulación ( o

recirculación ) de lecho de fluidizado rápido:

Modo I

Sistema en donde se conserva el inventario de sólidos ( suministro

constante de sólidos ) aún cuando la velocidad superficial del gas pueda

cambiar.

33


Modo II

Conservar la corriente continuo y constante de partículas, es decir,

mantener constante el gasto (G=ikgim2s]) para diferentes velocidades del

gas.

Modo Ill

Este sistema guarda una razón de flujo de gas aún cuando cambie el gasto

de sólidos.

Modo IV

Este sistema de recirculación se puede cambiar independientemente de los

gastos y de las velocidades del gas. Este modo es el más versátil de todos.

2.8.- CONCLUSIONES

En este capítulo describimos los diferentes tipos de fluidización y se dedujo

la ecuación de Ergun que establece la relación entre la caída de presión y la

velocidad, a través de una ecuación no lineal.

En el siguiente capítulo trataremos la composición del sistema de nuestro

interés, el caucho.

34

FLUIDIZACIÓN DE PARTICULAS DE CAUCHO.

CAPíTULO 3. - FLUlDlZAClON DE PARTíCULAS DE CAUCHO.

3.1 .-FLLJIDIZACI~N CON DIFERENTES MATERIALES

Inicialmente se había wnentado que la fluidización es un proceso que

involucra el contacto entre partículas sólidas y un fluido, que pueden ser sistemas

multifásicos sólido-líquido y sólido-gas, en cuyo caso nos evocaremos con el

último proceso (sólido-gas).

Entre los procesos industriales, por mencionar algunos, están: la

combustión, gasificación de combustible sólido, desechos sólidos, intercambio de

calor, oxidación o reducción de sólidos, tratamiento superficial de metales,

rompimiento térmico y catalítico, etc.

En estos sistemas se pueden fluidizar diferentes materiales, como

partículas de carbón, escorias de alto horno, sales, partículas de piedras calizas,

minerales, desperdicios municipales, polvo de plásticos, hasta semillas de

esporas, etc.

Partículas de carbón

Este proceso se usa para gasificar el carbón la cuál consiste en obtener un

combdstible gaseoso a partir de un combustible sólido (puede ser carbón) o

líquido mediante la combustión parcial de los mismos. El proceso puede llevarse a

cabo inyectando aire u oxígeno al reactor. Los procesos tecnológicos de

gasificación más comunes son tres: lecho fijo, flujo por arrastre y lecho fluidizado.

Los procesos de gasificación de lecho fijo y lecho fluidizado se desarrollaron

específicamente para carbón, sólo mencionaremos el de lechos fluidizado.

Gasificador de lecho fluidizado.

Estos reactores gasifican combustibles que se encuentran en forma

granular (partículas de carbón de 1 y 6 mm de diámetro). El combustible se

alimenta por un conducto, mientras que el agente gasificante, aire u oxígeno y el

vapor de agua por otros dos. El grado de gasificación con este proceso varía entre

un 95 y 98 % y la eficiencia de gas frío fluctúa entre un 77 y un 85 %. En el reactor

35

FLUJDIZACIÓN DE PARTICULAS DE CAUCHO.

para gasificación puede eliminarse parte de los compuestos de azufre ayudándose

con absorbentes. Tal como se señala en el siguiente esquema:

CARBÓN (1 - 6 m m )

I

I I -"

VAPOR + AGLIA O AIRE

CENIZAS

Figura 3.1. -Gasificador de carbón en un reactor de lecho fluidizado, que opera entre 800 y 1000 "C con 1 O y 27 bars.

Polvo de plástico.

En este proceso, se emplean lechos de partículas finas de plástico, que se

fluidizan con aire atmosférico. Dentro del lecho se coloca un recipiente metálico

previamente calentado a una temperatura un poco mayor que la temperatura de

punto de fusión del plástico, el cuál permanece dentro del lecho de 2 a 12 seg. En

este tiempo las partículas de plástico se impregnan, fundiéndose en la superficie

del recipiente metálico en una capa delgada. La corriente de aire puede ser

caliente para precalentar a las partículas y así obtener un revestimiento más fino.

Este proceso (figura 3.2) puede ser empleado para objetos con superficies

poco o altamente cóncavo, accesorios de muebles, etc., este tipo de revestimiento

es mucho más grueso que el pintado normal, además de ser económico, y no hay

36

FLUIDIZACI~N DE PARTICULAS DE CAUCHO.

desperdicio de material y no requiere de solventes para diluir a las partículas de

plástico.

AIRE FRlO

Figura 3.2. -Fluidizado de partículas de plástico para revestimiento de recipientes metálicos

Escorias de altos hornos.

Se usa el proceso de L.F ( lecho fluidizado ) para el secado de sólidos, que

puede ser escorias de fundición de altos hornos. Para este secado se emplean

temperaturas de 60 - 90 "C. Este proceso emplea gases de combustión que

puede provenir de otro proceso, que normalmente es desperdiciado, que

finalmente se puede integrar (figura 3.3).

Figura 3.3. Secador de sólidos

37


Sólido de desperdicios municipales.

Pera los desperdicics r7iunicipdlt.s se emrJ1mn incineradores que funcionan

con el sistema de lecho fluidizado 1 L.F.). Antes de-suminisirar la basura, sede-da

utl tratamiento de separación de materiales, se separan los vidrios, los metales,

hasta quedar con basura orgánicas que finalmente son enviadas al incinerador,

donde se queman a 800 y 900 "C. Se tienen especial cuidado en los productos de

combustión que normalmente son tóxicos (figura 3.4).

2) M

Figura 3.4. -incineradores de desperdicios municipales

LC1

Partículas de piedra caliza.

En procesos de calcinación se emplean partículas de piedra caliza y

dolomitas, para crear una reacción altamente endotérmica (la reacción ocurre a

1000 "C), para producir óxidos de calcio y bióxidos de carbono:

Caco3 ______+ CaO + co2 El agente fluidizante son los gases de combustión (figura 3.5).

38

GAS DE PARTICULAS DE CAUCHO.

Figura 3.5. Calcinador basado en L.F.

Flukiizado de semlllas de esporas.

El cultivo de microorganismos es una aplicación interesante de la

fluidización.

En la figura 3.6, se tiene un sistema cultivador de lecho fluidizado que

produce salsa de soya. Inicialmente la harina de trigo se pasteuriza por una

corriente supercalentada, aquí el agente fluidizante es la corriente de aire

esterilizado. En este biorreactor emplea el rociado de agua en todo el lecho para

mantener una mezcla homogénea aproximadamente del 70% de humedad,

alcanzadas estas condiciones se inyectan las semillas de esporas que fluidizan

con la harina de triso; la rslación de peso de la semilla de esporas con la harina de

trigo es de 4%. Este sistema de biofluidización tiene una alta eficiencia de

producción de cultivos de hongos, puesto que la temperatura, la mezcla, el nivel

de pH se pueden controlar fácilmente por sistemas automáticos, además el calor y

el C02 son fáciles de remover.

39


Figura 3.6. - Lecho

t

DISTRIBUIDOR c3 de cultivación fluidizado.

3.2.-COMBlJSTIRLES

Entendiéndose por combustibles ciertas sustancias que tienen la propiedad

de arder. Aunque existen numerosos productos que tienen esta propiedad, los

combustibles son mezclas o combinaciones de muy pocos elementos, de los

cuales los más importantes son el carbono y el hidrógeno.

El oxígeno es el elemento fundamental para que se establezca la

combustión al cuál llamaremos comburente, no hace falta aclarar que sin éI no es

posible la combustión.

Normalmente todo el oxígeno necesario para que se lleve a cabo la

combustión se obtiene del aire, que es una mezcla aproximada del 21 % de

oxígeno y 79% de nitrógeno en volumen, además de otros gases raros. El

nitrógeno es un gas inerte y no interviene para nada en la combustión.

40


El combustible, junto con el comburente, es la fuente de la llama, creado

por el quemador o combustor el cuál tiene que mantenerla.

Los combustibles normalmente utilizados en la industria se clasifican según

su naturaleza de la siguiente forma:

Combustibles industriales

ólidos

I

naturales

artificiales

madera y residuos vegetales turbas lignitos hulius antracita CAUCHO NATURAL

coques aglomerados carbón vegetal

CA UCHO SINTÉTICO

I gasóleo derivados del petróleo

fquidos fuel - oil

raseosos

[ reszduales

gases L.P. butano residuales

gas natural

gases artljkiales gas pobre gas de agua gas de alto horno

El desperdicio de hules o cauchos se clasifican dentro de los combustibles.

41


Se mencionan algunas características:

Madera y residuos vegetales.

La madera a pesar de ser un buen combustible no presenta gran interés en

la industria, pero si se calienta en ausencia de aire, se obiiene el carbón de

madera, que es utilizado como absorbente en la industria química y como reductor

en la industria metalúrgica.

