Perfil De Tesis Robert.doc

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA ESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA

PROYECTO DE TESIS I.

PALABRA CLAVE

:

TRANSPORTE NEUMÁTICO – FLUJO DE FLUIDOS – SIMULINK - MATLAB Tema

:

Transporte de Fluidos

Especialidad

:

Ingeniería Química

Objetivo

:

Simular el transporte

neumático de material particulado de granos de cereales, a partir de los balances de cantidad de movimiento y masa para las fases involucradas en el proceso aire - sólidos. Metodología

:

Variable independiente

:

Diámetro

Simulación

de

partícula,

caudales

,

temperatura del aire. Variable dependiente

:

Perfiles de velocidad para las

fases sólida y gaseosa, tiempos de residencia y caídas de presión.

II.

GENERALIDADES 1.

Título: "SIMULACIÓN

DEL

OPERACIONALES

EFECTO

EN

EL

DE

LOS

TRANSPORTE

PARÁMETROS NEUMÁTICO

DE

CEREALES ATRAVÉS DE DUCTOS CILÍNDRICOS MEDIANTE SIMULINK " 2.

TIPO DE INVESTIGACIÓN Aplicada, puesto que se harán los primeros esfuerzos para desarrollar tecnología de procesos, básicamente en la industria alimentaria dentro de 1

nuestra Facultad.

3.

TESISTAS Tesista 1 Nombre

:

Roberts Rocca Acevedo

Código de matrícula

:

511602507

Teléfono

:

992883478

e-mail

:

[email protected]

Dirección

:

bbbbbbbbbbbbbbbbb

Nombre

:

Jesset Isaias Valle Anticona

Código de matricula

:

gggggggg

Teléfono

:

949161427

e-mai

l:

vvvvvvvvvv

Dirección

:

bbbbbbbbb

Nombre

:

nnnnnnnnnnnnnnn

Categoría y dedicación

:

Prof. Principal D.E.

Título Profesional

:

Ingeniero Químico

Grado académico

:

Dr. Ciencias e Ingeniería

Departamento Académico

:

Ingeniería Química

Teléfono

:

e-mail

:

Dirección

:

Tesista 2

4.

5.

ASESOR

LUGAR DE EJECUCIÓN DEL PROYECTO UNT:

Centro de Cómputo de Post Grado de la UNT y de la Facultad de Ingeniería Química - LABCI. Laboratorio de Análisis y Simulación de Procesos. Biblioteca de Post Grado de la UNT. 2

6.

PRESUPUESTO

7.

DURACIÓN DEL PROYECTO INICIO:

Junio del 2013

TERMINO: 8.

Diciembre del 2013

CRONOGRAMA DE EJECUCIÓN DEL PROYECTO

Etapas a.

Inicio

Recolección

de

Junio

Término

Dedicación semanal

Julio

6h

Octubre

6h

datos b.

Experimentación

y

análisis

Agosto

de Noviembre Diciembre

6h

resultados. c

.Redacción

del

informe

9.

Recursos Disponibles: 9.1

Personal - Autores del Proyecto - Asesor

9.2

Recursos Materiales y equipos - Computador Pentium 2.1 GB - Memoria USB 8 GB - Impresora Epson LX-810 L - Materiales de Escritorio - Papel Bond A – 4. - Simulink - Matlab – MATLAB V 10.1

9.3

Servicios - Biblioteca de Ingeniería Química - Biblioteca de Ingeniería - Internet 3

10.

PRESUPUESTO

10.1

MATERIAL NO DISPONIBLE Partida ---

Descripción

Monto (S/.

%

Software Simulink

200,00

8,16

Capacitación en Simulink

500,00

20,41

Material de impresión

300,00

12,24

Material de escritorio

250,00

10,20

Material de instalación eléctrica

500,00

20,41

Congresos, eventos científicos

400,00

16,33

300,00 s/.2450,00

12,24 100,00

Fotocopias TOTAL

11.

FINANCIAMIENTO Autofinanciamiento

4

II.

PLAN DE INVESTIGACION 1.

ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN CIENTIFICA

Sistemas de transporte neumático se utilizan ampliamente en la industria para

transportar

materiales

secos,

finos

y

a

granel

porque

son

extremadamente versátiles, adecuados y económicos para muchos procesos. El transporte neumático de sólidos se ha practicado por más de un siglo en el mundo y hoy se puede encontrar sistemas de este tipo en las más variadas industrias: la minería, industria del cemento y construcción, química y farmacéutica, plásticos, de alimentos, papel, vidrio, energía, etc. Por ejemplo, el transporte y descarga neumática de cemento, cal, azúcar, pellets plásticos en camiones a granel presurizados; y sistemas similares para carbón pulverizado que alimentan calderas y hornos; sistemas de transporte neumático de fertilizantes, yeso, coke, cenizas, sal, alimentos, granos, aserrín, etc. en plantas de procesos; sistemas de captación y transporte neumático de polvo; etc. El objetivo principal de un sistema de transporte neumático es transportar materiales sólidos a granel desde un punto a otro por medio de un flujo de gas a presión, ya sea positiva o negativa, y a través de una tubería. Materiales particulados finos en el rango de los micrones hasta partículas de 20 mm se pueden transportar en forma horizontal y/o vertical, desde algunos metros hasta máximo dos kilómetros de distancia, y con capacidades de hasta 1000 t/h a través de tuberías de hasta 500 mm de diámetro. La principal ventaja del transporte neumático de sólidos a granel es que los sistemas son cerrados, y por lo tanto, no-contaminantes. El material transportado se “encierra” totalmente dentro de la tubería, lo cual proteje al 5

producto del medio ambiente y viceversa (al medio ambiente del producto en caso de transportar materiales peligrosos, explosivos, tóxicos, biológicos, etc.). Además, son sistemas muy limpios, adecuados para muchos y variados procesos, flexibles para cambiar de dirección, requieren de un reducido espacio y son fáciles de automatizar. Dentro de las desventajas es importante destacar que no todos los materiales particulados se pueden transportar neumáticamente a través de tuberías, sino sólo aquellos materiales secos, no cohesivos, de fácil escurrimiento libre por gravedad, y relativamente finos. Materiales frágiles pueden sufrir de excesiva atrición y materiales abrasivos pueden causar desgaste prematuro en las tuberías y codos. Otras limitaciones del transporte neumático son el tamaño máximo de partícula, la capacidad máxima de transporte, la distancia a transportar y el mayor consumo de energía. Hoy en día se pueden encontrar sistemas de transporte neumático en las más diversas industrias. Incluso existen algunas aplicaciones algo inusuales como el transporte neumático de gallinas vivas en granjas, transporte neumático de botellas plásticas y/o latas de cerveza, transporte neumático de cubos de hielo en minas subterráneas en Sudáfrica, transporte de pellets para alimentar salmones, etc. Una aplicación muy común en nuestro país es el uso de camiones tolva presurizados para el transporte a granel de diversos materiales tales como cal, cemento, carboncillo, azúcar, harina de pescado, yeso, etc. y en que la descarga de la tolva a los silos de almacenamiento se realiza en forma neumática. 6

1.1

Sistema de fase diluida y baja presión Diversos tipos de sistemas existen para el transporte neumático de materiales sólidos a granel, incluyendo sistemas abiertos o cerrados, de presión positiva o negativa, de flujo diluido o denso, continuos o batch, etc. Actualmente, los sistemas de transporte neumático de baja presión positiva, continuos, de alta velocidad y fase diluida, son los más usados en la industria debido a su mayor capacidad de transporte en cuanto a flujo, mayores distancias de transporte, el flujo es muy estable y se puede controlar y regular fácilmente, y porque permiten transportar materiales desde un punto de alimentación a varios puntos de descarga. Por lo tanto, en el presente trabajo se estudiará este tipo de sistemas de transporte neumático. A modo de ejemplo, la Figura 1 muestra esquemáticamente los componentes básicos de un sistema de transporte neumático en fase diluida, continuo y de baja presión positiva (inferior a 1 bar).

Figura 1 Sistema continuo a presión en fase diluida 7

En este tipo de sistemas de transporte neumático, el material es transportado en suspensión dentro de la tubería, las partículas se distribuyen uniformemente en toda la sección transversal de la tubería (flujo homogéneo), la concentración de sólidos es relativamente baja (inferior a 10 kgs de sólidos por kg de gas) y la velocidad de transporte es relativamente alta. El soplador provee el flujo y la presión de aire necesario para transportar al material desde el punto de alimentación hasta el punto de descarga. El alimentador introduce las partículas sólidas dentro de la tubería donde se mezclan con el gas de transporte y a un flujo controlado para evitar sobrecargar la línea. Sistemas de presión positiva requieren de un mecanismo de sello para alimentar el material (generalmente a presión ambiente) dentro de la tubería que está presurizada. En el ejemplo se muestra un alimentador de flujo másico (para asegurar flujo másico de descarga en el silo), una válvula rotatoria tipo ‘airlock’, una ye en la unión con la tubería, los silos de almacenamiento, la tubería, codos y un filtro de mangas. Cuando se desea hacer cambios oportunos en los procesos o seleccionar determinado equipo de proceso,

se requiere el

conocimiento de perfiles de velocidad, caídas de presión y tiempos de residencia lo cual a su vez requieren datos de la fase gaseosa por lo general aire, datos del material sólido y datos del equipo de conducción. Tener conocimiento de los perfiles de velocidad requiere de un 8

balance de masa, tanto para la fase sólida como para la fase gaseosa. El balance de masa para las fases sólida y gaseosa se pueden representar por las ecuaciones (1) y (2), respectivamente.





