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DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Y TRANSPORTE DE
MATERIAL SÓLIDO PARA PRODUCCIÓN DE CARBÓN ACTIVADO DE
LA PLANTA PILOTO TECSOL
DANIEL ALBERTO CIFUENTES CASTRO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ, COLOMBIA
2016
ii
DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Y TRANSPORTE DE
MATERIAL SÓLIDO PARA PRODUCCIÓN DE CARBÓN ACTIVADO DE LA
PLANTA PILOTO TECSOL
DANIEL ALBERTO CIFUENTES CASTRO
Trabajo de grado presentado bajo la modalidad “Investigación-Innovación”
para optar al título de:
Ingeniero Mecánico
Director:
Ing. MsC Germán Arturo López Martínez
Proyecto de Investigación:
Mejoramiento de la Planta Piloto de Carbón Activado de Tecsol para Explotación
Comercial
Grupo de Investigación:
Grupo de Investigación de Energías Alternativas de la Universidad Distrital –
GIEAUD
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ, COLOMBIA
2016
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Nota de aceptación:
____________________________
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______________________________ Firma del tutor
______________________________ Firma del jurado
Bogotá D.C., 01 de noviembre de 2016
iv
CONTENIDO
Pág.
1. INTRODUCCIÓN...............................................................................................................1
2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ........................................................................................2 3. JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................................4
4. ESTADO DEL ARTE .............................................................................................................4 5. OBJETIVOS ...........................................................................................................................7
5.1 OBJETIVO GENERAL. ....................................................................................................7 5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. ............................................................................................7
6. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................7 6.1 MATRIZ PUGH. ...............................................................................................................7
6.2 CÁLCULO DE TOLVAS..................................................................................................8 6.2.1 MÉTODO DE JANSSEN ....................................................................................8
6.2.2 MÉTODO DE PRESIÓN HIDROSTÁTICA ..................................................... 10 6.2.3 MÉTODO DE PESO DISTRIBUIDO ................................................................ 11
6.3 CÁLCULO DE TRANSPOTADORES DE TORNILLO SIN FIN. .................................. 11 6.4 DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORA CON SIEMENS NX 10. ......................... 14
7. METODOLOGÍA ................................................................................................................. 14 8. RESULTADOS ..................................................................................................................... 15
8.1 UBICACIÓN DE EQUIPOS EN LA PLANTA PILOTO .................................................... 15 8.1.1 DISEÑO DE ALTERNATIVAS DE DISTRIBUCIÓN DE PLANTA ...................... 15
8.1.2 SELECCIÓN DE LA MEJOR ALTERNATIVA DE DISTRIBUCIÓN DE PLANTA
.......................................................................................................................................... 17
8.1.3 CARACTERÍSTICAS DE LA MEJOR ALTERNATIVA DE DISTRIBUCIÓN DE
PLANTA ........................................................................................................................... 20
8.1.4 CUMPLIMIENTO DE OBJETIVOS CON LA PLANTA PROPUESTA .................. 20 8.2 INGENIERÍA EN DETALLE ......................................................................................... 21
8.2.1 DISEÑO DE TOLVAS Y SOPORTES ..................................................................... 23 8.2.2 DISEÑO DE TRANSPORTADORES ...................................................................... 26
8.4 COSTOS ESTIMADOS DEL PROYECTO .................................................................... 29
9. DIVULGACIÓN DE RESULTADOS EN EVENTOS ACADÉMICOS ................................ 30 10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 31
BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 31
v
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1 Reducciones de flujo en cada etapa del proceso de la planta.......................................... 22
Tabla 2 Capacidades nominales de las tolvas. ............................................................................ 22 Tabla 3 Seleción del diseño de tolvas. ....................................................................................... 23
Tabla 4 Dimensiones generales de las tolvas. ............................................................................ 24 Tabla 5 Esfuerzos calculados para cada tolva. ........................................................................... 24
Tabla 6 Capacidades y longitudes de los transportes de materia sólida. ..................................... 26 Tabla 7 Valores de potencia, velocidad, deflexión y dilatación térmica calculados para los
transportadores .................................................................................................................. 27 Tabla 8 Referencia y características de los motoreductores de los tornillos ................................ 28
vi
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1 Distribución en planta actual de los hornos para producir carbón activado. ....................2
Figura 2 Fotografía de la planta; horno de activación en primer plano, y carbonización al fondo. 3 Figura 3 Sistema de transporte de elevadores de cangilones.........................................................4
Figura 4 Esquema de un sistema de transporte con bandas sinfín. ................................................5 Figura 5 Sistema de transporte con tornillo sinfín. .......................................................................6
Figura 6 Esquema básico de un sistema de transporte neumático. ................................................6 Figura 7. Ejemplo de matriz Pugh. ..............................................................................................8
Figura 8 Diagrama de fuerzas al interior de la tolva .....................................................................9 Figura 9 Diagrama de fuerzas sobre la superficie del cono de la tolva........................................ 10
Figura 10 Salida de material sólido, entrada de quemador en horno (izquierda) y quemador tipo
flauta (derecha). ................................................................................................................. 18
Figura 11. Sistema de rotación de los hornos. ............................................................................ 19 Figura 12 Modelado 3D de la tolva de alimentación a horno de activación. ............................... 25
Figura 13 DriveGATE de SEW EURODRIVE – Selección del motoreductor ............................ 27 Figura 14 Distribución de equipos - Sistema de manejo de materia sólida ................................. 29
Figura 15 Escarapelas de ponencia de participación en el XIV Encuentro Regional de Semilleros
de Investigación................................................................................................................. 30
vii
LISTA DE ANEXOS
Pág.
Anexo I. Esquema de distribución de la planta actual ................................................................ 33
Anexo II. Esquema de distribución de planta – Alternativa 1 ..................................................... 34 Anexo III. Esquema de distribución de planta – Alternativa 2.................................................... 35
Anexo IV. Esquema de distribución de planta – Alternativa 2 con ajustes definitivos ................ 36 Anexo V. Esquema de distribución de planta – Alternativa 3 ..................................................... 37
Anexo VI. Esquema de distribución de planta – Alternativa 4 ................................................... 38 Anexo VII. Esquema de distribución de planta – Alternativa 5 .................................................. 39
Anexo VIII. Esquema de distribución de planta – Alternativa 6 ................................................. 40 Anexo IX. Matriz Pugh evaluada por un integrante del grupo interdisciplinario ........................ 41
Anexo X. Resultados de Matriz Pugh ........................................................................................ 42 Anexo XI. Cálculo de esfuerzos para la tolva de alimentación al secador. ................................. 43
Anexo XII. Cálculo de esfuerzos para la tolva de alimentación al horno de carbonización. ........ 44 Anexo XIII. Cálculo de esfuerzos para la tolva de alimentación al horno de activación. ............ 45
Anexo XIV. Planos de la tolva de alimentación a molino .......................................................... 46 Anexo XV. Planos de la tolva de alimentación a horno de carbonización .................................. 48
Anexo XVI. Planos de la tolva de alimentación a horno de activación ....................................... 50 Anexo XVII. Cálculo del tornillo transportador – Pila de materia prima a secador ..................... 52
Anexo XVIII. Cálculo del tornillo transportador – Tolva material seco a molino ....................... 53 Anexo XIX. Cálculo del tornillo transportador – Molino a tolva alimentación a HC .................. 54
Anexo XX. Cálculo del tornillo transportador – HC a tolva alimentación HA............................ 55 Anexo XXI. Cronograma del proyecto. ..................................................................................... 56
Anexo XXII Hoja de cálculo de costos de diseño, investigación, materiales y procesos. ............ 57 Anexo XXIII. Hoja de cálculo de costos de operación y mantenimiento de los equipos. ............ 58
1
1. INTRODUCCIÓN
Este trabajo hace parte del proyecto macro “MEJORAMIENTO DE LA PLANTA
PILOTO DE CARBÓN ACTIVADO DE TECSOL PARA EXPLOTACIÓN
COMERCIAL”, proyecto elegido en la convocatoria # 701 - Convocatoria para el apoyo
al desarrollo y validación precomercial y comercial de prototipos funcionales de
tecnologías biológicas, biomédicas y energéticas con alto potencial de crecimiento
empresarial 2014 de Colciencias. El cual está siendo desarrollado por la empresa TECSOL,
quien es el responsable del proyecto, y la Universidad Distrital a través de los Grupos De
Investigación En Energías Alternativas de la GIEAUD y Grupo De Investigación De
Sistemas Expertos Y Simulación SES.