Los combustibles residuales agrícolas son muy numerosos aunque su

consumo está limitado a las industrias que lo generan. Por mencionar algunos

importantes el orujillo de aceituna, el orujo de la vid, las cáscaras de los frutos

secos y el bagazo, que son consumidos en hogares o combustores especialmente

diseñados.

Turbas

Las turbas son masas fibrosas de materia vegztal parcialmente

descompuesta, que se han acumulado en lugares inundados de agua, es

empleado como combustible pobre para usos locales o regionales.

Lignitos

Tipos de carbones que pueden ser de dos categorías: lignitos pardos y

lignitos negros, que es común para consumo de algunas carboeléctricas.

Hullas

Tipos de carbones de mayor importancia, debido a que son portadores de

energía y ser materia prima para la industria química y metalúrgica.

Antracita

Carbón muy duro y denso con un contenido de calor elevado. Además de

ser empleado para la combustión es empleado para aplicaciones metalúrgicas y

gasificación

42


Caucho natural

Obtenido del Iátex de algunas plantas tropicales, empleado ampliamente

como d;s.léctrico, es muy combustible que se ablanda y destila apartir de ios150°c,

es un elastómero que para mejorar sus propiedades se le somete a vulcanización,

proceso que se realiza mcdiante el calentamiento prolongado con azufre a

temperatura constante.

Caucho sintético

Producto artific;ál suycs cualidades superan en ciertos aspectos al caucho

natural, también es susceptible a la vulcanización. Por ejemplo el caucho butilico

empleado para los neumáticos.

Combustibles sólidos artificiales

Se obtienen fundamentalmente al someter a un combustible sólido a la

acción del calor sin contacto con el aire. Se queman en casos muy específicos,

como reductores en un proceso. Solo se emplean como combustible cuando son

subproductos en la fabricación de gas.

Gasóleo y fuel-oil

Son combustibles líquidos obtenidos en la destilación del petróleo o como

residuo de este proceso, por ejemplo, gasolinas, diesel, etc.

Combustibles líquidos residuales

Se obtienen en algunos procesos industriales como en la fabricación de

papel, realizándose su combustión en hogares especiales dentro de la fábrica.

Gas natural

Se encuentra en yacimientos similares a los del petróleo, al que acompaña

frecuentemente. s u Componente principal es el metano; formando una mezcla con

este se encuentran el etano, propano y butano además de otros compuestos.

43


Gases licuados del petróleo

Los gases Ilc~atios se mienen erl las operaciones de refino del petróleo.

Se venden en botellas o camiones cisternas En forma liquida. E! pxpano debidtJ 3

su mayor presión es empleado en la industria y el butano para usos doméstico.

Gases residuales del refino del petróleo

Gases que quedan después de separar el butano y el propano, y tampoco

pueden transformarse económicamente en gasolinas u otros productos.

Gas pobre, gas de agua y gas de horno alto.

Se obtienen gasificando por aire o mezcla de aire y vapor de agua, coque o

carbón. En realidad son mezclas de óxido de carbono e hidrógeno.

3.3.-TECNOLOG/A DEL CAUCHO

TIPOS DE CAUCHO

Los cauchos o elastómeros se pueden clasificar en dos tipos: los cauchos

termoestables y los termoplásticos. Y nuestro interés se fija en los cauchos

termoestables. Desde ei punto be vista de tratamientos, procedimientos de prueba

y productos del mismo constituyen la industria más antigua que usa materiales

poliméricos, que en un principio solo se usaba caucho natural, actualmente existen

muchos tipos de cauchos sintéticos. Entonces podemos subdividir a los cauchos

como naturales y sintéticos. Que a su vez los sintéticos se clasifican por su

constitución química, aplicación, por mencionar algunos ejemplos, si son

resilientes, pirorretardadores, resistentes al aceite, etc. Entonces mencionaremos

algunos pues existen una gran variedad:

a) caucho natural

b) caucho butadienestirénico

c) caucho butadiénico

44


d) caucho butílico (isobutenisopreno)

e) caucho cloroprénico

f) CadCX Ir~i:iiiCO

g) caucho etilenpropilénicos, etc.

a) Caucho natural: químicamente el caucho natural es un poliisopreno:

[-cH~ - c = CH - C H ~ -]n

I CH3

Tiene excelentes propiedades de resiliencia y baja histéresis; la histéresis es

una medida de la energía que absorbe el caucho cuando se deforma. L.a

resiliencia es una característica del hule de efecto de rebote, ( similar cuando se

arroja una pelota de caucho a una pared y éste rebota ). La energía absorbida es

equivalente al recíproco de la resiliencia, esto es, si se tiene baja histéresis implica

una alta resiliencia y luego lo inverso. Los cauchos de baja histérisis se usan

donde es importante la baja absorción de energía, por ejemplo en las paredes

neumáticas que usan los coches. Donde la baja absorción de energía evita el

calentamiento cuando se flexionan las paredes. Por otra parte se usan cauchos de

alta histérisis para la parte de los neumáticos en contacto con el suelo donde las

propiedades de baja resiliencia y de absorción de energía reducen el rebote y de

esa manera ayudan a que se adhiera la llanta a la carretera. Lo que implica la

diversidad de productos de caucho en la composición de la llanta. El uso del

caucho natural es de un 30 % del uso total, lo que implica su gran consumo.

A continuación se presenta un esquema, figura 3.7, de una llanta seccionada,

con las zonas en donde se requieren las propiedades de resiliencia e histérisis.

45


capas de . . . , , __ A a n t i d e r r a p a n t e cuerpo (capas) pared

de atta histérisis y baja rcsiiiencla

sz&q #+ pared de

material de atta I =y restliencta y "- - .-- baja histérisis

cinturón de refuerzo camisa

I

Figure 3.7 - Nt?tJmátiCC! comnbesto de v3rios tipos de czuchcs, cuerdas, alambres en el cual cada

material tiene una función específica. El comportamiento de cada material se ve afectado por el

comportamiento de los demás.

b) Caucho butadienestirénico

Producto de mayor volumen que se produce de todos los cauchos, cerca

del 60 Yo de la producción total. Es un copolimero aleatorio de estireno y

butadieno; cuando se elabora un copolímero en bloque, se forma el elastómero

termoplástico conocido como estireno-butadieno-estireno. Las proporciones de

estireno y butaciimo varía con diferentes propbsitos; el gran volumen es del

caucho de uso general que tiene 23 YO de estireno y 77 % de butadieno, que es un

caucho de alta histérisis que se utiliza en la parte en contacto con el suelo de las

llantas de automóvil.

Se usan mayores proporciones de estireno en grados especiales de refuerzo

para mezclas que mejoran la tenacidad y resistencia a la abrasión, que pueden ser

mezclas de 50 Yo de estireno o más lo que las hace mas duras y resinosas.

46


c) Caucho butadiénico

El1 sd estrusttira química:

[ -CH;!-CH=CH-CH*-]"

es la más simple de todos los cauchos diénicos. Se polimerizan a partir de

monómeros diénico, lo cual genera un doble enlace insaturado que se mantiene

en la molécula del polímero.

Este t i p :m caucho es al de nl,k baja histéiisis de todas, tiene una resiliencia

muy alta (presenta fenómenos de rebote). Se elabora mediante métodos de

polimerización en solución que producen poca distribución de pesos moleculares,

siendo por lo tanto un material muy difícil de tratar y generalmente se tratan en

mezclas.

d) Caucho butílico isobutenisopreno:

Se elabora a partir de isobuteno que tiene una insaturación simple; por lo

que el polímero se satura. Con fines de vulcanización se generan algunos sitios de

insaturación, se copolimeriza con un 0.5 - 3 YO de isopreno. El caucho butílico

tiene propiedades opuestas a las del butadiénico. Posee muy alta histéresis y muy

baja resiliencia Su estructura química:

47


e) Caucho cloroprénico

Este tipo de cauchc ( tal-IIdién diénico ), tiene la peculiaridad de que un átomo

de civro sustituye al tlrdrógeno de butadieno. De acuerdo a su estructura quirnica:

CI

I CH2-C-CH-CH2

Los caucilos !TXS concddos son los neoprenos que fabrica DuPont por

mencionar un ejemplo conocido. Tiene la particularidad de que el cloro en su

composición los hace autoextinguibles, entonces hace apropiado el uso en bandas

transportadoras en minas de carbón, por ejemplo. Tiene una resiliencia moderada

y cierta resistencia a los aceites.

0 Caucho nitrílico

Como en 91 incis3 arterior el hidr6genc del butadieno se substituye por un

grupo nitrilo ( CN ), para dar el acronitrilo, el cual se copolimeriza luego con el

butadieno. Entonces el caucho nitrílico es un copolímero de acrilonitrilo-butadieno.

