Secado Bagazo De Caña 2z1t3v

UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA

UNIDAD IZTAPALAPA

c3.1 S E M I N A R I OD EP R O Y E C T O S SECADO DE BAGAZO

PERALTA CRUZ GABRIEL

CARRERRt ING. €N (NERGIB

ASESOR: ING. CONSTANTINO ALVAREZ

1,

L,

INTRODUCCION El bagazo es el residuo sólido que queda después del proceso de molienda en una fábrica de azúcar de caña. Consiste en partículas de materiales vegetales medulosos y celulósicos, junto con un poco de jugo de caña residual. Las partículas varían grandemente en tamaño, desde tiras de siete a diez centímetros de largo, hasta un polvo fino. La distribución de tamaños depende mas que nada de las operaciones depreparación de caña que preceden a la molienda. Una pila de bagazo suelto tiene una densidad de volumen de80-120 kg/m3, aunque puede apilarse hasta una densidad de 160-240 kg/m3, o comprimirse a alrededor de 720 kg/m3. La práctica usual es usar el bagazo recién salido de los molinos de caña como combustible de las calderas de vapor, las cuáles proporcionan toda o casi toda la energía necesaria para el proceso de fabricación de azúcar. Este bagazo usualmente contiene alrededor de un 50% de humedad, aunque este contenido puedeser mayor o menor, afectando la calidad delcombustibleresultante.Cuandosereconoce la importancia de laeficienciadel combustible y de las calderas, o si existe potencial para obtener otros productos o usos del bagazo (por ejemplo la utilización deeste en la industria del papel), entonces resultan básicas consideraciones técnicas y económicas para bajar la humedad de dicho material, mediante el secado. Por tratarse de un material de desecho, resulta un combustible barato y de esta manera contribuye muy ventajosamente a la economía del proceso de elaboración de azúcar de caña, aún a pesar de sus bajosvalores caloríficos: 10.5 kJ/gr a 50% de humedad y 19.4 kJ/ gr cuando está completamente seco. Esto contrasta con las 34.9 kJ/gr de carbón y 46.5 kJ/ gr del petróleo carburante. OBJETIVO Examinar, investigar y definir las características fundamentales de secamiento del bagazo. UTlLlZAClON DE LOS GASES DE COMBUSTION En un ingenio de azucarero las calderas liberan a la atmósfera un gran volumen de gases de combustión a temperaturas bastante altas (300°C). Esto representa una gran pérdida de calor, parte del cuál pudiera usarse para aumentar la eficiencia de calor de las calderas y por consecuencia, la del ingenio. Estos gasesdecombustiónse usan principalmente para: 1) Secar bagazo. 2) Precalentar el aire de combustión.

3) Precalentar el agua de alimentación de calderas.

SECADO DE BAGAZO El secado del bagazo en la industria azucarera aparece en la literatura desde principios de siglo (191 1)hasta la fecha. Aún antes de ésto el bagazo se secaba al sol para reducir su contenido de humedad.

Los primeros tipos de secador usaban la gravedad para que el bagazo cayera y se deslizara hacia abajo de las placas de desviación, mientras entraba en o con los gases calientes que subían. Rerr (2) desarrolló un diseño de este tipo en 1911, con el cuál reportó haber bajado la humedad del bagazo a 44.5%. Este y otros secadores similares, nunca se usaron ampliamente en la industria azucarera. Posteriormente se probaron los secadores tipo conductor. En éstos el bagazo se transportaba a través de una cámara o tunel por medio de un conductor, sobre y/o a través del cuál, fluían gases calientes. Un ejemplo de este tipo Io tuvimos en Jamaica alrededor de 1928 y fue reportado por Holgate (3). Este consistía en un conductor con perforaciones, dentro de una cámara a la que entraban por la parte inferior, los gases calientes de combustión. AI subir éstos, atravesaban el bagazo por medio de las perforaciones. Aunque existen pocos datos cuantitativos sobre este tipo de secador y otros similares, se reportó cierto grado de éxito con los mismos, aunque su uso no ha persistido a la fecha. Los secadores rotativos de bagazo han sido los mas usados y exitosos. Sin embargo, un número de problemas mecánicos y operativos han sido señaladospor Farines (4) y Martinez (5), a pesar de alcanzarse humedades entre 38 y 44%. Mejoras en el diseño parecen haber aumentado la efectividad de este tipo de secadores.Rrocker (6) indicó que lasinnovaciones técnicas del secador rotativo habían mayormente contribuido a los resultados obtenidos, los cuáles se acercan a las tasas teóricas de secamiento (2.44 - 2.56 kJ/kg de agua evaporada). Las experiencias de Renner (7) con un secador similar indican que hubo un consumo menor de petróleo y se alcanzaron humedades de bagazo de 39%, a pesar de que hubieron problemas de corrosión debido alazufre del carburante usado en las calderas Esto fue remediado substituyendo las áreas afectadas por acero inoxidable Los secadores neumáticos y fluidificados, ya sea separadamente o combinados, parecen ser el foco de la mayor parte de los trabajos mas recientes de investigación y desarrollo. El Instituto de InvestigaciónAzucarera en Mackay, Australia, experimentó con pequeños tubos de secado fluidificado/neumático (8) (de unos pocos metros de longitud) y obtuvo humedades de 35% con tiempos de retención de tres a cinco segundos.Sharms y Roshar (9) realizaron ensayos a nivel de planta piloto usando un secador dedos toneladas por hora. Este consistió en un tubo de secado suspendido, diseñado para usar uno por caldera. Se logró bajar la humedad del bagazo a 42%, aunque la separación del bagacillo fue un fracaso y las temperaturas del gas de escape eran bajas (80°C por debajo de lo debido). Maranhao (IO) desarrolló unidades secadoras individuales para cada horno. Este sistema neumático/ fluidificado logró 15 5% 18.3% más de vapory humedades de bagazo de 35-40%. El sistema requería también 54% de la energía requerida por los otros tipos existentes de secadores.

Un nuevo proceso (11) de secado de bagazo que involucra fermentación micro-biológica, ha reportado buenos resultados en Brasil. El proceso redujo el contenido de humedad de 50 a 20%, con una buena preservación de las propiedades de la fibra y sin necesidad de usar combustible externo. El bagazo previamente inoculado, se embala en pacas de 600 kg y se almacena. Como resultado de la actividad bacterial, ocurren reacciones Exotérmicas que hacen que las temperaturas suban y expelan CONSTANTE DE SECADO Cuando la transferencia de humedad es controlada por la difusión líquidaresulta que de un gradiente de concentración, puede aplicarse la ecuación básica de difusión en estado inestable:

Donde

w: contenido de humedad (base seca) La solución de esta ecuación se encuentra por métodos geométricos y existen soluciones disponibles para las distintas formas regulares, por ejemplo, tabla, esfera, varilla, etc. En el caso de una tabla larga que pierde humedad de dos lados, sherwood (13) obtuvo la siguiente relación:

en la que: L: Grosor de la película secándose

w: Contenido de humedad (base seca) wi: Contenido inicial de humedad (base seca) we: Equilibrio de humedad (base seca) t: Tiempo (seg.)

Para valores bajos de L o valores altos de D o t, el segundo término de la ecuación y los subsecuentes se vuelven imperceptibles en comparación al primero y la ecuación se reduce a la forma siguiente:

donde

Aunque esta ecuación se derivó para una forma específica, se ha encontrado que puede aplicarse a materiales de forma irregular y es a menudo usada para analizar curvas de secamiento. La ecuación es conveniente por que, cuando resulta válida, se obtiene una relación linear entre:

De esta manera no hay necesidad de usar un concepto de difusibidad y a la constante k en la ecuación se le llama constante de secamiento. Debe esperarse que cuando se tracen las curvas semilogaritmicas, éstas resulten líneas rectas.