El equipo de trabajo está integrado por el Ing. MSc. Pedro Oswaldo Guevara, Gerente de
I+D de TECSOL y líder del proyecto macro, el Ing MSc. Germán López Martínez profesor
de planta de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, líder del Grupo de
Investigación en Energías Alternativas (GIEAUD) de la Facultad Tecnológica, dos
estudiantes de Ingeniería Mecánica, de la Universidad Distrital, también pertenecientes al
grupo de investigación, cuatro estudiantes de ingeniería industrial de la universidad distrital
encargados de análisis de costos y mantenimiento, coordinados por el profesor Germán
Méndez de la Facultad de Ingeniería, y personal externo encargado de sistema control y
monitoreo del proceso de producción, seguridad industrial y derechos de propiedad
intelectual.
A lo largo del presente trabajo, se diseñarán los componentes del sistema de alimentación,
manejo y transporte de material sólido para producción de carbón activado a partir de
cuesco de palma, en la Planta Piloto de TECSOL ubicada en la ciudad de Soacha,
Cundinamarca. El tiempo máximo para le ejecución del proyecto de 6 meses; se debe
garantizar la producción de 50 kg/h de carbón activado con la planta funcionando 24h al
día.
En la actualidad, la planta de TECSOL cuenta con dos hornos rotatorios en los cuales se
ha realizado unas pruebas preliminares para la carbonización del cuesco de palma, y la
activación del carbón resultante mediante carga manual. Uno de los objetivos del proyecto,
consiste en optimizar del proceso general para la obtención de carbón activado.
El diseño de alimentación, manejo y transporte del material sólido consiste en:
Planteamiento de al menos cinco alternativas distintas y selección de la alternativa
más adecuada para desarrollar el diseño.
2
Evaluación técnica de los elementos que actualmente posee TECSOL para ser
reutilizados y de ser necesario, plantear mejoras a dichos elementos.
Diseño y cálculo de las tolvas de alimentación del sistema
Diseño y cálculo del sistema de transporte en cada tramo, dependiendo del caso,
puede ser un sistema con tornillo sinfín, banda transportadora, cinta transportadora,
cadena con canjilones, etc.
Diseño y cálculo de recipientes para recepción de producto terminado y materia
prima.
Por último, realizar una simulación por elementos finitos para validar los cálculos de
diseño.
2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Actualmente la planta piloto está conformada por dos hornos rotatorios (uno para
carbonización de 6 m de largo y 0,7 m de diámetro interno, con capacidad entre 50 a 100
kg/h de y otro para activación de 4,8 m de largo y 0,85 m de diámetro interno cuya
capacidad es entre 25 a 50 kg/h) de operación y control manual. El área de la planta es de
102 m2 (6 x17 m) (Ver Figura 1).
Figura 1 Distribución en planta actual de los hornos para producir carbón activado.
Fuente: Elaboración propia.
La planta está en la capacidad de producir carbón activado de manera intermitente por
medio de dos hornos rotatorios; el primero se usa para carbonizar el cuesco de palma, cuyo
carbonizado posteriormente se lleva manualmente al segundo horno donde ocurre la
activación (Ver Figura 2).
3
Figura 2 Fotografía de la planta; horno de activación en primer plano, y carbonización al fondo.
Fuente: Elaboración propia.
La carbonización se realiza con reducidas proporciones de aire con el fin de producir una
combustión del material volátil junto al gas natural, para generar un incremento en la
temperatura suficiente para carbonizar la materia prima presente en el horno.
Posteriormente estos gases son libreados a la atmósfera. La activación ocurre en el segundo
horno, en donde el material carbonizado es calentado a temperaturas hasta 800°C con el
objetivo de retirar moléculas de carbono superficial y así obtener carbón activado; al igual
que con el primer horno, estos gases son libreados una vez terminada la activación.
Uno de los principales problemas que posee actualmente la planta es el manejo de gases,
puesto que los gases salen a altas temperaturas, con CO, CO2 y con volátiles remanentes
de la primera etapa del proceso que aún pueden seguir siendo quemados para producir
calor. Adicionalmente, esto también solucionaría parte del problema de alto consumo de
gas natural que tiene el proceso completo.
Otro problema que posee la actual planta, es el manejo manual de cargue a los hornos y así
mismo la distribución de los equipos involucrados durante la carbonización y activación;
lo que conlleva a tener ineficiencias en la producción y que el producto deje de ser rentable
y atractivo al mercado.
4
3. JUSTIFICACIÓN
Dado el problema anteriormente descrito con relación al manejo de materia sólida,
se ve la necesidad de mejorar el proceso de cargue y transporte del producto al interior de
la planta; de esta forma también para garantizar que la producción de carbón activado se
realice de manera continúa y uniforme, con menor intervención de personal en cada uno
de las etapas del proceso global e incrementando la capacidad de producción que
actualmente cuenta la plata.
Estas mejoras beneficiarán a la empresa dado que se espera incrementar la productividad
y la seguridad industrial, garantizando un ambiente de trabajo seguro a los empleados
encargados del funcionamiento de la planta piloto. Igualmente se requiere evaluar la planta,
para que sirva de piloto para una planta de producción industrial.
4. ESTADO DEL ARTE
Hoy día existen múltiples maneras de transportar materia sólida a granel, como por
ejemplo los elevadores de cangilones que son un mecanismo compuesto por recipientes,
una guía, y un sistema que se encarga de mover los recipientes a través de una trayectoria
definida como se aprecia en la Figura 3, Se usan con frecuencia para descargar materiales
desde niveles inferiores y transportadores de descarga de camiones
Figura 3 Sistema de transporte de elevadores de cangilones.
Fuente:(Kitamura, 2002)
Por otro lado cuando se puede transportar el material a granel con ángulos de inclinación
hasta 25° (Francesc Astals Coma, 2010, p. 110) se pueden emplear sistemas con bandas
sinfín que transporta el material dentro de una estructura de soporte (ver Figura 4). Puede
manejar los productos y los paquetes de forma regular, duros, suaves y de formas
5
irregulares. En algunos casos, a la banda se le realiza modificaciones en su textura o
adicionando separadores, con el fin de desplazar mayor cantidad de materia.
Figura 4 Esquema de un sistema de transporte con bandas sinfín.
Fuente: (Traband, 2012).
En algunos casos cuando el material necesita ser llevado a un nivel inferior, se puede
emplear rampas con inclinación, para que el producto se deslice y caiga por acción de la
aceleración de la gravedad, pero en algunos casos por la forma y propiedades físicas del
material transportado se dificulta su desplazamiento, se utilizan entonces dispositivos
neumáticos, magnéticos o mecánicos que producen una vibración constante sobre la
superficie de contacto para garantizar la fluidez.
Uno de los inconvenientes que presentan estos sistemas es la alta polución generada cuando
se mueven elementos con granulometría pequeña, siendo necesario cubrirlos con un techo,
lo cual incrementa considerablemente el costo del sistema de transporte. En estos casos se
recomienda un sistema con tornillo sinfín que está compuesto por una cubierta y tornillo
sinfín (ver Figura 5) el cual desplaza el material a través de la cubierta, pero su uso se limita
a longitudes menores a 6 m por dificultades en los procesos de fabricación. Aunque hoy
día podemos encontrar configuraciones de tornillos con longitudes superiores a 20 m, en
donde se acoplan varios tornillos con bridas y soportes para garantizar la concentricidad,
pero su costo se incrementa, lo que conlleva a tener en cuenta otro tipo de transportador.
6
Figura 5 Sistema de transporte con tornillo sinfín.