Es el que más resiste a los aceites, apropiado para sellos y partes de automóvil

que funcionan en contacto con aceites minerales:

CN

I CH*-C=CH-CH*

48


a) Cauchos etilenpropilénicos:

Los cauchos t ,ilenpropilénicos son copolímeros del etileno y el propileno.

Contienen un 80 a 80 % de atiieno, m donde 12 5lnción principal del propileno es

evitar la cristalización del etileno. Con un método de polimerización que dé un

copolímero aleatorb, se hidrogena el caucho natural y se obtiene un copolimero

alternante. Este tipo de caucho sintético es el Único polímero adecuado para aislar

cables de potencia de 60 kvA, sólo el papel parafinado tiene mejores propiedades

de aislamiehto. Su estructura química:

CH;! = CH - CH3

3.4.- PROCESO DE VULCANIZACION.

Los primeros usos del caucho natural, recuperado en crudo del látex o

aplicado directamente, como en la impermeabilización contra agua, revelaron

algunas limitaciones. Se tornaban tiesos y frágiles a temperaturas bajas, y a

temperaturas alt?s eran blandos y pegajosos, Entonces la invención de la

vulcanización vino a resolver este problema además de abrir caminos para otros

usos. Evidentemente fue la invención de los neumáticos de Dunlop.

Se sabe que en la vulcanización se producen entrelazamientos de las

cadenas de los porimeros para reducir el deslizamiento de las cadenas y con ello

estabilizar la estructura rnorfológica, ( figura 3.8 ). Se usan diversos métodos

químicos, incluyendo el entrelazamiento con peróxido y el uso de óxidos metálicos

para cauchos cloroprénico, pero el soporte principal de la industria es aún la

vulcanización con azufre, además de otras sustancias químicas que controlan la

velocidad y regularidad de la reacción. Pero el azufre es un fuerte contaminante,

por lo que es pertinente resumir el proceso del vulcanizado.

49


Figura 3.8. -Modelo de entrelazamineto de cadenas de poliisopreno por átornos de azufre

(puntos en negro)

L a rem2?.7 d d cal!c$o YP el qzufre fue descubierta independientemente por

Goodyear en 1839 en Woburn, Massachusetts y por Hancock en 1843 en Londres.

La primera mezcla de vulcanizado fue:

o Caucho natural .................. 1 O0 ppp ( ppp significa partes por peso )

O Azufre.. ............................. 8 PPP

O Curado.. ........................... .5 horns a 142 "C.

De acuerdo a la fuente de donde se ha tomado la información de proceso de

vulcanizado, se considera que de 100 partes de caucho se acompaña de 8 partes

de azufre. es decir, si tomamoz 100 kilogramos de caucho se necesitarán 8

kilogramos de azufre; o en toneladas, etc. Siendo esta combinación como una

"receta" encontrada empírica y accidentalmente.

Posteriormente se introdujo óxido de zinc como activador, también se

suministró mercaptobenzotiazol como acelerador que reacciona con el azufre y el

óxido de zinc, mas tarde se incluyeron ácidos esteáricos para mantener el nivel de

acidez en el producto, reduciendo con esto el tiempo de curado y por ende el

tiempo de vulcanizado:

O Caucho natural.. ................ 100 ppp

O Azufre.. ................................. 3 ppp

O ZnO ...................................... 5 PPP

O Ácido esteárico ....................... 1 PPP

O Mercaptobenzotiazol.. ............. 1 PPP

50


0 Antioxidante. .......................... 1 PPP

0 Curado.. .............................. .20 minutos a 142 "C

Estos agentes vulcanizantes que suelen ser compuestos de azufre

reaccionan con el polímero para producir materiales con enlaces reticulares en los

cuales los encadenamientos son - C - SX - C, dichos enlaces pueden ser mono,

di, o polidisulfídicos. El tipo de enlace se determina mediante la concentración del

azufre, aceleradores y retardadores, además de la temperatura.

3.5.- CARACTERIZAC16N DEL CAUCHO

( CLASIFICACI6N DE GELDART )

Para poder clasificar las partículas de caucho, consideramos los resultados

obtenidos de la densidad que fue de 1 .I 8 gr/cm3 y la densidad del aire a 20°C es

de 1.204 kg/m3 (0.001204 gr/cm3, prácticamente despreciable). Por otro lado, se

tiene los diámetros promedios de las partículas que están en el intervalo de 500 a

1200 mp. más adelante, en el capitulo 4, se comentarán los detalles de estos

valores.

La clasificación de Geidart, utilizG la diferencia de densidades del fluido

(aire), y de la partícula (densidad del caucho).en el eje de la Y.

ps -p =1.18-0.0012=1.1788 gr g cm 3

Con estas características, en la gráfica se encontraría en la zona de

partículas del tipo D. En la experimentación se observó que al momento de la

fluidización se forman burbujas que crecen rápidamente con agregados de sólidos,

hasta formar efectos surtidores (spouted) y esto concuerda con los tamaños de

partículas que van de los 400 mp. a valores mayores de 1000 mp, tal como lo dice

Geldart ( figura 3.9 ).

51


5 r\ o ,o b

m 1

v

O I

0. VI

o .S

o .I

Figura 3.9 Clasificación de partículas de Gelrdart

Los valores reportados de la densidad del caucho y de otros materiales son:

Tabla 3.1 Densidades de diferentes materiales.

ELASTOMER0 DENSIDAD

I

Caucho natural (poliisopreno) 0.93

Caucho sintético (Butadieno- estireno) 0.94

Nitrilo (butadieno-acrinitrilo)

1.1 - 1.6 Silicona (polisiloxano)

1.25 Neopreno (policloropreno)

1 .o

"" .

J

Como se observa no hay una caracterización definida entre los valores de

la densidad de los diferentes tipos de caucho con el caucho de nuestro

experimento. Esto se debe al hecho de que no se conocen los componentes

exactos del caucho, además, la llanta está compuesta de varios tipos de caucho,

por lo que la densidad de un sistema de materiales cambia.

52


3.6.- CASO PARTICULAR: LOS NEUMÁTICOS DE AUTOM~VILES.

La inquietud en el estudio de las llantas usadas, se basa cuál era el destino

final de éstas después de cumplir el uso requerido, cuanto es la pmducción de

caucho en llantas.

El consumo mundial del producto ha aumentado de 15 850 O00 toneladas

en 1996 a 16 420 O00 toneladas en 1997 y donde se espera que para 1998 se

tenga un consumo de 16 91 O O00 toneladas, de los cuales solo se recupera y

recicla el 10% para materia prima de productos muy baratos, la parte restante se

estima que van a dar a los basureros, incineradores, o a los depósitos de

desperdicio de hule. Como sabemos el caucho se degrada afectando a la

ecología. Un claro ejemplo lo tenemos en la industria automotriz que es la mayor

consumidora de caucho, para los neumáticos. La industria del caucho sabe que

debe incorporar obligatoriamente, tecnología y procesos quz eviten la

contaminación y favorezcan el reciclaje de sus productos, a pesar de los esfuerzos

que realizan por la conservación del medio ambiente, los progresos son menores.

El aumento reciente en el costo de la energía ha estimulado el interés en

utilizar los desperdicios de neumáticos como combustible. Al quemar 7 kg de hule

se producen 7.17 MJ comparados con 5.26 MJ del carbón.

También se han mezclado trozos de neumáticos viejos con asfalto para

producir un agregado asfáltico para carreteras que tiene muchas ventajas sobre el

asfalto común (proceso sueco llamado Plus-Ride), que duran cuatro veces más,

tienen mejor tracción, menos ruido y menos deslumbramiento.

Por lo que una buena opción es aprovechar todo ese caucho confinado a la

basura. En México los basureros municipales tienen a su cargo todo ese material,

sobretodo las llantas, que en la mayoría de los casos los incineran, contaminando

irremediablemente. Entonces si esa es la “solución”, se puede aprovechar toda

esa energía calorífica que se produce al quemarlos, pero además, controlar y

atrapar las emisiones de gases contaminantes, sobre todo el azufre y los bióxidos

de carbono, que mas adelante se comentarán.

53


Una de las razones para la realización de este proyecto, que consiste en

diseñar un combustor de polvo de caucho ( obtenido de los neumáticos ) para un

reactor de lecho fluidizajo. Es b A s i c ~ n s ~ k la cornbustiór, mediante la fluidizaci6n

de partículas de caucho. A grandes rasgos consiste en adquirir las llantas

inservibles y molerlas ( pulverizarlas ), con cierta analogía a la pulverización del

carbón que actualmente se usa en las centrales carboeléctricas. La combustión es

mucho más eficiente en partículas finas mediante un combustor de lecho

fluidizado.