Pilgrim (14) utilizó ya este método en1989, los resultados que obtuvo fueronlos siguientes:

Valores de k para el bagazo en función de: temperatura, velocidad del aire, humedad del airey tamaño de partículas. TAMAÑO cm

0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.415 0.415 0.415 0 . 4 15 0.415 0.415 0.415 0.32 0.30 0.24 0.415 0 . 4 15 0.415 0 . 4 15 0 . 4 15 0.415 0.415 0 . 4 15

TEMPERATURA

VELOCIDAD

HUMEDAD

“C

ms”

Wkg

127 150 168 175 188 212 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170

3.9 3.9 3.9 3.9 3.9 3.9 4.24 3.9 3.02 2.00 1.60 1.40 3: 02 3.02 3.02 3.02 3.9 3.9 3.9 3.9 3.9 3.9 3.9 3.9

0.016 0.016 0.016 0.016 0.016 0.016 0.016 0.016 0.016 0.016 0.016 0.016 0.016 0.016 0.016 0.016 0.016 0.03 0.036 O. 04 0.06 0.07 0.10 0.14

k(MEDIDA) S-’ X

10”

5.1 5.4 6.6 6.8 7.8 9.1 6.8 6.3 5.1 4.8 3.2 2.5 5.1 5.2 5.9 6.8 6.3 5.4 4.7 4.0 3.1 2.5 2.4 2.1

k(CALCULADA) S-’ X

5.0 5.8 6.6 7.0 7.7 9.1 6.8 6.4 5.2 4.0 3.4 3.1 5.2 5.9 6.0 6.4 6.4 4.6 4.2 4.1 3.2 3.0 2.5 2.1

y las figuras que de aquí se derivaron son:

W

n

TIEMPOS DE SECADO

Curvas semilogaritmicas de secado en función de humedades del aire (temp. aire: 170°C; vel. aire 3m/s; tamaño de partícula 0.415 cm.)

REFERENCIAS 1. McGaw, D.R. and Pilgrim, A.C. ‘The Potential for Flue Gas Utilisation’, Proceedings of the West lndies Sugar Technologists Conference, Guyana, Sept. 1979 341-354.

2. Kerr, E.W. and Nadler, H.A. ‘Bagasse Drying’, International Sugar Journal, 1911 13, 603-608. 3. Holgate, H.W. ‘Apparatus for Drying of Bagasse’, International Sugar Journa 1930, 32, 32. 4. Farines, J.H. ‘Pre-drying Bagasse using Flue Gases’, The Sugar Journal, August 1976, 39-40. 5. Martinez, D. ‘Bagasse Burning at Raceland’, The Sugar Bulletin, 1980,

3 (II),

6. kroeker, G. ‘Improved Preparation and Utilisation of Bagasse as a Fuel’ proceedings of West lndies Sugar Technologists Conference, St. kitts, 1982, 290-2997. Kennet, E.A. ‘Bagasse Drying and Densification’, Proceedings of West lndies Sugar Technologists Conference, St. Kitts, 1982, 300-313.

9. Kochar, R.K. and Sharma, R.N. ‘Drying

of Bagasse’, Proceedings of Annual Conference

of Sugar Cane

Technologists Association of India, 1980, 44, G127-G132. I O . Maranhao, L.E.C. 'Individual Bagasse Drying System', Proceedings of International Society of Sugar Cane Technologists, 1980, 17 (3), 2000.

11. Atchison, T.E. 'A new Process for Rapid Drying and Storage of Bagasse', Sugar y Azucar, Oct. 1986 pp. 38-44. 12. Thompson, P.S. 'Flue Gas Principles and Considerations for the Sugar Industry', Hawaiian Sugar Technologists Report, 1980, 39, 117 121. 13. Sherwood, T.K. 'Drying of Solids'. Ind. Eng. Chem. 21, 12 16, 1929. 14. Pilgrim, Angelus, C.'Secado del bagazo para fabricas de Augustine, Trinidad, 1.0.1989.

azúcar', The Universiti of the West Indies, St.

Teoría del secado Se aplica el termino de secado a la transferencia de un liquido desde sólido un húmedo hasta una fase gaseosa no saturada. Se entiende entonces por secado laseparación de pequeñas cantidades de un líquido que contiene un sólido, a veces el termino de evaporación serefiere a la separación de grandes cantidades de liquido como solvente. En elsecado en la superficie del bagazo de la caña de azúcar, se realiza por la evaporación del liquido en este caso agua, pero también dentro de las fibras del bagazo se retiene la humedad comoparte integral de la estructura sólida, por lo tanto el movimiento de la humedad es lento y se presenta tal vez por difusión del liquido a través de la estructura sólida. Por ejemplo, en el secado de la madera, una parte del liquido se mantiene dentro de las fibras, la humedad solo puede salir hacia el aire secante por difusión a través de las paredes de las fibras.

BALANCE DE ENERGíA En la operación de secado debemos tener en cuenta la cantidad de calor que se debe suministrar al equipo, para poder realizar la evaporación, como así las perdidas dentro de el. Por eso es importante realizar un balance de calor en el secador: En la operación entran sólidos húmedos alsecador los cuales necesitan calor para elevar el sólido de la temperatura de entrada hasta latemperatura de salida

m: sólidos que entran al secador. : Calor especifico de los sólidos. Te,,Ts: Temperatura de entrada y salida de los sólidosrespectivamente. Calorpara calentar el agua de su temperaturade entrada hasta la temperatura de evaporación.

W: Flujo masíco de agua libre humedeciendo los sólidos Tev: Temperatura de evaporación del agua. Ten: Temperatura de entrada del agua. Calor para evaporar el agua:

W:flujo masico de agua libre. :Calor latente de evaporación.

El calor suministrado corresponde al calor de los gases de combustión a una temperatura de entrada al secador.

G: Flujo masíco de gases de combustión. Hs: Entalpia especifica de los componentes de gases de combustión a la salida. He: Entalpia especifica de los componentes de gases de combustión a la salida.

Siendo:

Xi: Fracción molar del componente i. hi: Laentalpía especifica del componente i. En el secador existen perdidas de calor por radiación, convección, conducción, etc. Qr

TRANSMlSldN DE CALOR

o se condensa una libra de vapor, el cambio de energía Cuando se vaporiza una libra de agua en los dos procesos es idéntico. Generalmente, la vaporización es un fenómeno mucho mas rápido que la condensación. La transmisión de calor es un fenómeno que involucra la velocidad a la cual el calor se intercambia entre el emisorde calor y recibidores.

En el secado del bagazo de caña y en general, existen dos casos para que ocurra un flujo de calor. 1.- El intercambio de calor de los gases de combustión al sólidopuede ser directo. 2.- El calor de los gases puede transmitirse al sólidoen forma directa, puede ser a través de un material, entonces el flujo de calor será por conducción y radiación. En el primer caso, la transferencia de calorpuede ser peligrosa debido a que si en los gases de chimenea van partículas incandescentes, provocarían una explosión a que debido el bagazo de caña contiene polvos muy volátiles. Si la transmisión de calor a partir de los gases es directa, es muy conveniente que en el proceso el flujo de calor sea opuesto al flujo de los sólidos y agua, ya que a la entrada del secador los sólidos van a entran con un cierta temperatura y humedad conforme pasen a lo largo del secador se van ir calentando mas, por que a la salida de los sólidos los gases de combustión vienen de la caldera. Ya en general, para los dos casos la transmisión de calor tendrá que atravesar diferentes paredes o resistencias en serie. La ecuación de Fourier describe el proceso.