Fuente: (Roberts, 2001)
Cuando no solo basta con agregar una cobertura externa para aislar el material
transportado, si no también se requiere que el material no entre en contacto con las paredes
de la cubierta o el mecanismo de transporte, y también cuando los mecanismos sufren
averías a causa de una muy baja granulometría, o inclusive si el material es altamente
volátil y explosivo, se recomienda el uso de transporte neumático que es simple y adecuado
para el manejo de materiales en polvo (granulometrías muy bajas). El sistema es totalmente
cerrado y funciona sin partes móviles, consiste de una fuente de gas comprimido,
normalmente aire, un elemento de alimentación, una tubería de transporte con un receptor
para separar el material del aire de transporte (Ver Figura 6).
Figura 6 Esquema básico de un sistema de transporte neumático.
Fuente: (Mills, 2015, p. 32)
7
5. OBJETIVOS
5.1 OBJETIVO GENERAL.
Diseñar el sistema de alimentación y transporte de material sólido para producción
de carbón activado de la Planta Piloto TECSOL para una producción de 1,2t por día de
producto terminado.
5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
Proponer al menos tres distribuciones de planta factibles teniendo en cuenta el
manejo de gases y materia sólida.
Seleccionar la mejor distribución de planta.
Diseñar los equipos y maquinarias necesarias para lograr una producción continua
de 1,2 t/día
Realizar un estimativo de los costos del sistema de alimentación y transporte
propuesto.
6. MARCO TEÓRICO
6.1 MATRIZ PUGH.
La metodología descrita por Stuart Pugh, propone evaluar las alternativas de
diseño; producto de un análisis de las necesidad que el diseño va a suplir, mediante una
matriz en donde se encuentran los criterios, ordenados de manera cuantitativa según su
grado de relevancia o impacto dentro del diseño. Cada uno de las alternativas son
evaluadas según el cumplimiento de cada uno de los conceptos teniendo en cuenta solo tres
valores: “-1” si el diseño no cumple el criterio, “0” si el diseño lo cumple parcialmente o
no se tiene total conocimiento si cumple o no y “1” si el diseño cumple con el criterio
evaluado como se aprecia en la Figura 7. Generalmente el primer diseño hace referencia al
estado actual, el cual no se evalúa. Posteriormente se realiza la suma del producto entre el
grado de importancia del criterio por el valor asignado según su cumplimiento (Pugh,
1991).
8
Figura 7. Ejemplo de matriz Pugh.
Fuente: (whatissixsigma.net, 2016)
6.2 CÁLCULO DE TOLVAS.
Entre los nuevos componentes a diseñar se encuentran las tolvas, cuyo cálculo parte
inicialmente definiendo las capacidades nominales de cada una. Para este caso, se plantea
la capacidad para tolvas cilíndricas (Ecuación 1) y rectangulares (Ecuación 2):
𝑊𝑡 = 𝑉𝑡 ∗ 𝜌 = 𝜌𝜋
3ℎ𝑝(𝑟𝑒
2 + 𝑟𝑠2 + 𝑟𝑒 ∗ 𝑟𝑠) + 𝜌(ℎ𝑐 ∗ 𝜋 ∗ 𝑟𝑒
2) [𝑘𝑔] (1)
𝑊𝑡 = 𝑉𝑡 ∗ 𝜌 = 𝜌1
2ℎ𝑝 (𝐴𝑒
2 + 𝐴𝑡2 + √𝐴𝑒
2 ∗ 𝐴𝑡2) + 𝜌(ℎ𝑐 ∗ 𝐴𝑡
2) [𝑘𝑔] (2)
Con las capacidades definidas, se realiza el cálculo del espesor mínimo requerido para
soportar la carga al interior de la tolva, el cual puede ser definido a partir de tres métodos:
método de Janssen, método de presión hidrostática y el método de peso distribuido.
6.2.1 MÉTODO DE JANSSEN
Este método consiste en determinar una presión vertical resultante producto de un cambio
de altura en el material al interior de la tolva, junto a un esfuerzo cortante debido al flujo
de material que sale de la tolva (Calle Landázuri & Rodríguez Herrera, 2009). Teniendo
en cuenta estas condiciones, se realiza un diagrama de cuerpo libre en donde se muestran
cada una de las fuerzas al interior de la tolva (Ver Figura 8), posteriormente se realiza una
sumatoria de fuerza verticales (eje y) cuyo resultado es una ecuación diferencial ordinaria
de primer orden y su solución corresponde a la presión vertical (Ecuación 3).
9
Figura 8 Diagrama de fuerzas al interior de la tolva
Fuente: Elaboración propia.
𝑃𝑣 =𝜌𝑔𝐷
4𝜇𝑘(1 − 𝑒−
4ℎ𝜇𝑘
𝐷 ) [𝑃𝑎] (3)
Posteriormente se calcula el valor de la presión horizontal, cuya ecuación es la siguiente:
𝑃ℎ = 𝑘 ∗ 𝑃𝑉 [𝑃𝑎] (4)
En donde 𝑘 corresponde a un factor de correlación entre presiones y su valor es dado por
la siguiente razón:
𝑘 =1 − 𝑠𝑒𝑛(𝜆)
1 + 𝑠𝑒𝑛(𝜆) (5)
El valor de 𝜆 corresponde al ángulo de talud natural del material a granel que contiene la
tolva.
10
6.2.2 MÉTODO DE PRESIÓN HIDROSTÁTICA
Para el cálculo de la presión hidrostática, suponemos que el material sólido se comporta
como un fluido dada su naturaleza granular y por tanto, el diagrama de fuerza sobre la
superficie interna del cono de descarga contempla dos componentes principales: una fuerza
vertical total 𝐹𝑣, una fuerza horizontal 𝐹ℎ y la fuerza resultante entre ambas componentes
𝐹𝑟 como se muestra en la Figura 9.
Figura 9 Diagrama de fuerzas sobre la superficie del cono de la tolva
Fuente: Elaboración propia.
La fuerza total vertical está compuesta por una fuerza vertical debido al fluido y el peso
del bloque encerrado por la superficie inclinada de la tolva según lo explica Cengel (Çengel
& Cimbala, 2006, p. 86). Su valor se determina a partir de la siguiente ecuación:
𝐹𝑣𝑡 = 𝜌𝑔ℎ𝑐𝐴 + 𝜌𝑔𝑉𝐶 [𝑁] (6)
Para el caso de la fuerza horizontal, la altura a tener en cuenta es la altura del cuerpo de la
tolva sin la descarga más la mitad de la altura de la descarga:
𝐹ℎ = 𝜌𝑔 (ℎ𝑡 −ℎ𝑐
2) 𝐴 [𝑁] (7)
La magnitud de la componente resultante y su ángulo respecto a la horizontal es:
𝐹𝑟 = √𝐹ℎ2 + 𝐹𝑣𝑡
2 [𝑁] (8)
𝜃 = tan−1 𝐹𝑣𝑡
𝐹ℎ [°] (9)
11
6.2.3 MÉTODO DE PESO DISTRIBUIDO
En este caso, no se parte de la suposición de que el material a granel se comporta como un
fluido, si no que el peso total de la columna de material se encuentra perfectamente
distribuida sobre la superficie interna inferior del cuerpo de la tolva (ver Figura 10), con el
fin de obtener la relación peso/área para determinar la cantidad de peso que se encuentra
sobre la superficie interna del cono (Fajardo Pinto & Sánchez Durán, 2010), dicha relación
se define a continuación:
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑖𝑑𝑜
Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜=
𝜌𝑔𝑉𝑡
𝐴𝑡 [
𝑁
𝑚2] (10)
Figura 10 Diagrama de fuerzas distribuidas al fondo del cuerpo de la tolva (izquierda) y en el cono de la
tolva (derecha)
Con la anterior relación, se determina el peso de material distribuido en el cono de la tolva:
𝑊𝑐 =𝜌𝑔𝑉𝑡𝐴𝑐
𝐴𝑡 [𝑁] (11)
6.3 CÁLCULO DE TRANSPOTADORES DE TORNILLO SIN FIN.
Para el cálculo de los tornillos transportadores, se emplea la siguiente metodología
con el fin de determinar los parámetros dimensionales y de potencia del transportador
según lo describe el manual de diseño adaptado del estándar CEMA (Conveyor Eng. &
Mfg., 2012):
Definir características del material a transportar tales como densidad, flujo de
transporte de material, forma y tamaño del material, fluidez y temperatura de
operación.