3.7.- CONCLUSIONES

En esta parte se puede resaltar que el lecho fluidizado es versátil, empleado

para diferentes tipos de materiales para diferentes aplicaciones, desde secado de

granos, de sólidos, quemado de sólidos, polvos farmaceúticos, hasta cultivos de

esporas. En los combustores de lecho fluidizado para el quemado de combustible

gaseoso, líquido o sólido se tienen quemados altamente eficientes.

El caucho molido se puede "fluidizar" ( aunque como se comentará en el

capitulo 4 y 5, no fluidiza ), con la densidad obtenida y el diámetro medio se

encuentra en la región de las partículas D de la clasificación de Geldart, tales

partículas presentan el efecto surtidor.

Se propone clasificar al desperdicio de llantas dentro de los combustibles

industriales, en combustibles sdidos naturales y artificiales, puesto que un kg de

hule de llanta tiene 7.16 MJ con respecto al carbón que es de 5.26 MJ, al

quemarlo se tendría una buena fuente de energía, considerando que es

desperdicio.

Las llantas están compuestas por una variedad de cauchos, por lo que

definir su composición con exactitud no es posible. Lo que se sabe es que en el

proceso de vulcanización que es importante en la conformación de los

neumáticos, utiliza azufre y otros compuestos como retardadores y aceleradores,

54

FLUJDIZACI~N DE PARTICULAS DE CAUCHO.

al ser quemados se tendrán gases tóxicos de azufre además del bióxido de

carbón. De donde surgen las preguntas, ¿como se pueden degradar estos

contaminantes?. ¿Es posible?.

55

PROCESADO DEL MATERIAL, SISTEMA EXPERIMENTAL

CAPITULO 4. - SISTEMA EXPERIMENTAL

4.1 .-PROCESADO DEL MATERIAL

MOLIDO DE LAS LLANTAS

Para esta parte experimental se usaron cuatro neumáticos de coche,

empleándose las caras, puesto que la superficie de rodamiento contenía una malla

de acero, de lo que resultó complicado cortarlas. Tal como se muestra en la

siguiente figura 4.1.

cuerpo (capas)

cinturón de - 1 refuerzo camisa

Figura 4.1 Se muestra la sección utilizada para la experimentación, que son los costados,

comúnmente llamadas caras.

Entonces ya seccionadas las caras de las llantas se procedió a cortarlas en

tamaños de 3 x 3 cm aproximadamente. Este corte fue obligado debido al molino

(micrón k-20, que se nos facilitó en el laboratorio de polímeros del área de

Ingeniería Química), que empleamos, el cuál requirió de esos tamaños.

Para la pulverización se necesitaron 7 tipos de molido, empezando desde el

picado en pequeños trozos, pasando por una criba de 2 x 6 cm, de la cuál se

remolió dos veces, cabe mencionar que en este triturado se presentaron las

pelusas de la fibra de nylon que viene en la llanta misma, se tuvo que separar de

los hilos, posteriormente se empleó otra criba con orificios de 4 mm de diámetro,

nuevamente se emplearon dos veces el molido, el resultado de este molido fue de

que las partículas aún eran grandes 3 mm en promedio además de la presencia

56


de las pelusas de nylon, nuevamente se tuvo que seleccionar y separar, en esta

parte fue con ayuda de un tamiz.

Se empleó otra criba con orificios de 2 mm de diámetro, se repitió todo el

procesc anterior y nuevaments se t w o c ; m separar los polvos de las pelusas de

nylon. Ya en este molido las partículas son menores que el milímetro.

Posteriormente se hizo un tamizado general para seleccionar tamaños del caucho.

El molido se tuvo que hacer lentamente alrededor de dos horas para cada

molienda.

4.2.- SELEC ZION DE PA:< 7,ZULAS

Para poder seleccionar los diferentes tamaños de partículas del caucho se

necesitó de un sistema de tamices, que tienen mallas de 4 mm, 1.8 mm, 0.71 mm,

0.5 mm.

El tamizado se llevó de la siguiente forma: se tomó una porción del material,

se depositó en el tamiz de orificio mayor, se accionó el dispositivo (tamizador), con

un tiempo de 10 minutos, se depositaron los diferentes tamaños en bolsas

etiquetadas. Nuevamente se repite 9 veces el proceso hasta acabar el material.

Esta etapa fue una preselección para de tener una primera aproximación de

tamaños da partículas, puesto que se tenía partículas muy grandes, así como

partículas muy finas. Se recuperaron partículas de malla de 1.8 mm, de 0.7mm y

de 0.5 mm, la cantidad de 2528 gr en total.

4.3.- DETERMINAC16N DE LA DENSIDAD DEL CAUCHO

Para determinar la densidad del caucho, se tomaron muestras de hule, se

pesaron y se sumergieron en una probeta graduada, entonces el volumen

desplazado fue el volumen de la muestra (Principio de Arquímedes), para

finalmente hacer una simple división de masa entre volumen, que resultó de 1 . I8

gr/cm3.

57


4.4.- FLUIDIZACI~N

Se arm16 pequeño r:.?xdor de cristal de 23 cm de alto con 8.5 cm de

diámetro, conectado a un medidor de presión y un filtro. El primer intento de

fluidización fue con los finos, se introdujeron una cuarta parte del espacio total del

lecho, se le suministró aire con una presión no mayor de 2 bar, e inmediatamente

se levantaron los finos pero en grumos (agrupación de finos), las fuerzas

electmstáticas se hicieron presentes, por lo que la fluidización no ocurrió como se

esperaba. Se intent6 con el molido normal (sin tamizar) con la cantidad de menos

de un cuarto del espacio total que fue de 126 gramos que ocupó un volumen de

220 ml. Esto es, la altura inicial del lecho fijo fue de 5 cm. Se le suministra aire

lentamente hasta llegar a 3 bar empiezan a moverse y a expandirse, pero al llegar

a 4 bar se expande el lecho y aparece el efecto surtidor.

La expansión del lecho llega a 7.5 cm en total, un 50 Yo del lecho

empacado.

Además se observa que una vez expandido el lecho, instantes después se

registra una caída de presión de 4 a 3.5 bars. Esto es debido a la presión

necesaria para vencer el peso de los sólidos empacados, para iniciar la

fluidización y posteriormente decaer la presión 0.5 bar. Cuando ya aparece el

efecto surtidor se notan dos cosas principalmente. El efecto surtidor ocurre

periódicamente, en intervalos de tiempo mas o menos iguales, y el otro efecto fue

el arrastre de los finos, hasta la salida del reactor.

En este primer intento se puede hacer notar que la expansión del lecho

ocurre, se obsewó que al incrementar la presión la expansión se hace mas 0

menos proporcional, hasta llegar a una expansión de más del 50 Yo del lecho total.

Pero con la limitante de que el distribuidor es poroso, es decir, llega el momento

en que al aumentar la presión, el efecto de fluidización no cambia; ademas por el

tamaño del reactor sólo se pueden fluidizar cantidades pequeñas de sólidos.

58


4.5.- FLUIDIZACIoN CON OTRO REACTOR DE L.F.

Tratando de superar los inconvenientes del reactor anterior, en la planta

piloto, en el !sbor&cri3 ds R~idizxicn, se nos facilitó un reactor con dimensiones

más grandes y con un distribuidor con orificios de 1.5 mm de diámetro, lo cual nos

permiti6 intervalos de gastos y presiones amplias que el del distribuidor poroso. A

continuación se presenta el dispositivo empleado (figura 4.2):

Figura 4.2. - Fotografía del reactor de lecho fluidizado empleado.

59


En forma esquemática se puede observar en la siguiente figura 4.3:

ENTRADA DE AIRE

VMVlllnS DE

EDIDORES DE PRESIóN EN LA ENTRADA El\ U -

I L I

I I

I

I I

185 cm I I I I I I I I I

I

" J .

' l - i i ! ( DiRECClON DE FLUJO DEL AIRE u '1

Figura 4.3. - Esquema y dimensiones del sistema de lecho fluidizado empleado

En este tipo de reactor Ge tubo de vidrio de diámetro de 1 O cm por 185 cm

de alto, se depositaron 900 gr de hule molido alcanzando una altura de 20 cm, que

es el lecho empacado, como valor inicial. Este sistema cuenta para la regulación

del paso y la lectura del fluido (gasto de aire) con una válvula de aguja colocadas

en serie con dos rotámetros. Un rotámetro de lecturas finas (0- 5 ft3/min) con

lectura mínima de 0.1 ft3/ min, y el otro de lecturas de gastos grandes (5-20 ft3/min)

con escala mínima de 0.5 ft3/min. Esta disposición es debida a que al inicio del

paso del fluido el rotámetro de escala grande no registra los gastos de 2 a 5

ft3/min.