La transferencia de calor por convección que tiene lugar a través de los gases calientes en la superficie del sólido, se le puede analizar usandola ley deenfriamiento de Newton.

hc: coeficiente de transferencia de calor convectivo. A: Área normal al flujo de calor. Ts: Temperatura de la superficie del sólido. Tf: Temperatura del fluido. Aunque la radiación generalmente se asocia con superficies sólidas, ciertos gases pueden emitir y absorber radiación. Esto incluye los gases de moléculas no polares como H20, C02, S02, NU3 y los hidrocarburos. Algunos de estos gases están presentes en todos los procesos de combustión. Por lo tanto el calor transferido por radiación es. A: Área normal al flujo de calor. hr: Coeficiente de transferencia de calor radiactivo. Siendo; : Emisividad. :La constante de Stefan Boltzman T l : Temperatura de la superficie de las paredes del secador. T2: Temperatura del medio que la rodea. TIEMPO DE SECADO

En los cálculos de secado deben considerarsela curva de velocidad de velocidad de secado, en sus secciones principales, ya que los factores controlantes cambian a lo largo de las distintas partes de la curva. La velocidad de secado se define: R: Velocidad de secado, lb de líquido evaporadolh. pie2 de superficie sólida. Ws: Peso del sólido seco. X: Contenido global de humedad del sólido Lb liquido/Lb sólido seco. PERIODO DE VELOCIDAD CONSTANTE La temperaturadel sólido y la velocidadde secado pueden aumentar o disminuir para alcanzar la condición de estado estable. Para llegar alestado estable la temperatura de la superficie del sólido es igual a la temperatura de bulbo húmedo del medio de secado (gases de combustión). Las temperaturas dentro del sólido también tienden a igualarse a la temperatura del bulbo húmedo de los gases. Una vez que se igualan las temperaturas se mantienen casi constantes y la velocidad de secado permanece constante. Puesto que la velocidad de secado es constante R será constante para Rc: Xc, X I : Contenido de humedad al final e inicio respectivamente. Donde Rc depende de los coeficientes de transferencia de calor y masa del medio desencante a la superficie sólida. Tv: Temperatura del gas desecante. Ti: Temperatura de la interfase líquido-gas. hv = hc + hr +Uk En la mayor parte de los casos, el calor transferido por radiación y conducción a través de lecho son insignificantes. Por lo tanto el coeficientepara la transferencia total de calor es por convección y puede relacionarse como:

6, n: Son constantes. Para el segundo secador en el proceso será conveniente calentar el aire, que más adelante se analizará, para el secado del aire ha sido correlacionada con experimentos Seborg la ecuación anterioc

Esta ultima ecuación se recomienda para determinar el coeficiente durante el periodo de secado de velocidad constante. En este caso la temperatura superficial (Ti), puede ser tomada como la temperatura de bulbo húmedodel aire.

CONTENIDO CRITICO DE HUMEDAD El contenido de humedad existente al final del periodo de velocidad constante se conoce como contenido critico de humedad. En este punto el movimiento de liquido hacia la superficie sólida es insuficiente para remplazar al liquido que este siendo evaporado. El contenido critico

de humedaddepende de la facilidad del liquido en transportarse a la superficie del sólido. A veces la dependencia del contenido critico de humedad sobre la velocidad de secado es débil y confrecuencia puede ignorarse. El contenido critico de humedad depende de la estructura porosa del sólido, del espesory de la proporción de secado, por lotanto puede predecirse dela constante de difusión y de la velocidad desecado, es aplicable cuando la difusión del liquidocontrola el mecanismo de secado después del puntocritico. PERIODO DECRECIENTE DE SECADO En este periodo la superficie del sólido esta cada vez contiene menos liquido, debido al movimiento del liquido hacia la superficie, no hay una área superficial saturada de liquido. La forma de la curvade secado durante este periodo dependerá] de estructura la del sólidoy de la proporción desecado duranteel periodo de velocidad constante y del contenido critico de humedad. Esfrecuente] que después del punto de contenido critico de humedad sea lineal entre la velocidad desecado y elcontenido de agua. Posteriormentede este punto la curva es cóncava hacia arriba.

PROPIEDADES DE MEZCLA DE GASES En una mezcla de gases inertes, la masa total de la mezcla mm es la suma de lasmasa de cada una de los componentes, Si el análisis de una mezcla de gases se especifica enel número de moles de cada una de los componentes, el número total de moles en una mezcla es, La fracción masa mfi y la fracción molar yi de cualquier componente se define como, Las propiedades termodinámica de una mezcla de gases con base molar son: Presión parcial de una gas i. Volumen del componente i. La entalpía especifica del componentei. La energía interna especifica del componente i. Aun cuandola relaciones para las propiedades termodinámica son de validez general, existe un problema con la mezcla de gases. Siempre hay la posibilidad de que uno o mas de los gases pueda existir en un estado cercano a su estado de saturaciónpara un componente dado. se havisto que cada gas ejerce su presión que es iguala su presión parcial. Pero la presión parcial no puede ser mayor a la presión de saturación de un Componente a la temperatura de la mezcla.

Cuando aumenta la presión parcial mas alláde la presión de saturación, entonces el gas del componente i empezara a condensarse. Ocurre la misma situación cuando la mezcla de gas y vapor se empieza a enfriar a presión constante. En este caso la presión parcial del vapor no cambia, pero ava llegar el momento en que la temperatura del vapor habrá disminuido

tanto para igualar la temperatura de saturación. Si la temperatura desciende aun mas la temperatura de saturación correspondientea esa temperatura se hará menor que la presión parcial real, de modo que empezara a condensarse parte del vapor. Un ejemplo muy conocido de mezcla de gases que contiene vapor condensable es el aire de la atmósfera. La condensación de agua a partir de aire conforme disminuye la temperatura, formándose el rocío. En nuestro caso ambos secadores trabajan con mezcla de gases con vapor condensable, en la primera operación el desecante son los gases de combustión que contiene varios componentes con vapor de agua, en la segunda operación como medio desecante es el aire, el cual se considera como una mezcla de dos componentes que contiene aire seco y vapor de agua. Algo muy importante en la operación de secado es la determinación del punto de rocío de los gases desecante, este punto es ellimite que nosdetermina hasta dondeson aprovechables los gases de combustión y aire para los requerimientos de secado. La temperatura de la mezcla, medida con un termómetro convencional, se temperatura llama de bulbo seco, para mezclas de gases, vapory agua no saturada, se requiere poder indicar la cantidad de vapor de agua presente en un estado. Se puede calcular por medio de la humedad relativa y la humedad especifica. HUMEDAD RELATIVA: Se define como el cociente de la presión parcial del vapor de una mezcla entre la presión de saturación a la misma temperatura de bulbo seco de la mezcla. Si Pv representa la presión real de vapor y Pg representa la presión de saturación a la misma temperatura. HUMEDAD ESPECIFICA: Describe la cantidad de de vapor agua en una mezcla con respecto a la cantidad de aire seco presente. La relación de humedad es. Pm: Presión de la mezcla. Pv: Presión parcial del vapor de agua. Rgd: Constante particular de los gases secos. Rv: Constante particular del vapor de agua Siendo M el peso molecular del componente i en la mezcla, y Ru la constante universal de los gases. En una composición de aire con vapor de agua como es el caso para el secado del bagazo de caña en la segunda operación, la ecuación anterior seria, PROCESO DE SATURACIóN ADIABÁTICA: Un proceso de saturación adiabática es uno de flujo constante y a presión total constante. Puede serque el dispositivo este aislado, por lo que la temperatura final alcanzada por la mezclacuando esta completamente saturada se llama temperatura de saturación adiabática. En el interior ocurre una interacción de energía la la entalpía (calor latente) de evaporación proviene entre el gas que entra y el liquido, en que de los gases de combustión. Sirve para evaporar el liquido. Como este proceso es irreversible, la energía cinética es despreciable, no se realiza trabajo y Q=O en balance de energía para el diagrama anterior es: Despejando la relación de humedad de los gases queentra.

Una ecuación semiempírica fue desarrollada por Carrier y la cual simplifica el calculo de la presión parcial de vapor solo para aire atmosférico.

HUMEDAD Y ACONDICIONAMIENTO DE GASES Es importante conocer la cantidad de vapor de agua quecontiene los gases de combustión en el proceso de secado del bagazo de caña, porque conforme el sólido se va secando, el agua que ha sido evaporada es arrastrada porlos gases de combustión. Entonces los gases de combustión pueden llegar a un punto donde los gases se saturan de vapor de agua, se dice que los gases contienen un 100% de humedad en este punto. La siguiente relación determina la humedad

siendo: : Peso molecular del vapor de agua. :Peso molecular de los gases secos. Pw: Presión parcial del vapor de agua. Pg.s.: Presión parcial de los gases secos. El porcentaje de humedad se obtiene de la división del peso del aguatransportada por I lb de aire seco. Cuando los gases llegan a saturarse (100% de humedad) lapresión parcial del vapor de agua es iguala la presión de agua liquida, segúnla condiciones dadas. Como los gases contienen cierto porcentaje de humedad es necesario una cantidad de calor para subir en un grado centígrado la temperatura de los gases. Este calor se le conoce como calor de humedad.

g.s.,w: Calor especifico de los gases secosy vapor de agua respectivamente.