fase sólida

d  v  1-   A  0 dz p p

fase gaseosa

d  v A 0 dz g g





(1)

(2)

donde  representa la porosidad del lecho fluido, y A el área transversal del conducto. Para la cantidad de movimiento: Fase sólida Consideremos un segmento del conducto vertical de diámetro interno D. La velocidad del aire a la altura z desde la entrada del material es vg y la velocidad de la partícula húmeda es v p. Cada partícula en movimiento en la corriente de aire durante el transporte estará expuesta a la acción de las siguientes fuerzas: de gravedad (Fg), de empuje (Fe); la de arrastre (Fa) (Figura 1). Algunos autores consideran además, una fuerza debida a la fricción entre las partículas y la pared (Fp/p). Considerando una partícula que no está sometida a la influencia de las otras partículas durante su movimiento. Aplicando el balance de cantidad de movimiento para el material particulado, se tiene que

9

Fe Fa

Fg

Figura 1





d  v  1-   A v p  Fa  Fp/ p  Fe  Fg dz p p

(3)

Donde Fa, es la fuerza de arrastre, F g la fuerza de gravedad, F p/p, la fuerza de interacción partícula - pared y F e, la fuerza de empuje. Fase gaseosa A continuación desarrollaremos el balance de cantidad de movimiento para una sección de tubería de volumen V = A dz (Figura 2). Sobre este volumen estarán actuando las siguientes fuerzas debidas a: la gravedad, la presión, el arrastre y la fricción. De esta forma el balance de cantidad de movimiento estará dado por:





d  v  A v g  Fp  Fg  Ff  Fa dz g g

(4)

Donde Fa, es la fuerza de arrastre, F g es la fuerza de gravedad, F f es la fuerza de fricción y Fp es la fuerza de presión. Estos balances, junto a las propiedades y datos para el sistema de conducción seleccionado nos debe permitir la simulación del procesos de transporte neumático de cereales. 10

P z=z+z Ff

FA

vg Fg

z z=z

P A Figura 2

1.2 Software Simulink Simulink es una extensión de MATLAB para la simulación de sistemas dinámicos. Al ser un entorno gráfico, resulta bastante sencillo de usar. Para ejecutar Simulink, podemos teclear simulink desde MATLAB, o bien hacer clic en el icono,

en la barra de herramientas de MATLAB.

Nos aparecerán dos ventanas: una con las librerías de Simulink, y otra en blanco donde construiremos nuestro nuevo modelo. En la Figura 2, se muestran las librerías de simulink V 10.1.

Figura 2. Librerías de Simulink V 10.1

En cada uno de los grupos que aparecen en la Figura 2, estarán los 11

bloques necesarios para simular nuestro sistema de control. Asimismo, en la Figura 3 se muestra los bloques más comúnmente usados.

Figura 3. Bloques de Simulink más comúnmente usados

Para simular sistemas dinámicos se puede hacer uso del bloque continuo, que se presenta en la Figura 4.

Figura 4. Bloques de Simulink para sistemas continuos

Por lo que para diseñar y/o seleccionar un sistema nuevo de transporte neumático y/o para comprobar si un sistema existente opera

adecuadamente,

el

primer

paso

es

determinar

las

características físicas y de fluidez del material a manejar. Además, la 12

naturaleza del material a transportar es de vital importancia y puede limitar significativamente la elección de un sistema de transporte neumático. Es imprescindible conocer las siguientes propiedades: -

Tamaño de partículas: máximo, mínimo y la distribución

granulométrica, - Densidad y forma de las partículas, - Fluidez del material y su permeabilidad, - Otros: abrasividad,

toxicidad,

fragilidad,

dureza, reactividad,

compresibilidad, tendencia a segregarse, efectos electrostáticos, etc. Obtener respuestas rápidas, dado que en una operación siempre está en juego la economía del proceso, implica optimizar la operación, lo cual requiere de herramientas de simulación apropiadas para el usuario, las mismas que permitan una predicción o cálculo inmediato. Esto puede posibilitarse modelando el sistema de transporte en estudio e incorporando las propiedades de los materiales antes mencionados, se estructurará la simulación dinámica mediante Simulink. El programa permitirá

la simulación del transporte de

material granulado a través de un conducto de sección circular, donde el aire circule a cocorriente respecto del material sólido.