Otra parte importante de resaltar en este reactor es la ubicación de las

tomas de aire para la medición de las caídas de presión. Esta se encuentra

justamente por encima del plato distribuidor, es decir, en la base de las partículas

empacadas. Tal como se presenta en la figura 4.3. Por lo que adaptamos un

manómetro de tubo de vidrio en forma de "U". Y medimos las presiones por

diferencia de alturas de un nivel de agua. Se optó por este tipo de rnanómetro por

las presiones bajas del aire que se presentarían en la fluidización.


Se inicia el proceso en condiciones ambientales del laboratorio, a una

temperatura de 22 "C y 585 mmHg de presión. Cuando se abre la válvula de paso

de aire no hay registro de valores en el rotámetro A hasta llegar a un gasto de 2.0

fi3/min con una caída de presión asociada en el lecho de 0.9 mmH20, el procesc

continua hasta llegar a valores de gasto de 13 ft3/min, que era el intervalo de

lectura de presiones de 25 mmH3.0, de hecho se llegaron a gastos de 17 ft3/min,

pero la medición en el manómetro de agua oscilaba que demasiado, además de

que la fluidización presentaba arrastre de partículas. El proceso se describe en

forma gradual en la siguiente tabla:

Tabla 4. l . Observaciones durante el fluidizado del lecho de caucho.

U (m/s) G (ft'/min) 1 AP (mmH20) OBSERVACIONES O No hay cambio O O 0.1 146

2.2 1 Sin cambio 3.0 0.1719 Sin cambio 1.6 2.5 9.1432 No hay cambio 0.9 2.0

-.

0.2005 Formación de canales en la pared 3.2 4.0 0.2292 Sin cambio 2.8 3.5

0.2578

5.5 0.31 51 Ligero cambio 1.5 cm 4.8 5.0 0.2865 Aumento de canales 4.2 4.5

6.3 i Expansión mínima 2.0 cm 6.0 0.3438 Ligera expansión 1.8 o 1 YO del total 5.6