Determinar longitud de transporte y características del transportador (transportador
cerrado o abierto, con paso estándar, largo o corto, de transmisión directa, etc.)
como se muestra en la Figura 10.
12
Figura 11 Caracteristicas del transportador.
Fuente: (2012, p. 100).
Calcular la capacidad equivalente del transportador, partiendo del flujo requerido
𝑄 con la siguiente ecuación:
𝐶 = 𝑄 ∗ 𝐶𝐹1 ∗ 𝐶𝐹2 ∗ 𝐶𝐹3 [𝑓𝑡3
ℎ] (12)
En donde los valores de 𝐶𝐹1, 𝐶𝐹2, 𝐶𝐹3 se determinan en la Tabla C del manual
(2012, p. 16).
Las capacidades de carga (Conveyor loading) se determinan con la Tabla B (2012,
pp. 9-14) de materiales de la norma CEMA para transportadores de tornillo sinfín.
Calcular la velocidad angular de rotación del tornillo:
𝑁 =𝐶
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑓𝑡3
ℎ 𝑎 1 𝑅𝑃𝑀
[𝑅𝑃𝑀](13)
La capacidad a 1 RPM se determina en la Tabla B del manual (2012, pp. 9-14).
Calcular la potencia de operación del tornillo 𝐻𝑃𝑡, la cual depende de tres
potencias: la potencia requerida para vencer la fricción al interior del tornillo 𝐻𝑃𝑓,
la requerida para transportar el material horizontalmente 𝐻𝑃ℎ y la requerida para
transportar el material verticalmente 𝐻𝑃𝑣 en caso dado que el transportador opere
inclinado:
𝐻𝑃𝑓 =𝐿𝑁𝐹𝑑𝐹𝑏 ∗ 746
1000000 [𝑊] (14)
13
𝐻𝑃ℎ =𝐶𝐿𝜌𝐹𝑚𝐹𝑓𝐹𝑝 ∗ 746
1000000 [𝑊] (15)
𝐻𝑃𝑣 =𝐶𝜌ℎ ∗ 746
33000 ∗ 60 [𝑊] (16)
El valor de los factores 𝐹𝑑, 𝐹𝑏, 𝐹𝑓 y 𝐹𝑝 se determinan en las tablas L, M, J y K
respectivamente (2012, p. 22). El factor 𝐹𝑚 se encuentra en la Tabla B del mismo
manual.
Por tanto, la potencia total del tornillo 𝐻𝑃𝑡 es:
𝐻𝑃𝑡 =(𝐻𝑃𝑓 + 𝐻𝑃ℎ + 𝐻𝑃𝑣) 𝐹𝑜
𝑒 [𝑊] (17)
El factor de sobrecarga 𝐹0 se define en la Tabla H (2012, p. 21) o bien, partiendo
de la siguiente condición: Si 𝐻𝑃𝑓 + 𝐻𝑃ℎ ≤ 5.2, entonces 𝐹0 = −0.6115𝐿𝑛(𝐻𝑃𝑓 +
𝐻𝑃ℎ) + 2.024. Pero si 𝐻𝑃𝑓 + 𝐻𝑃ℎ > 5.2, 𝐹0 se puede aproximar a 1. La eficiencia
de la transmisión 𝑒 se puede aproximar usando las tablas G1 y G2 (2012, pp. 20-
21).
Determinar el tamaño recomendado de los componentes según el tipo de trabajo
(ligero, normal o pesado) según la Tabla N (2012, p. 23).
Comprobar deflexión del tornillo:
𝐷𝑡 =𝑊𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜𝐿3
48𝐸𝐼 [𝑚𝑚] (18)
El valor del momento de inercia I se puede determinar según la Tabla S y la
deflexión máxima admisible se encuentra en la Tabla R (2012, p. 26).
Calcular la expansión de la longitud del tornillo debido a la temperatura del material
transportado:
∆𝐿 = 𝐿(𝑇1 − 𝑇2) ∗ 𝛼 [𝑚𝑚] (19)
Verificar condiciones de abrasión del material a transportar, con el fin de considerar
o no un recubrimiento en el tornillo.
14
6.4 CÁLCULO DE PATAS DE SOPORTE DE LAS TOLVAS.
Los soportes como las patas de una tolva se pueden considerar elementos tipo
columna de carga axial centrada, en donde éstos fallan primeramente por el efecto de
pandeo que por la carga de compresión.
El proceso de cálculo de una columna es basado según lo explicado por Norton et Al
(Norton, 2010) y Budynas et Al (Budynas & Nisbett, 2014). Como primer paso, se parte
definiendo la razón de esbeltez, si dicho valor es inferior a 10, se considera una columna
corta, de lo contrario es una columna larga:
𝑆𝑟 =𝑙
𝑘 (20)
En donde 𝑙 es la longitud total del elemento y 𝑘 es el radio de giro. Para el caso de perfiles
normalizados, el valor del radio de giro se pueden encontrar en las tablas de propiedades
mecánicas, más sin embargo, la ecuación para calcularlo es la siguiente:
𝑘 = √𝐼
𝐴 (21)
6.4.1 COLUMNA CORTA
Si bien, como se mencionaba anteriormente, un elemento tipo columna se considera corto
si su relación de esbeltez 𝑆𝑟 es menor a 10 aproximadamente (Norton, 2010, p. 123), por
lo que su cálculo se ve únicamente restringido al valor del esfuerzo máximo axial,
despreciando efecto alguno de pandeo en la columna:
𝜎𝑀Á𝑋 =𝐹
𝐴 (22)
6.4.1 COLUMNA LARGA
Cuando el valor de la razón de esbeltez 𝑆𝑟 es mayor de 10, entonces la columna es
considerada larga y se debe tener en cuenta el efecto de flexión causado por la carga axial
(pandeo), por lo que se debe analizar las condiciones de críticas de inestabilidad de la
columna causadas por una fuerza crítica, la está dada por:
𝑃𝑐𝑟 =𝐶𝜋2𝐸𝐼
𝑙2 (23)
La ecuación (23) se le conoce como fuerza crítica de Euler.
15
La constante C depende estrictamente de las condiciones de los extremos de la viga y su
valor cambia según el método de cálculo, por lo que se siguen las recomendaciones
realizadas por Budynas (ver Tabla 1) en donde la condición: a) Ambos extremos están
pivoteados o articulados; b) ambos extremos están empotrados; c) un extremo libre, un
extremo empotrado; d) un extremo redondo y articulado, y un extremo empotrado.
Tabla 1 Valores de C para cada condición de extremos.
Condición Valor de la constante C
Teórico Conservador Recomendado
a) Empotrado-Libre 1/4 1/4 1/4
b) Articulado-articulado 1 1 1
c) Empotrado-articulado 2 1 1.2
d) Empotrado-empotrado 4 1 1.2
Fuente:(Budynas & Nisbett, 2014, p. 175)
Actualmente existe otro método para determinar la fuerza crítica en una columna y es la
fórmula parabólica o fórmula de J.B. Johnson, cuya ecuación es:
𝑃𝑐𝑟 = 𝐴 [𝑆𝑦 − (𝑆𝑦
2𝜋
𝑙
𝑘)
2 1
𝐶𝐸] (24)
En donde 𝑆𝑦 es el límite de fluencia del material y 𝐴 es el área de la sección trasversal del
elemento.
Por último se calcula el valor de fuerza máxima permisible del elemento:
𝑃𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 =𝑃𝑐𝑟
𝑁 (25)
En donde N es el valor del factor de seguridad del elemento.
6.5 DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORA CON SIEMENS NX 10.
Siemens NX 10 es un software que ofrece la posibilidad de diseñar productos,
estudiar su comportamiento y simular su fabricación. El módulo de modelado usado en
este proyecto permite trabajar el entorno de tres dimensiones para creación de los
componentes de los equipos como se puede ver en la Figura 16, junto a los planos de
fabricación de cada uno como los mostrados en el Anexo XIV.
16
7. METODOLOGÍA
La metodología planteada para lograr el desarrollo del proyecto de grado es la
siguiente:
1. Elaborar las propuestas de distribución de planta teniendo en cuenta el manejo de gases
y materia sólida
2. Utilizar herramientas para la evaluación de propuestas de diseño como lo es la matriz
pugh de criterios ponderados, en la cual se busca encontrar la mejor distribución de
planta entre las alternativas propuestas y con la participación del grupo de
investigación en energías alternativas – GIEAUD, estudiantes y profesores
involucrados en el macro proyecto.