Algo muy importante en la operación de secado, es ladeterminación del punto de rocío de los gases desecantes, este punto es el limite que nos determina hasta donde son aprovechables los gases y aire para los requerimientos de secado. La mezcla de gases y vapor de agua se va a condensar al momento en que la temperatura llegue alpunto de rocío, cuando ocurre esto el proceso ya no va a secar mas,puesto que ahora va a humedecer el sólido. Por lo tanto es conveniente que losgases no estén saturados. Como estos gases llevan una pequeña cantidad de agua, la temperatura del agua se aproxima a un equilibrio con la temperatura de los gases, cuando se llega al equilibrio de temperaturas, esta esmas baja a la temperatura de los gases pero alpunto mayor de rocío.Es la temperatura de bulbo húmedo.

:Calor latente de evaporación a la temperatura de saturación. ts: Temperatura de saturación. Hs: Humedad de saturación correspondiente a la misma temperatura. H: Humedad a la que entran los gases. t: temperatura de saturación adiabática. Lewis demostró que h/KG’ es igual al calor de humedad, la temperatura de saturación adiabática es idéntica a la temperatura de bulbo húmedo. Los gases provenientes de la caldera suministran el calor necesario para evaporar el agua que se encuentra en el sólido, pero también sirve como medio que arrastra el vapor de agua proveniente del sólido, un balance de cantidad de agua en el aire seria:

.-Cantidad de agua evaporada por hora. G: Cantidad de aire seco por hora. H2: Humedad con la que entra el aire. H I : Humedad con la que sale el aire. La humedad se puede determinar con la carta de humedad, conociendo la temperatura de bulbo húmedo así como la temperatura de bulbo seco. Lacantidad de aire necesario para la operación es:

SECADO EN GENERAL El proceso de secado es una operación unitaria donde se remueve un liquido o humedad desde la superficie de un sólido. Entre los mecanismos que existen para remover el liquido de la superficie del sólido son: l .- Por compresión o centrifugaron. 2.- Por evaporación. 3.- Separación del agua desde otro liquido o destilación. 4.- Por adsorción con desecantes sólidos. Siendo el mas conveniente la evaporación del liquido por medio de un gas caliente, gobernando por una convección forzada en el proceso de secado.

En la superficie del sólido húmedo seva a formar una capa de aire,a través de esta película va a ver difusión del vapor de agua, realizado por el calor latente de evaporación del agua.

:Calor latente del agua. :flujo del vapor de agua a través de la película. La transferencia del calor sensible, en esta misma capaes : h: Coeficiente de transferencia de calor en la película de aire. A: Área superficial. tg: Temperatura del aire. tw: Temperatura de la interfase. COEFICIENTE DE LA PELíCULA DE DIFUS16N: La difusión del vapor de agua a través de la película de los gases, elcoeficiente de difusión varia con la temperatura de la película, es necesario el uso de un valor promedio del coeficiente de difusión, por lo que es conveniente agrupar en un solo termino los factores que afectan el coeficiente de difusión, la expresión es:

Bg: Grosor de la película :media logarítmica de la presiones parciales. :coeficiente de difusión. La velocidadde transferencia de vapor de agua a través de la película de gas hacia la interfase, es conveniente expresarla como diferencia de humedad. Por que la humedad se pueden leer directamente desde la carta de humedad para gases de combustión, además se puede apreciar la cantidad de agua quees arrastrada por los gases con un balance de materia. KG: Coeficiente de difusión en la película. A: Área de lainterfase. P. M.g.s.: Peso molecular de los gases secos. P.M. w: Peso molecular del vapor de agua. Hw: Humedad de los gases en la interfase. Hg: Humedad de los gases. La temperatura de bulbo húmedo solo es afectada por la humedad y la temperatura. En la carta de humedad también es necesario conocer las líneas de temperatura de saturación adiabática, si los gases pasan a través de un equipo aislado por donde también van los trozos del bagazo de caña, si el o entre los gases y el sólidohúmedo es suficiente y el aparato también es suficiente, los gases salenprácticamente saturados del vapor de agua que ha sido evaporado del bagazo. Esta temperatura es determinada por:

En el mecanismo de secado es necesario determinarla temperatura de operación, la velocidad de transferencia de humedad desde el sólido húmedo hasta los gases de combustión y viceversa.

SECADOR BATCH: El tiempo de secado para el diseño de estos secadores estapor: dada

N: Velocidad de secado. Ls: Peso del sólido seco. A: Área. X: Contenido de humedad. : Tiempo de secado.

La curvade velocidad de secado nosindica que existen dos periodos de secado, el primero se conoce como periodo de velocidad de secado constante y el segundo periodo de velocidad descendente. En el primer periodo el tiempo de secadoesta determinada por:

X?: Contenido de humedad al inicio. X2: Contenido de humedad al final. Nc: Velocidad de secado consfante. Que es el tiempo encual el el materia se va a secar durante el periodo de velocidad constante. Durante el segundo periodo la velocidad de secado ya no es constante, ya que el secado va a ser solamente por difusión del liquido a través de los poros del bagazo. Pero en este periodo existen tres casos en la curva de velocidad de secado. PRIMER CASO: Después del periodo de velocidad constante, la humedad sigue disminuyendo hastacierto punto en una línea recta, pero después de este punto la humedad disminuye en forma de unacurva. En el rangodonde la humedad disminuye en forma de una linea recta se puede considerar que la velocidad de secadoes: donde: m: Es la pendiente. b: La ordenada la origen. Por lo tanto eltiempo de secado es;

N I : Velocidad de secado al inicio del periodo de velocidad descendente. N2: Velocidad de secado al final de la línea recta. X I : Contenido de humedad al inicio. X2: Contenido de humedad al final. Donde termina la línea recta empieza a disminuir la humedad en forma de curva, aquí el tiempo de secado se puede determinar evaluando laintegral entre los limites:

X2: Contenido de humedad en el punto de la línea recta y la curva. X3: Contenido de humedad al final del periodo de velocidad descendente. N: Velocidad de secado en la curva. El tiempo total de secado en el periodo de velocidad descendente es.

SEGUNDO CASO: Cuando en la porción del periodo de velocidad de secado descendente es representada por una curva. El tiempo de secado es.

TERCER CASO: Aquí la curva de secado esta representada por una línea recta, el tiempo de secado en el periodo de velocidad descendente que dependede la pendiente de la línea que espropuesta, empieza desde el punto critico hasta donde termina la operación de secado, según las condiciones en las que se quiere le humedad final en le bagazo.

Donde: Xc: Contenido de humedad en el punto critico. X2: Contenido de humedad al final. X*: Es la concentración de humedad. Nc: Velocidad de secado en el punto critico. Nf: Velocidad de secado al final de la operación. Además; Por lo tanto el tiempo de secado en el periodo de velocidad descendente es:

COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA: La circulación de los gases por encima de la superficie del sólido húmedo se realiza en forma turbulenta y continua para ser usados en el secado del bagazo. Como el flujo es turbulento el mecanismo convectivo es el mas significativo. La cantidad de agua evaporada esta relacionada con la transferencia de calor y masa.

Para el coeficiente de transferencia de calor hc, puede ser correlacionada empíricamente con respecto a la velocidad de masa G. Para flujo paralelo. Para flujo perpendicular. G= Ib/%72h y hc = Btu / h.ft2

Hs: Es la Humedad de saturación a una temperatura de saturación adiabática. ts: temperatura de saturación adiabática. Es importante encontrar los coeficientes de transferencia tanto para el flujo de calor como para el de masa, donde hc/KG se pueden obtener a través de correlaciones establecidas, durante el proceso de secado del bagazo se realizacon dos secadores que operan en forma y el segundocon aire. Lascorrelaciones distinta el primero de ellos con gases de combustión son las siguientes. Para aire. Para gases. Nsc: Es el numero de Schmidt. Npr: Es el numero de Prandtl. Cs: El calor de humedad. SECADOR CONTINUO Durante el proceso del secado se necesitan dos tipos de secadores, el primero de ellos realiza la función de precalentar y secar hasta una cierta humedad el bagazo de caña, en la industria azucarera el proceso de molienda es continuo y el residuo en este caso el bagazo debe ser secado en forma continua también, ya queeste tipo de industria consume grandes cantidades de materia (Bagazo de caña de azúcar) y no se pueden ir acumulando para posteriormente secarlo. El segundo secador que mas adelante setrata, tiene como principal función la eliminación de polvos con aire seco, que pueden provocar la explosión en la planta, pero al mismo tiempo ese aire seco va a secar aun mas el bagazo llegando hasta una humedad cierta al final del proceso. Los polvos pueden servir como materia prima para la misma Industria Azucarera. Si hacemos un balance de humedad para el primer secador que es continuo como se observa en la figura siguiente.