0.3724 Sigue expandiéndose ligeramente 6.8 6.5 ~ 0.4297 Altura del lecho es de 23 cm 7.8 7.0 0.4584

8.0 0.4870 7.5 8.1 1 Expansión brusca del lecho 30 cm 1

9.5 ~ 11.2 i Presión oscilante con surtidores 0.5730 10.8 1 El nivel es aún visible 9.0 0.5433 10.2 I Inician erupciones y burbujeo 8.5 0.51 77 8.4 i Lecho expandido con brotes ~

~~~~

0.601 6 0.6303

12.0 I Se incrementa el surtidor 10.0 12.5 I Surtidor con pequeñas burbuias 10.5

0.6589 O. 6876

13.8 j Zona de transición 11.0 14.8 I Inicia fluio tapón 11.5

0.71 62 0.7449

16.8 j Flujo tapón brusco 12.0

25.0 ~ Inicia efecto arrastre. 13.0 i 0.7830 22.0 I Oscilaciones grandes en la presión 12.5

61


4.6.-DIGITALIZACI¿lN DE IMÁGENES

A continuación se presentan una serie de imágenes durante el proceso de

fluidización:

Inicialmente el lecho está empacado, con altur: de 20 cm, el proceso sf-!

inicia tal como se ml;estra en la tabla 4.1 (tabla anterior). Se le inyecta aire hasta

que el lecho empieza a expandirse (se registra un aumento de 1.5 cm). Se ha

dejado una marca donde empiezan a moverse.

Figura 4.4.-

Hasta este momento la caída de presión es de 4 a 5 mm-H20 con velocidades de

0.25 a 0.3 m/s. No se presenta movimiento de las partículas.

Figura 4.5.-

U= 0.35 mis U= 0.37 a 0.4 m/s


AI ir incrementando la velocidad del gas, 'el lecho continúa expandiéndose

paulatinamente, en las fotografías (de izquierda a derecha). Se tiene la secuencia

después de la expansión se tiene un cambio repentino, empiezan a moverse las

partículas, este movimiento es por zonas iiei-1ii-o del Iezho, qtie oc -oe cuando la

velocidad U del gas toma los valores de 0.3 a 0.4 m/s, en la última fotografía se

presentan acanalamientos en las paredes onginando pequefios brotes discretos.

Figura 4.6.- Seguimos incrementando la velocidad del gas:

Y llegamos a una parte en que el lecho empiezan a moverse pero

uniformemente, en un intervalo de velocidades de 0.4 y 0.45 m/s, a este intervalo

la hemos llamado velocidad mínima burbujeante.

Continuamos incrementando la velocidad, y el lecho continua burbujeando,

hasta llegar a una etapa en que las burbujas crecen repentinamente, tal como se

presentan a continuación:

Figura 4.7.-

IJ c1.45 m/s U = 0.6 m/s

63


En este intervalo de velocidades, al que hemos llamado zona de burbujeo constante, es precisamente debido al efecto burbujeante del lecho, que conforme se le aumente la velocidad el burbujeo es más evidente. Pero las burbujas también crecen conforme crece la velocidad. del gas. También se tiene un incremento del

A partir de 0.55 m/s hasta 0.6 m/s se tiene una zona ,nteresante, las burbujas han crecido pero ascienden a la superficie del lecho rápidamente, éstas burbujas son cerca del 30% del diámetro de la columna, pero antes se tiene una expansión casi uniforme, esta expansión es muy rhpida, puesto que inmediatamente después surgen las burbujas: Figura 4.8.-

. ?OO% del !echo. I ” .

Este efecto se le ha denominado como surtidor (spouted). Considerando un acercamiento, se puede apreciar el efecto “fuente” que caracteriza al surtidor: Figura 4.9.-


La caída de presión AP es 11 a I 2 mm-H20, este efecto se presenta rápidamente, antes de que la velocidad del aire sea mayor de 0.6 m/s.

Seguimos incrementando la velocidad del aire, se llega a una zona de ?.rmsición, inicia el efecto intermitente (slugging), en es.a zona la presión tambiélz empieza a oscilar, se muestran a continuación una serie de fotografías que corresponden a esta zona: Figura 4.1 O

También presentan características de flujo tapón. Este efecto se presenta a velocidades de 0.6 a 0.65 m/s. Las oscilaciones en la presión son aún más grandes.

A partir de 0.65 m/s de velocidad del aire se tiene una zona en donde las ,

burbujas crecen rápidamente hasta ocupar el diámetro de la columna, esta burbuja se alarga rápidamente en forma ascendente para estallar bruscamente, tal como se presentan a continuación: Figura 4.1 1 .-

65


En las tomas anteriores se nota la secuencia en el momento que nace la burbuja, crece, y cuando ésta se alarga al mismo tiempo nace otra burbuja que se integra a la primera por lo que la burbuja crece rápidamente al doble par finalmente explotar y contribuir al arrastre de sólidos.

En esta parte, como las oscilaciones en caída de presión se estaba incrementando se complicaba mantener constante el gasto volumétrico, por lo que se tenía que estar vigilando y ajustando el rotámetro. Cuando la velocidad del aire se acercaba a 0.7 m/s, las explosiones de las burbujas se hacían más fuertes, esta zona a la que se le ha llamado zona de transición a la zona de arrastre, transición que ocurre demasiado rápido: Figura 4.12.-

. ”-

Prácticamente sería el inicio de una zona de arrastre. La primera fotografía

(de izquierda a derecha), se observa un efecto de flujo tapón que inicialmente

empieza a oscilar y a crecer conforme crece “la bolsa de aire”; cuando la burbuja

crece demasiado, se tiene las otras tres fotografías restantes, la burbuja crece casi

del tamaño de la columna, por lo que al juntarse nuevamente las partículas se

tiene un cambio brusco en la presión y se hace cíclico este efecto, (tal como se

presenta en la fotografía de la izquierda).

66


A velocidades mayores de 0.75 m/s estamos en zona de arrastre de partículas. En este intervalo de velocidades se tienen zonas de arrastre que son marcadas a lo largo de la columna Figura 4.1 3.-

Figura 4.14.-

67


Para estas velocidades El arrastre es muy grande, para velocidades

mayores a 0.75 m/s, cerca de 0.8 m/s, ya no se registraron caídas de presión

(nuestro medidor ya no los registraba), sólo se registraron las observaciones, de

hecho se alcanzaron velocidades superiores a 0.8 m/s en la cuál se observarui-1

los efectos de arrastre (figura 4.13 Y 4.14).

Cabe mencionar las condiciones limitantes del reactor, una de ellas eran las

vibraciones que aumentaban gradualmente y eso impedía tener confianza en la

operación del mismo.

SISTEMA EXPERIMENTAL, TAMAÑO DE PARTÍCULAS

4.7.-TAMAÑO DE PARTICULAS

METODOS DE CAFWCTERIZACIoN.

Para el proceso de medición del tamaño de partículas se emplearon dos

métodos: mediante tamices y mediante un paquete de computadora.

La geometria de las partículas a determinar es como las que se presentan

en la siguiente figura:

FIGURA 4.15. - Formas irregulares del polvo de llanta, ampliado 4 veces.

Se pueden observar las formas muy irregulares de las partículas, que van

desde “churritos” hasta formas caprichosas.

Cuando se mide el tamaño de una partícula esférica, con una regla o por

otros procedimientos, se sabe lo que la medida significa. Pero en este caso con

partículas no esféricas se tienen dificultades, sumándole aún más la complicación

si la partícula es de hule. Si extraemos una partícula cualquiera de la muestra

(figura 4.1 5) e intentamos dimensionarlo, tal como se muestra a continuación:

69


FIGURA 4.16.- Partícula de caucho de geometría irregular de dimensiones a x b.

Partícula aumentada.

En esta partícula cuestionamos el significado de las dimensiones I' a y b ,

por lo que para poder determinar su diámetro (d,,), tenemos que recurrir a los siguientes argumentos:

El tamaño de partícula d,, se define de tal forma que sea útil para los

objetivos de flujo y pérdida de presión.

Entonces la evaluación de d,, depende del tipo de instrumento disponible

para medir el tamaño de partícula.

Por mencionar algunos métodos básicos tenemos:

Para partículas grandes (mayores de 1 mm) se puede determinar el tamaño

de la siguiente forma:

O Pesando un número conocido de partículas, si se conoce su densidad.

O Por desplazamiento de un fluido por un número conocido de partículas,

si las partículas no son porosas.

O Mediante calibres o micrómetros, si las partículas son de forma regular.

Para tamaños intermedios, el análisis por tamizado es la manera más

conveniente de medir el tamaño. Cada fabricante tiene sus propios tamaños

diseñados, por tanto se sabe que tamices se están utilizando.

El tamaño del tamiz (dtam) es entonces la media entre la abertura del tamiz

que justo deja pasar la partícula y el tamiz sobre lo que resta, método que

empleamos varias veces debido a la diferencia de tamaños que se tenían.

Cabe aclarar que existe el inconveniente de que no hay una relación

general entre el dtam y dp, por lo que se tienen que hacer ajustes y aproximaciones.

0 Para particulas irregulares sin alguna dimensión más larga o más corta se

toma:

70

SISTEMA EXPERIMENTAL, T A M ÑO DE PARTÍCULAS

d p NN 4 dtam O Para partírrllas irregrdares con z?!guna dimer?sión más larga, pero que la razón

longitudinal no exceda 2:l. Ejemplo: huevos, etc. Se tiene la siguiente relación:

d p 4 a m O Para partículas irregulares con alguna dimensión más corta, pero que la razón

no exceda de 1 :2, se tiene la siguiente aproximación:

O Para partículas aciculares como fibras:

d p %am O Para partículas muy planas como tortas:

d p 5 42 dtam

Pero como nuestro experimento tiene que ver con una distribución de

tamaños de partículas, se puede definir el tamaño medio de varias formas. Lo que

se sabe es que es la superficie de la partícula que da la resistencia friccional al

flujo, entonces nos conviene definir un tamaño de partícula promedio con relación

a su superficie. Por consiguiente:

1 Tamaño Único de partícula que tendría la misma área superficial total que la mezcla de tamaño en cuestión

P - ' -igual volumen total del lecho e igual fracción de 1 huecos en amboscasos

d -

Esta definición conduce a la sencilla expresión:

1 d = P (

Llamado diámetro de Sauter..

71


En el experimento se utilizaron un lote de tamices de diferentes números de

mallas (tipo Tyler), los resultados obtenidos se reportan en la siguiente tabla:

i'at!d 4.2.Resultados del tarnizacio

malla sbertura(m di masa (gr) xi Xi / di m) 2 1.84 O o O