3. Diseñar y calcular el sistema de transporte en cada tramo, dependiendo del caso, puede
ser un sistema con tornillo sinfín, banda transportadora, cinta transportadora, cadena
con canjilones, etc.
4. Diseñar y calcular las tolvas de alimentación del sistema
5. Diseñar y calcular los recipientes para producto terminado y materia prima.
6. Diseñar y calcular las estructuras necesarias para soportar los elementos y máquinas
involucradas en el proceso de activación y carbonización.
7. Realizar un plan de montaje de equipos y mantenimiento preventivo de los mismos.
8. Con el apoyo del Software NX 10, realizar las simulaciones por elementos finitos para
validar los cálculos de diseño.
17
8. RESULTADOS
8.1 UBICACIÓN DE EQUIPOS EN LA PLANTA PILOTO
8.1.1 DISEÑO DE ALTERNATIVAS DE DISTRIBUCIÓN DE PLANTA
En la planta actual, la disposición de los ductos no garantiza un manejo adecuado de los
gases debido a que los hornos se encuentran aislados y solamente el horno de activación
tiene conexión al sistema de filtrado de gases (no mostrado en el Anexo I, debido a que se
encuentra fuera del área de planta dibujada).
Se proponen seis alternativas de distribución de hornos, sistema de ductos de gases
interconectados garantizando un manejo adecuado, y de transporte de materia sólida
integrado por molino, tolvas y transportadores; cuyos planos de distribución se detallan en
los anexos de cada alternativa, enumerados y nombrados.
La alternativa número uno (ver Anexo II) consiste en ubicar la zona de materia prima al
fondo de la planta (visto desde la rampa de acceso), empezando el proceso en una tolva
que descarga el cuesco a un molino para garantizar un tamaño de grano uniforme, en
seguida se carga a otra tolva que se encarga de depositar el material en el horno de
carbonización para salir en la mitad de la planta y ser cargado en seguida mediante un
sistema de transporte (en desarrollo) a una tolva que lo deposita en el horno de activación
para finalizar en la zona de producto terminado al lado de la rampa de acceso como se ve
en el Anexo II, por otro lado se indica el flujo de gases que consiste en conectar el ducto
de salida de gases del horno de carbonización con la entrada de gases del horno de
activación, aprovechando los gases de síntesis mediante una cámara de combustión
(desarrollada más adelante), y conectando la salida de gases del horno de activación con el
sistema de manejo de gases para su disposición final.
La alternativa número dos (ver Anexo III) requiere inicialmente un cambio del proceso
térmico en cada horno. Ubicando la zona de materia prima en seguida de la rampa de
acceso, e iniciando el proceso en una tolva que descarga el cuesco a un molino ubicado en
el centro del área de la planta, en seguida se carga a otra tolva que deposita el material en
el horno para realizar el proceso de carbonización (actual horno de activación) para salir al
lado de la rampa de acceso y ser cargado en seguida mediante un sistema de transporte (en
desarrollo) a una tolva que deposita el material sólido en el horno de carbonización actual
para realizar el proceso de activación, finalizando en la zona de producto terminado al lado
derecho de la zona de materia prima como se ve en el Anexo III, además se indica el flujo
de gases que conecta los hornos en la mitad del área de planta mediante ducto y cámara de
combustión, por último se conecta la salida de gases del horno donde se realiza la
activación (horno de carbonización actual) con el sistema de manejo de gases para su
disposición final.
18
A partir de la alternativa número tres, se consideró la posibilidad de trasladar el horno de
activación actual al lado del horno de carbonización actual, ubicándolos en paralelo,
cambiando el sentido de inclinación de los hornos y procesos térmicos dentro de los
mismos.
La alternativa número tres (ver Anexo V) consiste en ubicar los hornos en paralelo
inclinados en la misma dirección, pero contraria a la inclinación actual. Ubicando la zona
de materia prima al lado de la rampa de acceso, e iniciando el proceso en una tolva que
descarga el cuesco a un molino ubicado en el centro superior del área de la planta, en
seguida se carga a otra tolva que deposita el material en el horno de carbonización para
salir hacia el fondo de la planta visto desde la rampa y ser cargado en seguida mediante un
sistema de transporte (en desarrollo) entre los hornos a una tolva que deposita el material
sólido en el horno de activación, finalizando en la zona de producto terminado al inferior
del horno de activación como se ve en el Anexo V, donde además se indica el flujo de
gases que conecta los hornos mediante ducto y cámara de combustión, por último se
conecta la salida de gases del horno de activación con el sistema de manejo de gases.
La alternativa número cuatro (Anexo VI) requiere ubicar los hornos en paralelo inclinados
en la misma dirección, con la misma inclinación del horno de carbonización de la planta
actual. Ubicando la zona de materia prima al costado inferior del horno de activación, e
iniciando el proceso en una tolva que descarga el cuesco a un molino ubicado en la esquina
inferior derecha del área de la planta, en seguida se carga a otra tolva que deposita el
material en el horno de carbonización para salir hacia la mitad de la planta y ser cargado
en seguida mediante un sistema de transporte (en desarrollo) entre los hornos a una tolva
que deposita el material sólido en el horno de activación, finalizando en la zona de producto
terminado al centro del área de la planta como se ve en el Anexo VI, en este, además se
indica el flujo de gases que conecta los hornos mediante ducto y cámara de combustión,
por último se conecta la salida de gases del horno de activación con el sistema de manejo
de gases.
La alternativa número cinco (ver Anexo VII) necesita ubicar los hornos en paralelo
inclinados en direcciones contrarias. Ubicando la zona de materia prima al costado de la
rampa, e iniciando el proceso en una tolva que descarga el cuesco a un molino ubicado en
el centro superior del área de la planta, en seguida se carga a otra tolva que deposita el
material en el horno de carbonización para salir hacia el costado derecho de la planta, para
ser cargado en seguida mediante un sistema de transporte (en desarrollo) entre los hornos
a una tolva que deposita el material sólido en el horno de activación, finalizando en la zona
de producto terminado al centro del área de la planta como se ve en el Anexo VII, donde
además, se indica el flujo de gases que conecta los hornos mediante ducto y cámara de
combustión, por último se conecta la salida de gases del horno de activación con el sistema
de manejo de gases.
19
La alternativa número seis (ver Anexo VIII) necesita ubicar los hornos en paralelo
inclinados en direcciones contrarias. Ubicando la zona de materia prima al lado inferior del
horno de activación, e iniciando el proceso en una tolva que descarga el cuesco a un molino
ubicado en la esquina inferior derecha del área de la planta, en seguida se carga a otra tolva
que deposita el material en el horno de carbonización para salir hacia el centro de la planta,
para ser cargado en seguida mediante un sistema de transporte (en desarrollo) a una tolva
que deposita el material sólido en el horno de activación, finalizando en la zona de producto
terminado entre los dos hornos como se ve en el Anexo VIII, allí además, se indica el flujo
de gases que conecta los hornos mediante ducto y cámara de combustión, por último se
conecta la salida de gases del horno de activación con el sistema de manejo de gases.
8.1.2 SELECCIÓN DE LA MEJOR ALTERNATIVA DE DISTRIBUCIÓN DE PLANTA
Mediante el método de Matriz Pugh (Pugh, 1991) se evaluaron las alternativas
teniendo en cuenta criterios como las reubicaciones necesarias para los hornos, espacio
requerido por el sistema de manejo de gases al igual que el de transporte de materia sólida
y espacio para disposición de producto terminado y materia prima.
Los conceptos o criterios de evaluación (ver Anexo IX) son:
Ubicación del producto terminado y materia prima, estos criterios finales plantean
la restricción de espacio que las alternativas de distribución de planta deben tener
en cuenta para no cruzar con otros sistemas, simplificando la disposición inicial y
final del material sólido, de lo contrario serían calificadas de manera negativa en
estos criterios.