Las

ecuaciones a usar en la simulación del proceso, deberán provenir de los balances de masa y cantidad de movimiento

para el aire y el

material a transportar. Los balances se plantearan admitiendo las siguientes restricciones: flujo pistón, partículas esféricas, no hay interacciones partícula - partícula y comportamiento ideal de la fase 13

gas 2.

JUSTIFICACIÓN Se justifica el presente proyecto porque su formulación y desarrollo permitirá investigar las interrelaciones entre propiedades intrínsecas y extrínsecas del transporte heterogéneo de materiales sólidos como son

los cereales, usando el fluido aire. Su aplicación es real y

concreta en las operaciones de carga y descarga de material particulado, tanto en las industrias de productos balanceados, así como en y hacia los buques que operan en los diferentes puertos amazónicos y costeros del país. 3.

PROBLEMA ¿Será posible simular el efecto de los parámetros operacionales del transporte neumático de cereales a través de ductos cilíndricos mediante Simulink de Matlab?.

4.

HIPÓTESIS Simulink permite la simulación dinámica de procesos de transporte homogéneos por lo que también permite la simulación de procesos heterogéneos en este caso el de sólidos - aire.

5.

Objetivo general: Simular el transporte neumático de material particulado de granos de cereales, a partir de los balances de cantidad de movimiento y masa, para las fases involucradas en el proceso aire - sólidos.

14

5.1

Objetivos específicos: 1. Establecer los perfiles de velocidad para las fases gas y sólido y 2. Analizar la influencia de los parámetros operativos diámetro de partícula, caudales, temperatura del aire; sobre los tiempos de residencia y caída total de presión.

6.

METODOLOGIA DE TRABAJO 6.1

Material de estudio El material de estudio estará constituido por sistemas cereales – aire; entre ellos maíz, trigo, cebada, frijol, entre otros.

Información no disponible para el presente

estudio se obtendrá de las revistas o Journals de la agroindustria

e

industrias

alimentarias,

así

como

mediante búsqueda en Internet. La información adquirida se coleccionará en memoria USB para su uso en la simulación. 6.2

Métodos y técnicas Siendo el método el conjunto de pasos y etapas que debe cumplir una investigación, se usará el método científico el cual conjuga la inducción y deducción; es decir el pensamiento reflexivo para resolver el problema.

Siendo la técnica el conjunto de instrumentos con el cual se efectúa el método. Usaremos la técnica de la la observación estructurada, recolección de información 15

presentes en la web, libros, revistas especializadas, Journals,

cuadernos

de

notas

etc.

Los resultados serán numéricos, obtenidos mediante el simulador para el transporte convectivo; estructurado en Simulink .

7. POSIBLE CONTRIBUCIÓN E IMPACTO AMBIENTAL El estudio contribuirá en el área de simulación y diseño de procesos de transporte de fluidos no ideales, de aplicación concreta en las actividades industriales. Respecto al impacto ambiental, siempre que hay una actividad humana

se

producen

impactos,

pero

muchos

de

ellos,

frecuentemente la mayor parte, son despreciables; para que un impacto sea digno de atención debe ser significativo, afirmación respaldada por el Reglamento de Evaluación de Impacto Ambiental . Los estudios de impacto ambiental deben de identificar los efectos notables, los capaces de producir repercusiones apreciables en los factores ambientales.

16

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Cabrejos, F. et al., (2004). “Transporte Neumático de matriales Sólidos a Granel”, Congreso CONAMET/SAM, UTSM, Chile. Cabrejos,

F. G. and Klinzing, “Incipient Motion of Solid Particles in

Horizontal Pneumatic Conveying”, Powder Technology, Vol. 72 (1992), pp. 51-61. Felder, R.M., R.W., (2010). “Principios Elementales de los Procesos Químicos”, Limusa Wiley, México. Garcia, M.R., (2008).” Tecnología de Cereales”, Dpto de Ingeniería Química, Universidad de Granada. Jofré, M. I. “Diseño e Implementación de un Sistema Experimental para el Transporte Neumático de Materiales Sólidos a Granel”, memoria para optar al título de Ingeniero Mecánico Industrial, UTFSM, Oct. 2003. Mc Cabe, W.L., J.C. Smith, Peter Harriott (1998). “Operaciones Unitarias en Ingenieria Química”, 4tta Ed. Mc Graw Hill. Mott, R.L., (2006). “Mecánica de Fluidos”, 6ta Ed., Pearson Education, México. Regina, M. Murphy (2007).” Introducción a los Procesos Químicos”, ¡ Ed. , México. Sinnot, R., Gavin Towler, (2012). “Diseño en Ingenieria Química”, Ed. Reverté, España. www.mathworks.es/product/simulink

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Bach: Rocca Acevedo Roberts TESISTA

Bach: Josset I. Valle Anticona TESISTA

----------------------------Dr. ASESOR

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