10 1.68 1.405 408.9703 0.436200789 0.31 04631 95 16 1.13 0.965 496.0295 0.529056655 0.548245239 20 0.8 0.75 30.91 12 0.032969362 0.043959149 24 0.7 0.62 0.6487 6.91 892E-04 0.001 11 5956 30 0.54 O. 52 0.221 6 2.36355E-04 4.54528E-04 35 0.5 0.44 0.0604 6.4421 6E-05 1.4641 3E-04 30 3.38 0.2385 0.074 '7.89271 E-O5 2.321 67E-04 50 0.297 0.237 0.6578 7.01 598E-04 0.00296033 80 0.1 77 O. 1585 O O O 1 O0 0.14 . O. 1225

1 150 0.1 05

i masa total = 937.5735

(gr) sumatoria total 0.907577977 I

El resultado obtenido finalmente para esa distribución de tamaños y para

esos tamices fue de diámetro medio dm =1.1018 mm.

4.8.- DETERMINACIóN DEL TAMAÑO DE PARTíCULAS MEDIANTE UN

PAQUETE DE COMPUTADORA.

El otro método que se empleó fue mediante un software de cómputo,

(SCIAN IMAGE, Release Beta 3b, 7/23/98), cuyo funcionamiento es el siguiente:

PREPARACIóN DE LAS MUESTRAS:

Primeramente usaron las diferentes muestras tamizadas. Las muestras más

representativas fueron las provenientes de mallas 16, 20, y 24. De cada lote se

extrajeron muestras del orden de 150 partículas, éstas se colocaron en un panel

de cristal con luz difusa en la parte inferior, esto con la intención de contrastar las

formas de las partículas con la luz difusa, que daría las condiciones para filmarlas,

la fotografía se muestra a continuación, en la figura 4.16:

..


Figura 4.16. -Fotografía de una muestra que se le suministra al software.

\ . i

0 I

c I

La muestra fotográfica se introduce er. el paquete, debido a que el paquete

lee los contrastes de tonos claros y oscuros, es decir, las partículas de caucho son

negras con fondo claro de luz difusa. Realiza un conteo de partículas, aproxima el

contorno de las imágenes de partículas a la medida de un perimetro, pero al inicio

de la alimentación de los parámetros se introduce la medida de referencia con el

cuál el paquete compara, para este caso fue de 100 mm, y los resultados que

arroje el sistema las dará en milímetros, también aproxima a la partícula con una

elipse, y por lo tanto nos proporciona el área de la partícula como si fuera una

elipse, dándonos los valores de su área, los semiejes a y b. Cabe señalar que el

conteo de las partículas mediante este método es rápido, el inconveniente está en

la preparación de la muestra y en la parte de filmado con la digitalización de las

tomas para que el paquete las pueda leer.

Por otra parte se tienen gran cantidad de valores de áreas de partículas, el

problema que nos enfrentamos es el significado de esa área que corresponde a lo

más cercano a una elipse. El criterio que adoptamos es, que podemos acercarnos

a un diámetro equivalente, es decir, el área obtenida de las partículas

aproximarlas a un área de una esfera que tuviera la misma área (figura 4.17):

'3


Figura 4.17. - Aproximación de la partícula a una elipse (elipsoide)

Usamos la siguiente relación:

La ecuación de la elipse:

A = a h elip La ecuación de un círculo:

A = x 2 de 4

(4.2)

Igualamos ambas ecuaciones (4.1) y (4.2), para d2spejar de y nos queda:

A el@ d = 2 e 7r

En la siguiente tabla se dan los resultados para diferentes muestras el diámetro equivalente.

Tabla 4.3. Diámetros equivalentes para distintas muestras MUESTRA I DIÁMETRO EQUIVALENTE

1 0.8607 2 0.8869 I 3 0.9445 4 1 .O45 5 I 0.5386

7 1 .O755 8 0.5739 9 ~ 0.5068

1 .O416

I 4

6 0.8384

I 1 10 ,

Dando u n promedio de:

d =O33 mm i' ,.: , ' ,

Posteriormente se discutirá este resultado.


4.9.- DETERMINAC16N EXPERIMENTAL DE LA ESFERICIDAD DE LA PARTíCULA

LC, mismo para Ir. dewminación del diámetro equivalente de la partícula,

para la esfericidad (4), Gxisten dificültades y r a determikc 4 y para relacionarlo

con los diámetros obtenidos, para el caso del tamaño obtenido mediante el

tamizado de las particulas irregulares, debemos entonces de considerar los siguientes inconvenientes.

En primer lugar, todo tipo de formas de partículas pueden tener la misma

esfericidad, por ejemplo, lápices, buñuelos, monedas, etc.

Et1 seguncic; iucp;, ¿Cómo se cuantifica la forma de huevo de una partícula

irregular?, Y cómo ha de tenerse en cuenta la rugosidad de la partícula. Por lo que

es muy difícil y tedioso evaluar adecuadamente la esfericidad de las partículas

irregulares. Una forma de relacionar el diámetro de la partícula, (dp ), con el

diámetro de la partícula obtenida del tamizado, (dtam), es determinar

cuidadosamente y con precisión la fracci6n de huecos del lecho, a continuación se

mide la pérdida friccional de este lecho, para una serie de velocidades de flujo, y

las características del lecho para luego insertarlas en la ecuación de Ergun, y

finalmente aplicamos :

d = $ d p e tam

Para nuestros propósitos se ha optado emplear el métc .,: computadora,

utilizando un método geométrico con las siguientes relar%.

d e , = 4 d , 4 '

d. :u -- 5 7 : 3 equivalente

dad

' ' Ametro de la esfera

Definimos otro tipo de diámetro qup c - :, ,na el área entre el perímetro:

7 5


A n a b - - ds = P P

Pero como se había defho que el área de la elipse se aproximaba al área

cis !a esfera, (ecuaciones (4.1) y (4.2)). para llegar a la eupresión (4.39. Pero se

tiene que ajustar este diámetro que es el factor de esfericidad, que ya la hemos

definido en la ecuación (4.5).

Igualamos la ecuación (4.5) y (4.6):

Para finalmente despejar 4:

Pero esta esfericidad es para cada partícula de c-' "+!-a, entonces

protnediamos con:

Usando entonces estas expresiones se dan los resultados en la siguiente

tabla Tabla 4.4:- Valores de esfericidad promedio para diez muestras.

1 MUESTRAS

0.2290 1

ESFERICIDAD PROMEDIO

I 2 i 0.2291 3 0.2281

4 0.2332

!

5 ~ 0.2306 I

6

8 0.2317

0.2314 7

0.2274

0.2272 10

9 0.231 2 I I

I

76

SISTEMA EXPERIMENTAL, TAMAÑO DE PARTíCULAS

Por lo tanto la esfericidad promedio total:

4.10.- CONCLUSIONES

En la parte experimental es muy importante los criterios que se adoptan

para aceptar o justificar los resultados.

En la parte de digitalización de imágenes de la fluidización es importante

mencionar que cuando se operaba y se grababa, en el reactor no se apreciaba

algunos efectos que se hacían evidentes al momento de reproducirlas, como es el

efecto surtidor. En algunas imágenes se tienen acercamientos en el cuál se

aprecia este efecto fuente.

Para este tipo de partículas no se presenta el efecto de fluidización suave,

puesto que se encuentra en la zona de burbujeo.

En la determinación del tamaño de partículas se emplearon dos métodos,

tamizado y por computadora, siendo el de computadora el más preciso dando

valores del orden de 8 mm.

En la determinación de la esfericidad se optó por el método geométrico,

debido a la complejidad de determinarlo por otros métodos.

77

RESULTADOS Y ANÁLISIS

CAPITULO 5.- RESULTADOS Y ANALISIS

5.1 .- ANALISIS DE LA CURVA DE FLUIDIZAC16N DEL LECHO

Con base en ¡a observación de las imágenes, los datos obtenidos de

velocidad y caída de presión se ha construido la gráfica (5.1). En el cuál se

pueden apreciar las diferentes zonas con sus diferentes efectos, que se pueden

resaltar algunos efectos importantes.

r

0.0 02 0.4\ ~~

0.6 A

0.8

El experimento se realizó en dos formas partiendo de U=O (m/s) hasta

U=0.8 (m/s), al cuál la hemos llamado de “ida”, y de U=0.8 m/s hasta U = 0 m/s

como “retorno”, entonces la delimitación de las zonas se consideran los

78

RESULTADOS Y ANALISIS

producidos en ida y de retorno, además de del efecto de histéresis debido a la

precisión el equipo, vibración del mismo, es decir que no siempre se producen los

mismos efectos en ida y de retorno. En este caso la variación es mínima, donde se

hace más notoria para la determinación de ¡a mir~lma velocidad de burbujeo.

Después de la expansión que ocurre hasta U = 0.4 m/s a AP = 7 mmHpO,

comienza la zona de mínimo burbujeo, este efecto hasta una velocidad de U = 0.45 m/s, es de aclarar que este tipo de material no tiene velocidad de minima

fluidización por los argumentos que se discutieron en el capítulo anterior. Entonces

para este tipo de material se puede identificar la velocidad de mínima burbujeante

( Umb = 0.4 m/s).

AI irse incrementando la velocidad a partir de U = 0.45 se tiene una zona de

burbujeo constante hasta valores de U = 0.55 m/s, con un incremento del lecho

cerca del 100%.

A partir de U = 0.55 m/s se tiene un efecto interesante, el efecto surtidor, la

podemos observar en la zona delgada que se extiende a 0.6 m/s, este efecto

ocurre rápidamente, de hecho, el análisis se pudo hacer mediante la película, en el

capítulo 3, se tiene las imágenes y acercamientos de este efecto.

A velocidades mayores de U = 0.6 m/s hasta U= 0.65 m/s se tiene efectos

de transición, en esta zona la variación de la presión va en aumento. Estos se

incrementan conforme incrementamos la velocidad del gas hasta llegar a zonas de

turbulencia para luego dar paso a zonas de arrastre, que ocurre a velocidades

mayores de U = 0.7 m/s. A velocidades aún más altas la medición ya no fue

posible, debido a la inestabilidad de la presión, la vibración del equipo.

79


5.2.- CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Una Vez ider?tificado las vdocidades de fluidización, las expansiones del

lecho, las caídas de presión, se pueden resumir los parámetros necesarios para el

diseño de un combustor de lecho fluidizado, (en frío).

Velocidades de operación del lecho, refiriéndose a múltiplos de velocidades

de mínima de fluidización:

U , =nu, Tipo de lecho fluidizado, que puede ser de intercambio de calor, de

combustión etc. Que para nosotros tiene que con procesos de reacción,

propiamente de combustión de partículas de llanta para obtener calor para

calentar agua, etc.

Se necesita conocer las caraAerísticas de las partículas, tipo de material

(partículas tipo D de carta de Geldart), densidad, tamaño, esfericidad, poder

calorífico, productos de combustión. Entonces para el caucho son:

t

p = 1.18 @=/’’. ,,/ m1 densidad del caucho

d, = 0.86 mm (mediante el software)

d,, = 1.12 mm (mediante el tamizado)

4 = 0.23 esfericidad de la partícula

Característica del lecho:

mlecho = 900 gr masa del lecho

E~ = 0.55 fracción de vacío

L, = 21.5 cm altura del lecho