En lafigura anterior se muestra la variación de la temperatura para el secado en general y para el bagazo de caña, conforme el bagazo va pasando a través de un secador continuo. La zona I es un precalentamiento del sólido húmedo o la primera parte de secador por donde entra el bagazo, la zona I1 es el secado de la superficie húmeda en el periodo de secado

constante. Y la zona 111 es cuando la superficie del sólido ya no es saturada de agua y el sólido se esta secando en el periodo de velocidad descendente. Npunto critico de contenido de humedad se encuentra entre la zona I1 y la zona111. El tiempo de secado total para materiales como azúcar, sulfato de amoniaco, etc. puede ser calculada por:

donde el tiempo total es:

FLUJOS OPUESTOS: Tenemos que en el primer secador (con gases de combustión) el periodo de velocidad de secado constante es el que predomina, ya que en esta primera parte de la operación el bagazo se va a secar hasta una cierta cantidad de humedad, es decir que la superficie del sólido va a quedar todavía con agua, para así evitar el desprendimiento de polvos finos que contiene el mismo bagazo. Por lo tanto la velocidad de secado es constante en este periodo. Además sustituyendo el balance de humedad que anteriormente se obtuvo y la velocidad constante de secado en la ecuación del tiempo de secado para el periodo constante tenemos que: PARA FLUJO OPUESTO Que es el tiempo de secado para el primer periodo en el secador continuo que opera con los gases de desecho. Y donde tenemos que: Hs: Humedad de saturación a la temperatura del sólido g. humedad/g. gases seco. Hc: Humedad en el punto critico g. humedad/g. gases seco. H7: Humedad con la que entra elbagazo de caiia. g. humedad/g. gases seco. Ky: Coeficiente de transferencia de masa Kg/cm2s. Ls: Peso del sólido seco gramos. Gs: Velocidad de evaporación del liquido Kg/h.m2

En la superficie del sólido el equilibrio de la temperatura es constante, entonces la temperatura de bulbo húmedo es igual a la temperatura del sólido a secar.

En la operación del primer secador se trata de no llegar al periodo de velocidad de secado descendente, por que en este lapso la superfjcje del sólido ya no esta saturada de agua, el secado es por difusión del liquido a través de las paredes del sólido, como consecuencia se empieza a separar el polvo de la fibra del bagazo. Pero en algunos casos donde se llegue a este periodo el tiempo de secado es:

PARA FLUJOS OPUESTOS Que es el tiempo de secado para el periodo de velocidad descendente con flujos opuestos en un secador continuo. H2: Humedad al final del primer aparato de secado g humedad/g. gases seco. Xc: Contenido de humedad critica g humedad/g sólido seco. g humedad/g sólido seco. X2: Contenido de humedadfinal al del secado FLUJO PARALELO: Quizás para medidas de seguridad para el proceso de secado como para la misma planta el flujo paralelo sea mejor, debido a que los gases arrastran partículas incandescentesy entre mas humedad contenga el bagazo menos probabilidad de desprender los polvos, conforme los dosflujos van pasando por el secador las partículas incandescentes van desapareciendo por la disminución de la temperatura, mientras lahumedad es cada vez mas baja. Por tanto las ecuaciones para el tiempo de velocidad de secado constante que es el mas significativo en el secador con gases de combustión tenemos: FLUJO PARALELO

En caso de llegar en el proceso al periodode velocidad de secado descendente la ecuación para el tiempo en este periodo es: FLUJO PARALELO

SECADORES DELECHO FLUlDlZADO Después de que el bagazo paso a través del secador continuo que trabaja con gases de chimenea, al final todavía contiene una cantidad de humedad mas los polvos que aun no han sido separados. Es importante conocer el tiempo necesario para secar el bagazo así como el tiempo de residencia que vapermanecer el bagazodentro del lecho fluidizado, mas adelante se tratara la eliminación de los polvos con este mismosecador que ahora trabajara con aire. El secador de lecho fluidizado también es continuo por el proceso de elaboración de la azúcar. Haciendo un balance de transferencia de masa y de energía. Transferencia de calor desde los sólido = decrecimiento de humedad en elsólido Calor latente. KL: Coeficiente de transferencia de masa entre la superficie del sólido húmedo y el aire que lo rodea.

A: Es el área del sólido. hp: Coeficiente de transferencia de calor: TB: Temperatura del bagazo húmedo. T2: Temperatura del bagazo seco.

:Densidad del sólido. VB: Volumen del bagazo. Si definimos:

Si integramos la ecuación del balancee introduciendo la definición tenemos: :Es el tiempo necesario para completar el secado del sólido. El tiempo de residencia para la distribución del sólido en la cama esta dado por: Donde es eltiempo promedio que es igual al peso de los sólido entre el flujo de los sólidos secos. W/F , y si el contenido de humedad promedio en los sólidos esta dado por. sustituyendo e integrando; Obteniéndose la cantidad de humedad y tiempo promedio si se conoce el tiempo total de secado necesario para la operación.

PROPIEDADES GEOMÉTRICAS Y DENSIDAD DE LAS PARTíCULAS DEL BAGAZO Las básicas dimensiones lineales de las partículas del bagazo de caña de azúcar son longitud, anchura y espesor. Estas y otras más dimensioneshan sido correlacionadaspor Nilo Ponce, Paul Friedman y Diego Leal del Instituto Cubano de InvestigacionesAzucareras (ICINAZ). REGRESIdN DE ECUACIONES PARA PROPIEDADES DEPARTíCULAS DE BAGAZO* PROPIEDAD UNIDAD

SUB-FRACCldN A SUB-FRACCldN B ECUACIóN r2 ECUACldN r2 ANCHURA mm O. 94 O. 98 O. 98 o. 90 ESPESOR mm O. 98 O. 98 LONGITUD m m O. 98 O. 98 AREA SUPERFICIALcm2 O. 98 O. 98 VOLUMEN cm3 O. 98 SUPERFICIE ESPECIFICA cm2/cm3 O. 94 O. 98 O. 98 ÁREA DE CARA LARGA cm2 O. 98 DIAMETRO EQUIVALENTE mm O. 98

FACTOR FORMA -"" O. 15 O. 05 O. 85 O. 72 RELACION LONGITUD-ANCHURA --------O.92 0.91 RELACION ESPESOR-ANCHURA O. 92 O. 60 DENSIDAD g.cm-3 * y denota el valor de la propiedad y X el tamaño promedio del alambradopara cada fracción.