Distancia de la tubería de transporte de gases entre hornos, indica la restricción de
espacio y recorridos que las alternativas de distribución de planta deben tener en
cuenta para no cruzar otros sistemas por aquí, o requerir longitudes de tramos
similares a los que requiere la planta actual, de lo contrario serían calificadas de
manera negativa en este criterio. Lo mismo aplica para el criterio titulado
"Distancia del ducto de conducción de gases hacia el ventilador de tiro inducido".
Se recomendó que a la hora de realizar la evaluación, este criterio tuviera un valor
alto debido a que los gases que salen del horno de carbonización poseen alquitranes,
los cuales se debe garantizar que siempre permanezcan gaseosos, y, al incrementar
la distancia, se corre el riesgo de que se condensen.
Ubicación de la materia prima, este ítem muestra la restricción de espacio de la
materia prima en la distribución de planta. Se busca que el acceso a esta área sea de
manera rápida y que no afecte algún proceso de la planta, por lo que de no cumplir
esta característica se evalúa negativamente. El valor de importancia asignado es de
20
8 ya que al tener una zona de difícil acceso reduce sustancialmente la productividad
de la planta.
Adecuaciones al horno de carbonización y de activación, se refiere a la posibilidad
de reubicar los hornos, pues desde la tercera a la sexta alternativa (ver Anexo V al
Anexo VIII) se plantea reubicar los hornos en paralelo (actualmente se encuentran
en serie), las alternativas de distribución de planta deben tener en cuenta no reubicar
los hornos, de lo contrario serían calificadas de manera negativa en este criterio.
Ubicación de quemador(es): Cada horno tiene un quemador tipo flauta, el cual se
ubica en un orificio central en la cara plana o tapa del cilindro como se aprecia en
la Figura 10, las alternativas de distribución de planta deben tener en cuenta no
cruzar otra estructura en este espacio, de lo contrario serían calificadas de manera
negativa.
Figura 13 Salida de material sólido, entrada de quemador en horno (izquierda) y quemador tipo flauta
(derecha).
Fuente: Tecsol 2016.
Ubicación del sistema de rotación del horno, hace referencia al motor y caja de
transmisión (ver Figura 11) ubicada entre la pared superior del área de planta y cada
horno (no detallado en Figura 1), las alternativas de distribución de planta deben
tener en cuenta no cruzar otros sistemas por aquí, inclusive en el caso de los hornos
ubicados en paralelo, de lo contrario serían calificadas de manera negativa en este
criterio.
21
Figura 14. Sistema de rotación de los hornos.
Fuente: Tecsol 2016.
Distancia y método de transporte del molino al horno de carbonización, obedece a
la restricción de espacio y recorridos que las alternativas de distribución de planta
deben tener en cuenta para no cruzar con otros sistemas, o requerir longitudes de
tramos similares a los que requiere la planta actual, simplificando el transporte de
material sólido, de lo contrario serían calificadas de manera negativa en este
criterio. Lo mismo aplica para el siguiente criterio de evaluación titulado "Distancia
y método de transporte del horno de carbonización al horno de activación".
El objetivo de esta actividad consiste en que cada integrante del grupo interdisciplinario de
investigación realizara la evaluación por medio de la matriz Pugh de las seis alternativas,
dando cada uno la tasa de importancia que considera correcta teniendo en cuenta las
observaciones sobre cada uno de estos criterios. Como resultado la tabla expuesta en el
Anexo X, en donde se muestra la puntuación obtenida por la evaluación de cada integrante
junto a una ponderación, similar a la tasa de importancia, con la cual se le da mayor
ponderación a la evaluación hecha por el gerente del proyecto, seguida por los jefes de cada
equipo de investigación y terminando en los estudiantes. La alternativa cinco con 421
puntos es la opción que mejor responde a los criterios de evaluación, pero con un
evaluación del cumplimiento de normas de seguridad industrial evidencia una falta de
espacio de corredores para tránsito o evacuación de personal, por otro lado se tiene la
imposibilidad de usar grúas para trasladar el horno como se había planeado debido al poco
espacio, y por tanto se decide mirar la segunda mejor opción, siendo la alternativa número
dos con 218 puntos, viendo que además cumple las observaciones anteriormente
planteadas.
22
8.1.3 CARACTERÍSTICAS DE LA MEJOR ALTERNATIVA DE DISTRIBUCIÓN DE
PLANTA
Posterior a la selección de la alternativa dos, se recomienda ubicar el sistema de transporte
de material sólido entre hornos, contra la pared superior del área de la planta (ver Anexo
IV), teniendo en cuenta que pase encima y no se cruce con los sistemas de rotación de cada
horno ubicados en este mismo espacio.
Las características de la alternativa 2 o planta propuesta son:
Menor distancia de ducto que transporta gases desde la salida del horno de
carbonización a la entrada del horno de activación.
Amplio espacio para zonas de disposición de producto terminado.
Zona de disposición de materia prima próxima a la entrada al espacio de la planta.
Mayor distancia para transporte de materia sólida entre hornos.
Los hornos intercambian sus procesos térmicos (activación y carbonización).
8.1.4 CUMPLIMIENTO DE OBJETIVOS CON LA PLANTA PROPUESTA
Acorde al cronograma propuesto (ver Anexo XXV) la duración del proyecto se
planteaba para 18 semanas, pero por contratiempos e imprevistos, el proyecto tuvo un
incremento de 2 semanas, empezando en la primera semana de marzo y concluyendo en la
mitad de agosto, los puntos que más presentaron demoras fue la primera etapa, por
desconocimiento del proceso, adquisición de información técnica de la planta y acuerdos
para la etapa de análisis preliminar.
Esta etapa comprendida como la de análisis preliminar concluye con la elección de la
alternativa número dos (2) de distribución de planta y con la que se trabaja el resto del
proyecto, detallada en el Anexo IV. En la Figura 12 se puede observar el total de los
cambios realizados en la distribución e incluyendo los nuevos equipos a instalar.
23
Figura 15 Cambio de planta actual a planta propuesta.
Fuente: Elaboración propia.
8.2 INGENIERÍA EN DETALLE
8.2.1 CÁLCULO DE FLUJOS DE MATERIA SÓLIDA
Para definir las capacidades nominales de las tolvas y los flujos requeridos en cada
etapa del proceso, se debe tener en cuenta la siguiente información:
Flujo de producto terminado de 50 kg/h
Las tolvas deben tener capacidad para funcionar sin suministro por 2h
mínimo.
La reducción de masa en el proceso de secado es de 23%.
La reducción de masa en el proceso de carbonización es del 40%.
La reducción de masa en el proceso de activación es del 20%.
Los datos de reducción de masa son extraídos del informe técnico (Industrias TECSOL
LTDA., 2011) suministrado por la empresa para el desarrollo del proyecto.
Teniendo en cuenta lo anterior, el flujo entre cada etapa del proceso de la planta es:
24
Tabla 2 Reducciones de flujo en cada etapa del proceso de la planta.
Flujo Valor Unidad Porcentaje de
reducción Final (después de
activación) 50.00 kg/h 20%
Después carbonización 62.50 kg/h 40%
Después de secado 104.17 kg/h 23%
Antes de secado 135.46 kg/h 0%
Fuente: Elaboración propia.
El número de transportadores a diseñar corresponde a tres: El transportador entre la pila de
materia prima al secador con capacidad de 135.46 kg/h (Transportador 1), el transportador
entre la tolva de material seco y el molino con capacidad de 104.17 kg/h (Transportador
2), el transportador entre el molino y la tolva de alimentación al horno de carbonización
con capacidad de 104.17 kg/h (Transportador 3) y el transporte entre la salida del horno de
carbonización y la tolva de alimentación al horno de activación con capacidad de 62.50
kg/h (Transportador 4). Sin embargo, dado que la empresa cuenta con dos transportadores
de tornillo sinfín, estos serán utilizados para el tramo de transporte más largo (ver Figura
13).
La cantidad de tolvas nuevas son tres: dos ubicadas a la entrada de materia sólida a los
hornos (Tolva alimentación HC y Tolva alimentación HA) y una antes del proceso de
molienda (Tolva material seco) como se puede apreciar en la Figura 13.
Figura 16 Ubicación de los equipos de manejo de materia sólida
Fuente: Elaboración propia.