L,, = 22.9 cm altura en la mínima burbujeante

80


Lb = 25.9 cm lecho burbujeante

gr cm Plecho 0.53 -7 densidad del lecho

pgas = 1.2 kg " m 3

densidad del gas

5.3.- MODELO EN FRlO DE UN QUEMADOR DE LECHO FLUIDIZADO

Nuestro laboratorio tiene un modelo en frío de un horno de lecho fluidizado

de los que se utilizan para la generación de vapor de agua a partir de Sa

combustión de carbón. La unidad consiste de un recipiente de 1 m' de sección

transversal, que fluidiza roca triturada de aproximadamente de 4 mallas de

Zamaño, con una altura de lecho de 0.5 m.

Figura 5.1 .-Esquema de un sistema de lecho fluidizado.

Se introduce en el compresor aire a temperatura ambiente a 20°C, pero se

estima que el lecho por sí mismo estará más caliente cerca de 40°C. Necesitamos

determinar:

0 A) La velocidad superficial del gas que justo fluidizará a los sólidos.

81


O B) La velocidad del gas si se planea operarla 4 veces la velocidad de mínima

de fluidización.

O C) El tamaño del compresor (si se conoce su eficiencia que es del 6O%),

suponiendo que las pérdidas de presión a traves de la placa y cleI ciclón son

del 20 y del 1 O Yo de la del lecho respectivamente.

Se dan los siguientes datos:

p, = 2900 kglm3,d,, = 5 mm, q4 = 0.6, E , = 0.4, cmf = 0.5,

If = 0.6

paire = (40°C) = 1 . 9 6 ~ k g l m s .

PM = 0.0289 k g / kg - mol Primeramente determinamos el diámetro de la partícula nediante la

relación:

d , = 4 d,, = (0.6) (5mm) = 3 mm = 0.003 m

Para determinar la altura del lecho en la mínima fluidización:

Affr = L, ( 1 - E,)( 1 - 0.4)g = 8522.46 Pa

Realizamos la corrección de la presión P2 en el tubo:

P2 = presión inicial (tubo) + presión en el lecho:

82


P2 = 101.325 kPa + 8.5225 kPa = 109.8475 kPa.

La densidad media del gas en el lecho:

109.8475 + 1 O 1.325 2 ( P W ( P ) - - = 1.172 k g / m 3

0.0289~ (- -1 -

Pg-lecho - RT, (8.3 14)(3 13.15)

Usamos la ecuación de Ergun para encontrar u,

Sustituyendo valores y despejando Umf, nos queda una ecuación cuadrática:

1.8459 + 0.441 U , - 9.5877 = O

Resolviendo la ecuación :

Umf = 2.1627, - 2.4016 m l s

por lo tanto:

La operación del lecho será cuatro veces la mínima de fluidización:

83


Por otra parte determinamos el caudal justo a la entrada del lecho:

donde V3 = ? Y t , $ x A

Por otra parte realizamos un balance de energía alrededor del compresor, y

usamos la siguiente relación de trabajo:

k-1

k k-1

L

donde k = 1.4

sustituyendo valores:

1.4-1

ws ideal - - ~~ __~- (91.291) (8.314) (293.15) 1.4 - 1

el valor del trabajo ideal es:

vs ideal = 255.2 1 1 kw = 190.3 139 f$P

Pero tenemos el valor de la eficiencia:

84


que corresponde a la potencia real en la mínima fluidización.

Realizamos el mismo procedi.niento para el cálculo de ia potencia en 4

veces la velocidad de mínima fluidización:

donde V3 = 4Umf X A

1.4-1 1.4 (365.167) (8.314) (293.15)

Ws real - - ~ ~~-~~ "" .. .. "~ ~~~

1.4- 1 0.6 101325 L

W, real = 1695.01 kw

Considerando las pérdidas de presión en el distribuidor y el ciclón que es el

30% del lecho:

Wsreal = 1.3 X 1695.01 kw = 2203.513 kw

Es la potencia necesaria para fluidizar las partículas de carbón para este

quemador.

85


5.4.- COMPARACldN DE LAS PARTICULAS DE GELDART (D) Y LAS

PARTICULAS DE LLANTA

Tabla 5.1 .- Características de los cuz?ro grupos de los polvos de Geldart y la clasificación

del polvo de llanta.

Característica I Polvo de Ilant; Flúor I F.C.C Arena Trigo Ejemplo:

Tamaño de ~

Diámetro

dp< 20 pm 20 < dp<9C

I pl í

~~ ~~~

dp> 650 pm

Despreciable

Sensible al efecto surtidor

partícula

pp= 2500 kglm3

90<dp<650 pm 500CdpCl O00

CLrn r*> En las paredes

no es

despreciable

Sensible al efecto surtidor

Rápido

Mediano

redondas

Encausamiento

(acanalamientos)

Grande Despreciable Pequeño

Lechos poco

Profundo

Ninguno

Suave

Alto:

formación

de

burbujas

Esfera de

base plana

Viscosidad

Aparente

de

orden 1 p .“

Efecto surtidor

(spouted)

Rapidez de co-

lapsamiento al

cese de flujo de

gas Expansión

Ninguno

¿?

Bajo: debido

los canales

Ninguna,

solo canales

Campo alto

de presión

Rápido Rápido

t Mediano Mediano

burbujas

Redondas Redondas

Carácter

reológico de fase densa

Viscosidad

Aparente de

orden de 5 p

Viscosidad

Aparente de

orden de 10 p

desconocido

36


Muy bajo

Muy bajo

Flujo tapón

- Desconocido

Desconocido

Alto

Alto

- Mezclado de

sólidos

Inversión de

mezclado del

gas Modo

intermitente

"

"

(slwging) Efecto de dp

Hidrodinámica

Efecto de la

distribución del

tamaño de

partículas

"

1 1 - (*) Es preciso mencionar que el diámetro de la partícula de I

Asimétrico

"_ ."

Considera- ble

Considera- ble

Mediano

Mediano

Demasiado Asimétrico

Pequeño

Despreciable

Bajo

Bajo

Flujo tapón

- ." " " ". considerable

Causa coalescencia de partículas

,lanta depende

Bajo

desconocido

~

Desconocido

Puede causar coalescencia

de burbujas

B I tipo de

molido y del molino.

En esta tabla se compara las partículas comunes y representativas del

grupo D, como es el caso del grano de trigo. Se hace evidente que en algunas

características del modo de fluidizado del polvo de llanta no coincide con el del

trigo, por ejemplo, en los acanalamientos para el trigc 0- %spreciable, no así para

el polvo de llanta, aunque sean del mismo orden de tamaño. Pero para los efectos

surtidores ambos son sensibles. Para otro tipo de efecto como el modo

intermitente se tiene flujo tapón para el polvo de llanta y para el trigo es

desconocido. Aunque el carácter reológico de fase densa para el polvo de llanta

se desconoce (experimentalmente no se ha podido determinar) y para el trigo se

tienen datos (mencionados en el recuadro de la tabla 5.1).

87


5.5.-ALCANCES

Se podría experimentar con la combustión del polvo de llaria en un

combustor real para encontrar e identificar parámetros térmicos reales, un posible

combustor seria el que tiene cl Instituto de Investigaciones Eléctricas (l. I . E.). Es

un combustor de lecho fluidizado experimental de 0.5 Mw (t), (figura 5.2),que les

sirvió para fluidizar y quemar ?articulas de carbrjn, basura compactade y coqce.

Figura 5.2.-Cornbustor de lecho fluidizado experimental de 0.5 Mw (t) del Instituto de

Investigaciones Eleéctricas (I.I.E.)

88


En estas pruebas encontraron eficiencia de la combustión, la capacidad del

lecho para absorber contaminantes en diferentes condiciones de operación, como

pueden ser excesos de aire, temperatura y altura del lecho, grado de recirculación

da finos, &c.

Por lo que comprobaron que existe una notable reducción en la emisión de

óxidos de azufre en comparación con los métodos de combustión tradicional.

5.6.- CONCLUSIONES

En este trabajo se caracterizaron a las partículas de llanta y es importante

resaltar que este tipo de material no fluidiza. De acuerdo a la gráfica 5.1, no se

alcanza una velocidad en que la caída de presión sea constante, y esto concuerda

con el tamaño de las partículas, puesto que Geldart las había predicho, para estas

partículas del tipo D sólo pueden fluidizar en la forma burbujeante, y para

velocidades mayores a la burbujeante presenta efectos surtidores, e intermitentes.

En el proceso de quemado de las partículas, los tamaños son aceptables

puesto que para velocidades mayores a 0.6 mls se tiene una dispersión aceptable,

y suponemos que el quemado sería eficiente, claro que faltaría comprobarlo.

Aunque no se conoce exactamente la composición química del polvo de

llanta, pero por el proceso de vulcanizado sabemos que contiene básicamente

hidrógeno, carbono y azufre, siendo los productos de combustión del azufre los

más perjudiciales, pues son el origen de las lluvias ácidas, necesariamente se

tienen que considerar sistemas y procesos de filtrado para atrapar estos

contaminantes.

89


Por otra parte, tenemos que nos encontramos con dos puntos principales:

i ) molido de llantas y ii) diseño del reactor.

Dentro del primer punto, en lo realizado-en planta piloto se utilizó un molino

Micrón K20, en donde los polvos generados daban lugar a contaminación y El

método de separación manual lleva un gran número de horas. Entonces a nivel

indtlstrial tendría que rsalizaree !In estudio pars conseguir molinos xlecuados y

sobre todo un estudio para analizar qué tan rentables son.

Con respecto al diseño del reactor, en este trabajo se consideró una

fluidización en frío, sin embargo, lo interesante sería considerar la combustión de

los sólidos, para esto es necesario un diseño del reactor que considere ciclones y

métodos de “lavado” de contaminantes. Aquí se presenta otro problema, la

rentabilidad.

Así podemos concluir, que para diseñar un reactor para quemado de llantas

es necesario hacer un estudio de mercado, en donde se considere, número de

empleados, número de horas, materiales, contaminación generada, entre otros, y

compararlo con la energía producida por el reactor. De esta manera hacer un

análisis de la rentabilidad y saber las condiciones óptimas.

La basura generada en los pueblos y ciudades le corresponde a 10s

municipios su confinamiento o incineración.

A pesar de lo complejo de este estudio, es importante señalar que es de

interés debido a la gran cantidad de desecho de llantas a nivel mundial.

90

BIBLIOGRAFíA

1. Kunii D, (1991), Levenspiel O, Fluidizatiw Engineering, Butterworth-

Heinemann, USA

2. Howard J R, (1989), Fluidized Bed Technology, Adam Hilger, USA.

3. Gidaspow U, (1994), hlultiphase Flow and Fluidization, Academic Press Inc,

USA.

4. Levenspiel, O, (1993), Flujo de fluidos-intercambio de calor, Reverté.

5. Geldart, D, :?986), Gzs Fluidizatio? Technolqy, Wiley, USA.

6. Bird RB, (1 993), Fenómenos de transporte, Reverté.

7. Mott R, (1 996), Mecánica de fluidos, ?rentice Hail.

8. Smith W, (1993), Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, Mc

Graw-Hill.

Se realizaron visitas al Instituto de Investigaciones Eléctricas (I.I.E.), Unidad de

Procesos Térmicos en Cuernavaca, Morelos.

91

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