Es de importancia conocer las propiedades geométricas del bagazo paradel elproceso diseño de secado, pero también son de utilidad para otros procesos como combustión, transporte neumático y clasificación, separación ciclónica y almacenamiento. Las tres básicas dimensiones lineales fueron medidas con nueve muestras de bagazo entero, el cual tuvo que ser clasificado por un alambrado y subclasificado por separación visual, como se puede observar en la tabla las dos subfracciones. La sub-fracción A corresponde a partículas con alta longitud, razón de ancho y consistiendo principalmente del tejido de la fibra. Para la sub-fracción B comprende partículas con longitudes significativamente inferiores, relación de ancho, consistiendoprincipalmente de medula esponjosoy con no bajo contenido de fibra. Hay muypocos datos con que comparar los resultados, con respecto a la superficie especifica Boizan obtiene valores de 33.48 y 34.80 cmYcm3 para un promedio de diámetro de/ alambrado de 1.595 mm usando dos variaciones del método de Ergun's. El cual es considerablemenfe bajo con respecto a los valores de 48.95 y 39.27 que fueron obtenidos para las sub-fracciones A y B respectivamentepara un tamaño promedio de l.5958 mm de alambrado. Blanco y Ramírez con un método picnométrico reportan valores promedios para la densidad de 1.53g.cm-3 para el bagazo con agua saturada. Posteriormente Grobart usando un valor de 80% ypara contenidos críticos de humedadde bagazo entero y considerando que 1 cm3 de bagazo saturado de agua contiene l.5 3 ~ 0 . 8 0= O. 31g/cm3, el cual es el valor obtenido usando la ecuación para la sub-fracción A dentro del estudio para un promedio de abertura del alambrado de O. 414 mm. Cabe mencionar que esta sub-fracción consiste de fibras individuales o fibras finas, por lo tanto la densidaddebe ser similar a la reportada por Blanco y Ramírez5. Entre los puntos importantes de esta investigación de lasdimensiones del bagazo son: *

Los resultados del estudio difieren con previas investigaciones probablemente por que las diferencias en el material estudiadoy del uso de métodos mas directos de mediciones dentro del caso, el cual debe dirigir a resultados mas precisos. * El uso de los valores y de correlaciones matemáticas es recomendable para estimaciones de comportamiento de partículas de bagazo retenidas por alambrados con aberturas de 0.847 mm y más grandes. * Cualquier uso de esas propiedades de predecir el comportamiento de partículas de bagazo, deberá tomar en cuenta el numero de fracciones separadas, ya que como global para valores de sus propiedades no son consistentes, mientras para valores de fracciones individuales todos son de buena concordancia.

*

Estas confirmaciones de utilidad de subclasificación visual en orden, se obtienen

resultados más precisos. * En comparación de muestras, no fueron posibles determinar diferencias de propiedades de geometría o densidad resultando del tipo de caña (dura, mediana o suave).

COMPOSlCldN DEL BAGAZO DE CAQA DE AZúCAR

El bagazo es un material fibroso que proviene de la moliendade la caña de azúcar, se sabe que su contenido de humedad despuésde este proceso es de aproximadamente de 50%, el bagazo como anteriormente se había mencionado puede emplearse como combustible, alimentación, materia prima para la producción del papel, etc; Cuando se utiliza como combustible, en ocasiones se adiciona combustible con el fin de proporcionar energía para eliminar la humedad. Según el análisis químico del bagazo proporciona su composición según6: % Peso

elemento

44.47

C

6.30

H2

49.70

02

7.40

Ceniza

Poder Calorífico del bagazo es de 8 390 BtuAb Estos valores son obtenidos para el bagazo completamente seco, es por eso que se propone un modelo de la ecuación química de combustión para el bagazo de caña con la composición obtenida, bajo ciertas circunstancias que a continuación se especifican:

7. 2.

Se utiliza como Único combustible el bagazo. El bagazo esta completamente seco. 3. El aire para la combustión no contiene humedad. 4. La ceniza que contiene el bagazo es un inerte en el sistema. 5. Todo el hidrogeno que esta presente en el bagazo se transforma en agua. 6. Solo se requiere el oxigeno teórico debido a que el bagazo contiene en gran cantidad

oxigeno. Por lo tanto la ecuación química esta dadacomo sigue:

Si hacemos un balance de masa para cada elemento tenemos: C:

3.705 = b + d

H2:

3.15(2 )= (2)c

N2:

3.76(a) = e

02:

l .553(2)+ 2(a) = 2(b) + c +d

además sabemos que para obtener el oxigenoteórico requerimos de: Ot = 2.67(C) + 8(H2) + S - 02. por lo tanto el oxigeno teórico es:

Ot = a = 3.73 moles. b = 3.7 moles. c = 3.15 moles. d = 0.005 moles. e = 14.03 moles. la ecuación final estequiométrica para el bagazo es:

composición de los gases de salida COMPUESTO FRACCIóN O. 2625 O. 1771 c02 o.0002 o.0002 co

MOLAR % PESO

H20 N2

O. 7 508 O. 6717

0.0974 O. 6457

Es necesario tener una carta psicométrica de gases de combustion-agua que nos va a indicar los limites a que pueden operarlos equipos en este proceso de secado, para ello la construcción de la carta se obtuvo de las ecuaciones anteriormente descritas. El rango de importancia paraesta carta con respecto a las temperaturas de bulbo seco es de 70°C hasta 95OC por que aproximadamente los gases de chimenea salen a un temperatura inferior a 2OO0C,para poder determinarla presión del vapor de agua en este rango la expresión. se utiliza

T: Temperatura ala que se quiere saberla presión de vapor de agua, PC) P*: Presión del vapor de agua (mmHg) Donde A, B y C son constantes para determinadas sustancia, para nuestro caso que es agua los valores son: Para rangos de O - 6OoC

A = 8.70765 B = 1750.286 C = 235.0

Para rangos de 60 - 75OOC A = 7.96687 B = 1668.21 C = 228.0 A la presión de referencia que se va a construir la carta psicométrica corresponde a Cuernavaca, con una altura de 1280 metros sobrenivel el del mar, para poder determinar su presión atmosférica existe la relación con la presión a nivel del mar.

Po: Presión atmosféricaal nivel de mar. a: Constante ( a = O. 7 16 Km-I). y: Altitud de la ciudad con respecto al nivel de mar.

Por lo tanto presión la atmosférica en Cuernavaca utilizando la expresión es de655 mmHg.

EXPLOSIONES DE POLVO DEL BAGAZO

Cuando se seca el bagazo empieza a desprender un polvofino (partículas de bagazo), el peligro de la explosión de polvo se presenta cuando se procesan, acumulan o almacenan. Una explosión de polvo laescombustión rápida de una nube de partículas, en donde el calor se genera a velocidad más alta que conla que sedisipa. En un espacio cerrado, la explosión se caracteriza por el desarrollo relativamente rápido de presión, que produce grandes cantidades de calor y productos dereacción. Para que se pueda presentar una explosión de polvo debe existir dos condiciones muy importantes: * Se necesita la presencia simultánea de una nube de polvo de concentración adecuada de aire o gas, que alimentela combustión. * Y una fuente de ignición. El polvo es considerado partículas de materiales de diámetro menor a 0.016 plg. que pasan a través de la malla estándar No.40 es decir de 420 micrómetros. COMPOSICIÓN DEL POLVO: En muchas ocasiones el fuerza de la explosión del polvo varia con respecto a su propiedades física. * Lahumedady la cantidaddemineralesdisminuyen * El calor especifico, facilidad de oxidación, calor de

polvo no es un compuesto puro, la composición química y ciertas la probabilidadde explosión.

combustión y requerimientos de oxigeno influyen en la posibilidad de una explosión de polvos.

TAMAÑO DE PARTíCULA Y ARREA SUPERFICIAL: La posibilidad de una explosión se incrementa al disminuir de tamaño la partícula,debido a que tienen una área superficial mayor, se dispersan mas fácilmente en una nube,o sea sonmás volátiles, se mezclan mejorcon el aire y se oxidan más rápidamente quelas partículas mayores. INTERVALO DE EXPLOS16N: Este intervalo nos lo indica la concentración de polvo con oxigeno, el limite inferior de explosiónesta bien definido, mientras que para limite el superior a veces estaindeterminado, en general, para el intervalo de concentración con posibilidad de explosión es según Harry C. Verakys y John Nagy7 deO. 015 o mayores que I O oz/pie3 ( I O kg/m3), mientras que para producir las más fuertes explosiones el rango es de

aproximadamente de O. 5 a 1.O oz/pie3

CONCENTRACldN ATMOSFÉRICA DE OXIGENO: cuando el oxigeno es menor en la atmósfera la presión y la velocidad con que se desarrolla está disminuyen, al igual que la sensibilidad de ignición de los polvos. Por lo tanto para la mayoría de los polvos, pueden evitarse la explosióny la ignición al reducir la concentración de oxigeno hasta valor un seguro. Harry C, Verakys y John Nagy7 empleando bióxido de carbono como diluyente, la reducción del oxigeno en la atmósfera es suficiente con el 1I % para evitar la ignición por chispa para todos los polvos probados por ellos, excepto para los metálicos. También sirven como diluyentes el nitrógeno, argón, freones, helio y vapor de agua. La concentración limite de oxigeno disminuye, a medida que el polvo se hace más fino , la concentraciónlimite del oxigeno varia ligeramente con la concentración polvo del y es mínima a concentraciones comprendidas entre dos y cinco veces la mezcla estequiométrica.