25
Las capacidades de cada una, debe garantizar 2h de flujo de material, a excepción de la
tolva que alimenta el molino, que debe ser 8h (tiempo del turno del personal encargado en
la planta), a continuación, en la Tabla 2 se muestran las capacidades requeridas.
Tabla 3 Capacidades nominales de las tolvas.
Tolva Capacidad Unidad
Alimentación a molino 833.33 kg
Alimentación a HC 208.33 kg
Alimentación a HA 125.00 kg
Fuente: Elaboración propia.
El molino hace parte del sistema de manejo de materia sólida, no se tendrá en cuenta en los
cálculos puesto que este equipo ya existe y se encuentra operativo dentro de la planta.
8.2.1 DISEÑO DE TOLVAS Y SOPORTES
Para el diseño de las tolvas, se plantean dos alternativas: la primera, de construcción
cónica en donde se busca aprovechar una lámina rolada existente en la planta para su
fabricación y la segunda de construcción piramidal, estas dos alternativas se evaluaron con
la matriz Pugh (Ver Tabla 3).
Tabla 4 Seleción del diseño de tolvas.
Pugh Matrix
Alternativas
Criterios de evaluación
Ta
sa d
e
Imp
ort
an
cia
Pla
nta
Act
ual
To
lva
cónic
a
To
lva
pir
amid
al
Espacio ocupado 3 s s s
Bajo costos de fabricación 4 s + -
Costos de montaje 2 s s s
Facilidad de mantenimiento 1 s s s
Fabricación con material nuevo 5 s + -
Suma de Positivos 0 2 0
Suma de Negativos 0 0 2
Suma de Iguales 5 3 3
Peso Suma de Positivos 0 9 0
Peso Suma de Negativos 0 0 9
TOTAL 0 9 -9
Fuente: Elaboración propia.
Selección de Concepto Mejora +
Igual S
Empeora -
26
Los criterios de evaluación en este caso, fueron el aprovechamiento del material existente
en la planta, el bajo costo de fabricación, el espacio ocupado, los costos de montaje y la
facilidad de mantenimiento (limpieza) de las mismas, cuyo resultado es que las tolvas de
construcción cónica son las más oportunas a diseñar dadas las condiciones actuales de la
planta.
Posteriormente se establecen los parámetros geométricos del cuerpo de la tolva, partiendo
de que la lámina rolada posee un diámetro externo de 2540mm de largo por 1300mm de
diámetro interno, por lo que conociendo la capacidad, se puede definir la altura mínima del
cuerpo y la altura del cono de la tolva se calcula teniendo en cuenta el valor del ángulo
mínimo para que el material sólido (cuesco seco, carbón y carbón activado) se deslice es
de 37º según las pruebas realizadas con el material, por lo que las alturas dimensiones de
la tolva son:
Tabla 5 Dimensiones generales de las tolvas.
Fuente: Elaboración propia.
Por aprovechamiento de lámina, se decidió incrementar el alto del cuerpo a una medida
mínima de 0.50m.
Con las dimensiones básicas, se realiza el cálculo de esfuerzos para validar que el espesor
de la lámina de recuperación (cal. 12) cumpla con las condiciones de seguridad del diseño
en el Anexo XI al Anexo XIII, se encuentra a mayor detalle el cálculo de cada una de los
esfuerzos, pero a continuación en la Tabla 5 se muestra el valor de los esfuerzos para cada
tolva según el método utilizado.
Nombre Parámetro
Tolva
Alimentación
a molino
Tolva
Alimentación
a HC
Tolva
Alimentación
a HA
Diámetro boca Db 0.30 m 0.30 m 0.30 m
Diámetro mayor Dm 1.30 m 1.30 m 1.30 m
Altura total ht 1.57 m 1.00 m 1.00 m
Altura cuerpo hc 1.07 m 0.50 m 0.50 m
Altura cono htol 0.50 m 0.50 m 0.50 m
Volumen cono Vtol 0.28 m3 0.28 m3 0.28 m3
Volumen cuerpo Vc 1.42 m3 0.66 m3 0.66 m3
Volumen total Vt 1.71 m3 0.95 m3 0.95 m3
Volumen total en litros
Vt 1706.18 lt 947.71 lt 947.71 lt
Capacidad W 836.07 kg 546.36 kg 442.10 kg
27
Tabla 6 Esfuerzos calculados para cada tolva.
Tolva
Esfuerzo
de diseño
(Janssen)
Esfuerzo de
diseño (Peso
distribuido)
Esfuerzo de
diseño
(Presión
hidrostática)
Unidad
Alimentación a
molino 0.07 2.75 2.42 MPa Alimentación a
HC 0.08 1.28 4.08 MPa
Alimentación a HA
0.07 3.18 3.31 MPa
Fuente: Elaboración propia.
Por último, se calcula las patas de soporte de las tolvas, cuyos componentes solo soportan
carga axial y por tanto, la carga máxima a soportar por pata es igual al peso de la tolva de
mayor capacidad dividido entre el número de patas a instalar.
En primera medida, se debe determinar si el elemento es una columna corta o larga
partiendo de que el elemento es una tubería 3” SCH 40, por lo que su razón de esbeltez es:
𝑆𝑟 =𝑙
𝑘=
3000𝑚𝑚
23.9𝑚𝑚= 125,5
Al ser 𝑆𝑟 < 10 es una columna larga, por lo que el cálculo de las fuerzas críticas según el
método de Euler, Johnson y compresión pura, explicados en el numeral 6.4, con un factor
de seguridad de 2.0 y la tubería fabricada en acero ASTM A53 Grado B son:
Tabla 7 Valores de carga máxima admisible para las patas de soporte.
Método Fuerza
crítica
Fuerza
máxima
admisible
Unidad
Carga axial pura 397.45 198.73 kN
Euler 283.85 141.93 kN
Johnson 241.01 120.51 kN Fuente: Elaboración propia.
Y por tanto, sabiendo que la carga por pata aproximadamente es de 4.9.1 kN, y la carga
crítica calculada es mayor, los elementos cumplen las condiciones de seguridad.
28
Figura 17 Modelado 3D de la tolva de alimentación a horno de activación.
Fuente: Elaboración propia.
Los planos de detalle de las tolvas se pueden apreciar en los Anexos XIV al XVI.
8.2.2 DISEÑO DE TRANSPORTADORES
Los tramos de transporte restantes con sus respectivas longitudes son:
Tabla 8 Capacidades y longitudes de los transportes de materia sólida.
Trayecto Capacidad
[kg/h]
Longitud
[m]
Inclinación
[º] Desde la pila de materia prima al
secador 135.46 5.80 75.0
Desde la tolva de material seco al molino
104.17 4.00 65.0
Desde salida del horno de
carbonización a tolva de
alimentación HA
62.50 4.00 15.0
Desde el molino a la tolva de
alimentación HC 104.17 16.00 60.0
Fuente: Elaboración propia.
Como se menciona anteriormente, el sistema de transporte de mayor longitud (16 m
aproximadamente) se le debe adicionar otro tornillo con el fin de completar la longitud,
dicho tramo corresponde al transporte entre el horno de carbonización y la tolva de
alimentación del horno de activación.
Después de definir longitudes, flujo, y características del material a transportar, se realizan
los cálculos de cada uno de los siguientes ítems ya explicados en el marco teórico:
29
Flujo equivalente (si aplica).
Velocidad angular del tornillo.
Potencia mínima requerida.
Deflexión del tornillo
Dilatación del tornillo (si aplica).
Por lo que los valores de cada uno para cada transportador es:
Tabla 9 Valores de potencia, velocidad, deflexión y dilatación térmica calculados para los transportadores
Trayecto Potencia
[W]
Vel.
angular
[RPM]
Deflexión
máxima
[mm]
Dilatación
térmica
[mm]
Desde la pila de materia
prima al secador 40.03 5.00 0.33 0.00
Desde la tolva de material seco al molino
27.54 4.25 0.62 3.02
Desde el molino a la tolva
de alimentación HC 27.54 4.25 0.62 2.06
Desde salida del horno de
carbonización a tolva de
alimentación HA
21.15 3.15 0.33 33.62
Fuente: Elaboración propia.