REFERENCIAS

1.-INTERNATIONAL JOURNAL SUGAR, Octubre de 1983, pp 291 - 294.

2.- ibid., (3), pp 37-42. 3.- ANALISIS CHEMICAL, 1951, 23, (I), 151 et seq. 4.- ibid., 1952, 24, (2), 388 et seq. 5.- SOBRE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR (ICIDCA), 1980, 14, pp 34-38. 6.- M. D. Schlesinger COMBUSTIBLES Y HORNOS, sección 7, pp 7-12 a 7-14.

7.- Harry C. Verakys y John Negy COMBUSTIBLES Y HORNOS, sección 7, pp. 7-25 a 7-33.

ECUAC16N DE LA CONSTANTE DE SECADO PARA EL BAGAZO DE CAÑA

La correlación para el coeficiente de transferencia de masa en función de la temperatura, velocidad del aire, tamaño departícula y humedad del aire.

T: S: V: H:

Temperatura del aire/gas secante. Tamaño de la partícula. Velocidad del aire. Humedad del aire/gas

Coeficiente de correlación múltiple fue de O. 973 Coeficiente de determinación es de O. 947 DISENO DEL SECADOR QUE TRABAJA CON GASES DE COMBUSTIÓN

Para poder diseñar un secador de bagazo es necesario conocer las necesidades de un ingenio azucarero, así como las condiciones de operación del equipo por donde entran los gases de chimenea y el bagazo de caña húmedo, en una fabrica de azúcar las calderas liberan a la atmósfera un gran volumen de gases de combustión a temperaturas bastante altas (3OOOC). A continuación se especifican las condiciones de operación del secador:

SUPOSICIONES DE PRODUCCIóN DE UN INGENIO AZUCARERO PRODUCCIÓN DEL INGENIO TONELADAS DIARIAS Caña de azúcar a molienda. 6,000.0 Bagazo de caña húmedo. 1,200.0 Gases de combustión 3,916.8 Contenido de humedad en bagazo 54%

Con la carta de psicométrica para gases de combustión con agua realizada a la presión atmosférica de Cuernavaca, se puede determinar las condiciones de los gases a la entrada y salida del secador, siendo los siguientes.

La humedad en los gases a la entrada son:

Como ya se había mencionado anteriormente la temperatura de salida de los gases de chimenea de la caldera alcanzan hasta los 3OO0C,por lo que la temperatura de los gases de combustión a la entrada del secador se suponede 250OC. Conociendo la humedad de entrada y la temperatura de bulbo seco de los gases se puede determinar el primerpunto enla carta de humedad, si se avanza sobre línea la de temperatura de saturación adiabática se conoce el punto rocío. de Por lo tanto la temperatura de salida de

los gases debe ser mayor a la temperatura de rocío y así se determinan las condiciones de salida del secador.

A continuación en la tabla siguiente se dan las condiciones de entrada y salida de los gases de combustión:

CONDICIONES DE LOS GASES ENTRADA Temperatura 25OOC 115OC O. 100 O. 175 Humedad Punto de rocío 6OoC 6OoC Humedad relativa ------- -------

SALIDA

Para determinar las condiciones de entrada y salida del sólido es necesario plantear las ecuaciones de balance de calor y balance de materia, como se ve en la siguiente figura: Figura 2. Diagrama de flujo de un sistema de secamiento de bagazo por hora.

Calor de los gases de combustión:

COMPUESTO CALOR ESPECIFICOBtuAb O F Bióxido de Carbón 0.210 0.0002 Monóxido de Carbón 0.249 O. 1771 Nitrógeno O.248 O. 6767 Agua 0.447 O. 1508

FRACCION MOLAR

Para encontrar el contenido de humedad en el bagazo es necesario conocer la cantidad de agua evaporada.Por lotanto:

La cantidad de humedad con que sale el bagazo del secadores:

CALCULO DE LA MEDIA LOGARITMICA DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURAS

El calculo de la media logarítmica de la diferencia de temperaturasse realiza con losdatos de las temperaturas de entrada salida y tanto de los gases de combustión como del aire, que ya hansido determinados idealmente suponiendo algunos valores, por lo tanto este valor de MDL T puede variar si cambian algunas condiciones antes propuestas. Flujo a contracorriente:

FLUIDOCALIENTEFLUIDO

FRíO

Por lo tanto el MDLT es:

PRUEBA DE SENSIBILIDAD

Flujo MásicoTon/HrTemperaturadesalida AguaEvaporadaTon/hr Agua en el bagazo Ton/Hr 98 30180 5.10 11.21 32.8 10.83 32.0 5.48 98 25180 11.96 34.2 4.35 98 40180 180 50 12.70 35.6 3.60 98 13.46 36.9 2.85 98 60180 160 30 98 11.78 33.8 4.54 12.06 34.4 4.25 98 30 150 98 30 140 3.97 12.35 34.9 12.44 35.1 3.87 98 40 160 12.68 35.5 3.63 98 40150 12.93 35.9 3.89 98 40140 105 10.68 5.63 31.7 30 180 105 11.43 4.88 33.2 180 40 160 30 105 5.00 11.31 32.9

aire OC

Temperaturadeentradaaire % de Humedad

OC

Las variaciones que se observan con respecto al flujo y la temperatura desalida del aire son las siguientes: Con respecto ala temperatura:

Con respecto al flujo másico:

CONDICIONES DE OPERAClbN PARA EL SECADOR CON AIRE Estas condiciones finales nos indican el contenido de humedad del bagazo al termino de todo el proceso, que incluye el secador que opera con los gases de chimenea, que son los datos conocidos de entrada para el bagazo de caña; mientras que las condiciones de entrada del aire se determinan por los valores obtenidos a la salidadel intercambiador, sin tomar en cuenta las perdidas que hay delintercambiador al secador, así como del primer secador al intercambiador. En este secador como en el anterior como no se conocen los requerimientos de la planta industrial (Ingenio Azucareros), ni las condicionesdel lugar, se suponena continuación los valores que son en particular de cada ingenio y por lo tanto datos de la planta, que al igual se utilizaron para conocer las condiciones de operación para el intercambiador de calor:

SUPOSICIONES DE LAS CONDICIONES CLIMÁTICAS DEL LUGAR CONDICIONES DEL LUGAR DATOS DEL LUGAR Temperatura ambiente del aire ("C) 25.O Humedad del aire seco

Si sesupone un aireseco totalmente y con la temperatura de entrada del aire alsecador se pueden determinar el primer punto con la ayuda de la carta psicométrica del aire a la presión atmosférica de Cuernavaca, si se avanza sobre la línea de saturación adiabática se conoce la temperatura de rocío para determinar el limite hasta el cual puede trabajar el secador, debido a que si disminuimos la temperatura después de la temperatura de rocío se presenta el condensado del vapor de agua hacia el bagazo de caña. Como se había mencionado anteriormente se obtuvieron los de entrada datos tanto del bagazo de caña como del aire que se muestran en la siguientetabla:

CONDICIONES DE ENTRADA DATOS OBTENIDOS Flujo de aire (Ton/hr) 180 Temperatura del aire ("C) 98 Cantidad de agua en el bagazo (Ton/hr) 16.32 Por ciento de humedad (%)Punto de rocío ("C) 41.527

Conociendo la cantidad de agua a la salidadel secador: Calor del aire:

Para encontrar el contenido final de humedad en el bagazo tenemos que conocerla cantidad de agua evaporada, por lo tanto:

Total de agua = 27 Ton

- 10.68 Ton -

4.5 Ton = 11.81 ton de agua en elbagazo

La Cantidad de humedad con que saleel bagazo del secadores:

= 23 tons Bagazo Seco = 11.81 tons Cantidad de Agua = 34.81 tons Bagazo Húmedo Porciento de humedad = 33.9 %

DIMENSIONES DEL SECADOR ROTATOR10 QUE TRABAJA CON GASES COMBUSTldN

DE

Sabemos que el tiempo de paso de un partícula por un secadorrotatorio esta dado por:

Para el secador con gases de combustiónpodemos tomar los datos de la gráfica 1 curva de secamiento en función de la humedad del aire, temperatura del aire 17OoCy un tamaño de partícula de 0.45 cm. Para tener una aproximación del tamafio del secador rotatorio ya que no se cuentan con los datos experimentales con gases de combustión.

Las velocidades de masa de aire varían por lo común de 0.5 a 5 kg/ m2.s en secadores industriales; en este proceso el flujo de los gases esde 45.5 kg/m2s total, lo que hacemos es dividir el flujo total de los gases en I O equipos (secadoresrotatorios) para tener un flujo de gases dentro de los diseños comerciales:

De la gráfica 2 observamos que el tiempo que necesita una partícula de bagazo de caña, para reducir se humedad de 54% hasta una humedad del 41.5% es de aproximadamente de 90 a 100 seg que debe permanecer dentro del secador, es importante observar que este valor es para aire y no para gases de combustión por lo que es necesario corregirlo con curvas de secamiento con gases de chimenea.

El volumen del secador es:

De las recomendaciones comerciales se sugiere que el volumen ocupado por el bagazo de caña dentro del secador sea entre un I O y 20 % del volumen total del secador rotatorio. Para partículas del bagazo y el secado sea que el flujo de aire o gases de chimenea pase entre las uniforme. El volumen de bagazo en un tiempo de f . 66 min, que corresponde a un solo equipo (secador), el flujo de bagazo es de 5000Kg/hr en una sola unidad, por lo tanto:

La densidad del bagazo de caña se puede obtener por medio de la tabla I que tiene correlaciones para obtener propiedades geométricas y densidad del bagazo.

X: Tamaño de la malla o pantalla.

Relacionamos el volumen del bagazo de caña con elvolumen del secador para encontrar el porcentaje de sólido ocupado.

La forma de la aspa esradial, es decir, de 90' mientras que laaltura de la aspa oscila entre 1/12 y 1/8 del diámetro, esto es, de 8.98cm hasta 13.475 cm para este diseño. Con respecto al volumen ocupado esta dentro de los limites comerciales.

DIMENSIONES DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR

GASES DE COMBUSTION-AIRE

FLUIDO CALlENTEGases de Combustión FLUIDO FRíOAire Diferencia 135 OC Tl Temperatura alta 90 OC 45t2 OC T l - t2 55 OC Temperatura T2 baja 25 OC t l 3 0 OC Tt 2l 80 OC ( T I - T2) Diferencias 65 OC (t2 - t l ) 15 OC

La composición de los gases cambian debido a que el agua evaporada del bagazo en el secador rotatorio es arrastrada por los mismos gases, esdecir, el vapor de agua aumenta en los gases de combustión. En la siguiente tabla semuestra la composición de los gases a la entrada del intercambiador de calor y su capacidad calorífica correspondienteevaluadas a una temperatura de 95OC, ya que la diferencia de temperatura no es muy grande se puede utilizar un promedio de las capacidades caloríficas.

Gases de chimenea Composición molar Monóxido de carbono O. 1662 0.25 Dióxido de carbono O. O1 0.22 O. 6351 O. 25 Nitrógeno vapor de agua O. 2029 O. 49 El calor de los gases es

Capacidad caloríficaBtuAbOF

El flujo másico de aire que necesito para enfriar los gases de combustión es.

Cabe señalar que solamente se esta analizando un unidad, ya que para este proceso los requerimientos de la fabrica que se supusieron desde un principio, se necesitan I O equipos de secadores rotatorios y por lo tanto I O intercambiadores de calor. Ahora calculamos los parámetros R y S para saber

De la figura 19 para factores de corrección de la MDL Tl. Un intercambiador de I pasos en la coraza y 2 pasos en los tubos dan un factor menor de 0.75 no es practico utilizarlo es aconsejable buscar otro arreglo, mientras queun intercambiador de 2 pasos en la coraza y 4 en los tubos tiene un factor de O. 8. El intercambiador 2-4 convencional será satisfactorio para gases de chimenea-aire. El tamaño del equipo, el numero de tubos, el diámetro de la coraza y de los tubos estas dimensiones nos la van a indicar la caida de presión permisible que existe dentro de los tubos y en la coraza, en la practica industrial se usantubos de Iplg de diámetro exterior de I4 B WG en arreglo de cuadro. Para que los gases tengan la velocidad necesaria para pasar por todo el proceso y requerimientos del compresor que losva a impulsar. Por lo tanto la caida de presión en los tubos y coraza son.

Caida de presión en los tubos

Caida de presión en la coraza

L:

Longitud del tubo (=) pies. Número de pasos. Gt: Velocidad de masa en los tubos (=) Ib/hr pie2. (=) pies. De: Diámetro equivalente S: Gravedad especifica del fluido Razón de viscosidad. f: Factor de fricción adimensional. N+? Número de cruces. Ds: Diámetro de la coraza (=) pies.

n:

V: Velocidad g: Aceleración de la gravedad subindices S: coraza. t: tubos.

(=) pieheg (=) pie/plg2.

DIMENSIONES DEL SECADOR ROTATOR10 QUE OPERA CON AIRE

Ahora procedemos a calcular la longitud y el diámetro del segundo secador, para esto conocemos el flujo de calor del aire que entra en una unidad, así como la cantidad de agua evaporada. Realizamos un balance da masa general para conocer la humedad final del bagazo a la salida del secador, si tenemos 70 sistemas (secador gases combustión - intercambiador de calor - secador aire)

Las seis unidades se refieren a que solamente se ocupara elcalor cedido por el aire de seis intercambiadores, es decir, que con seis equipos de intercambio de calor se llenan los requerimientos de secado del bagazo, mientras que losotros cuatro equipo pueden ayudar al proceso en forma de precalentar el aire para las calderas, también se pueden utilizar para precalentar el agua que va a la caldera para aumentar laeficiencia de la caldera o boiler.

La cantidad de agua en el bagazo al final del proceso es de 27tonlhr- IO.68 ton/hr del primer secado y menos las 4.8 ton/hr del segundo secado. Por lo tanto la humedad final del bagazo es del 33.37% ocupando nuevamente la gráfica 2 de curva de tiempo de secamiento en función de la humedad del aire; tenemos que el tiempo por deelpaso secador de un humedad inicial de 41.5%hasta un humedad finalde 33.37% es de 75 a 80 segundo.

Sabemos que el tiempo de paso de un partícula por un secadorrotatorio esta dado por:

Para el secador con aire podemos tomar los datos de la gráfica 2 curva de secamiento en función de la humedad del aire, temperatura del aire 17OoCy un tamaño de partícula de O. 45 cm. . Las velocidades de masa de aire varían por lo común de 0.5 a 5 kg/ m2.s en secadores industriales; en este proceso el flujo de los aire para una sola unidad es de 8.22 kg/ m2.S total, lo que hacemos es dividir el flujo total de una unidad endos unidades, por lo tanto se tendrán en total 12 equipos (secadores rotatorios) para tener un flujo de aire dentro de los

diseños comerciales (4.1 lkg/m2.s).

El volumen del secador es:

De las recomendaciones comerciales se sugiere que el volumen ocupado por el bagazo de caña dentro del secador sea entre un 1O y 20 % del volumen total del secador rotatorio. Para y el secado sea que el flujo de aire o gases de chimenea pase entre las partículas del bagazo uniforme. .33 min, que corresponde a un solo equipo (secador), El volumen de bagazo en un tiempo lde el flujo de bagazo es de 3276Kg/hr en una sola unidad, lo portanto:

La densidad del bagazo de caña se puede obtener por medio de la tabla I que tiene correlaciones para obtener propiedades geométricasy densidad del bagazo.

X: Tamaño de la malla o pantalla.

Relacionamos el volumen del bagazode caiia con elvolumen del secador para encontrar el porcentaje de sólido ocupado.

La forma de la aspa es radial, es decir, de 90' mientras que la altura de la aspa oscila entre 1/1 2 y 118 del diámetro, esto es, de 6.66cm hasta 1O cm para este diseño. Con respecto al volumen ocupado esta dentro de los limites comerciales.