De los anteriores factores, la velocidad angular y la potencia mínima requerida son
necesarios para escoger el motoreductor acorde según estos parámetros, los cuales se
determinan por catálogos, y, para estos transportadores se puede buscar en el catálogo en
línea de SEW EURODRIVE el cual se entra con la velocidad angular requerida y la
potencia del motor y no arroja como resultado la referencia del motoreductor, la relación
de reducción, el torque de salida y la potencia nominal del motor eléctrico (Ver Figura 13).
La potencia nominal del motoreductor debe ser igual o mayor a la calculada para el tornillo
y para el caso de la velocidad angular, debe seleccionarse un valor cercano a la calculada.
30
Figura 18 DriveGATE de SEW EURODRIVE – Selección del motoreductor
Fuente: (SEW EURODRIVE, 2016)
Las referencias y características técnicas de los motoreductores determinadas para cada
tornillo son:
Tabla 10 Referencia y características de los motoreductores de los tornillos
Trayecto Referencia SEW
Vel.
angular
[RPM]
Torque
[Nm]
Relación
de
velocidades
i
Potencia
nominal
[kW]
Desde la pila de materia
prima al secador RF77R37DRS71S4 5,50 585,00 310,00 0,37
Desde la tolva de material
seco al molino RF77R37DRS71S4 5,50 585,00 310,00 0,37
Desde salida del horno de
carbonización a tolva de
alimentación HA
RF77R37DRS71S4 5,50 585,00 310,00 0,37
Desde el molino a la tolva de alimentación HC
RF77R37DRS71S4 5,50 585,00 310,00 0,37
Fuente: Recopilación de datos del catálogo (SEW EURODRIVE, 2016).
El cálculo de cada uno de los tornillos se encuentra a mayor detalle en el Anexo XVII al
Anexo XX y los planos del Anexo XXI al Anexo XXIV
31
La distribución del sistema de manejo de materia sólida en la planta se puede apreciar en
la Figura 14 en donde se encuentran debidamente nombrados.
Figura 19 Distribución de equipos - Sistema de manejo de materia sólida
Fuente: Elaboración propia.
8.4 COSTOS ESTIMADOS DEL PROYECTO
El costo aproximado del proyecto es de COP$ 22.010.055, el cual incluye el costo
por hora de software especializado, costos de diseño e investigación en horas hombre. En
cuanto al costo de los equipos, la construcción y puesta en marcha de los nuevos elementos
a incorporar tiene un valor de COP$ 9.725.110, el cual el mayor porcentaje se va en la
construcción de los tornillos transportadores (información detallada en Anexo XXVI).
El costo mensual aproximado de consumo eléctrico es de COP$ 622.713,60 y el costo
aproximado anual de mantenimiento es de COP$ 2.450.800, valor que en su mayoría se va
en costos de reparación del molino y esto se debe a que no es un equipo nuevo y de
mantenimiento simple. El detalle de estos costos se puede apreciar en el Anexo XXVII.
32
9. DIVULGACIÓN DE RESULTADOS EN EVENTOS ACADÉMICOS
El proyecto ha sido presentado con éxito en modalidad de ponencia en el XIV
Encuentro Regional de Semilleros de Investigación organizado por la Red Colombiana de
Semilleros de Investigación (REDCOLSI), nodo Bogotá, que se llevó a cabo en la
Universidad Agustiniana los días 11, 12 y 13 de mayo de 2016. La ponencia titulada
”DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Y TRANSPORTE DE MATERIAL
SÓLIDO PARA PRODUCCIÓN DE CARBÓN ACTIVADO DE LA PLANTA PILOTO
TECSOL” se presentó el día Jueves 12 de mayo a las 10:00 AM en el salón número 18. En
la siguiente figura se muestra la escarapela que corrobora la participación en dicho evento.
Allí se busca escoger los mejores proyectos de investigación para exponerlos en un
encuentro nacional, del cual fue elegido este proyecto para presentación en la ciudad de
Cúcuta durante los días 13 al 16 de octubre del 2016.
Figura 20 Fotografía de la escarapela de participación en el XIV Encuentro Regional de Semilleros de
Investigación.
Fuente: Elaboración propia.
33
10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Se logró mejorar el sistema de transporte de materia sólida al incorporar
transportadores de tornillo sinfín, en donde la manipulación del personal con la
materia sólida se redujo sustancialmente, de esta forma reduciendo los riegos del
personal y de igual forma, aumentando la productividad de la planta.
A pesar de que la alternativa número 5 era tenía la mejor distribución para el manejo
de gases y materia sólida, se debió descartar por motivos económicos y de
seguridad industrial, haciendo enriquecedora la opinión de otros involucrados en el
proyecto global para tomar una decisión que a futuro influirá en todos los aspectos
de la planta piloto, quedando como definitiva la alternativa 2.
Si bien para la planta piloto se utilizaron transportadores de tornillo sinfín, se debe
tener en cuenta otros mecanismos de transporte a la hora de realizar el escalado
industrial de la planta.
El uso de maquinaria de segunda acarrea que en un futuro no lejano los costos de
mantenimiento y tiempos muertos por reparaciones se vean incrementados, por lo
que se recomienda que en el escalado de la planta piloto se cuente con maquinaria
nueva.
Los métodos de presión hidrostática y de peso distribuido son métodos
conservadores, en donde se supone que el material siempre está en reposo, caso que
no sucede con el método de Janssen, en donde se supone que el material siempre
está entrando y saliendo de la tolva y es por esto que los valores de esfuerzo son
mayores para los dos primeros métodos.
En el diseño de las tolvas se tuvo en cuenta la forma, que fue evaluada por medio
de la matriz Pugh, en donde se mostró como buena alternativa dada su facilidad de
fabricación, bajo costo y además de aprovechar una lámina; la cual no tenía ningún
uso alguno.
La matriz Pugh es un método eficaz para determinar la conveniencia de desarrollar
un diseño, dado que en esta matriz se evidencia con mayor claridad los factores
críticos que deben ser tenidos en cuenta en la selección de una alternativa.
34
BIBLIOGRAFÍA
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New York, NY: McGraw-Hill Education.
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35
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goma/
whatissixsigma.net. (2016, marzo 25). Pugh Matrix. Recuperado 24 de octubre de 2016, a
partir de http://www.whatissixsigma.net/pugh-matrix/
36
Anexo I. Esquema de distribución de la planta actual
37
Anexo II. Esquema de distribución de planta – Alternativa 1
1 Horno de carbonización (HC)
2 Horno de activación (HA)
3 Tolva - Material Molido
4 Molino
5 Tolva - Material Carbonizado
6 Tolva - Material Terminado
7 Cámara de combustión
8 Ducto de gases entre hornos
9 Ducto de salida del gas
10 Tolva - Materia Prima
ALTERNATIVA 1
38
Anexo III. Esquema de distribución de planta – Alternativa 2
1 Horno de carbonización (HC)
2 Horno de activación (HA)
3 Tolva - Material Molido
4 Molino
5 Tolva - Material Terminado
6 Ducto de salida del gas
7 Ducto de gases entre hornos
8 Cámara de combustión
9 Tolva - Material Carbonizado
10 Tolva - Materia Prima
ALTERNATIVA 2
39
Anexo IV. Esquema de distribución de planta – Alternativa 2 con ajustes definitivos
ALTERNATIVA 2 1 Horno de carbonización (HC)
2 Horno de activación (HA)
3 Tolva - Material Molido
4 Molino
5 Tolva - Material Carbonizado
6 Ducto de salida del gas
7 Ducto de gases entre hornos
8 Cámara de combustión
9 Tolva - Materia Prima
10 Tolva - Material Carbonizado a horno de activación (HA)
11 Transporte - Molino a tolva material molido
12 Transporte - Tolva material carbonizado a HA
40
Anexo V. Esquema de distribución de planta – Alternativa 3
1 Horno de carbonización (HC)
2 Horno de activación (HA)
3 Molino
4 Tolva - Material Molido
5 Tolva - Material Carbonizado
6 Cámara de combustión
7 Ducto de gases entre hornos
8 Ducto de salida del gas
9 Tolva - Materia Prima
10 Tolva - Material Terminado
ALTERNATIVA 3
41
Anexo VI. Esquema de distribución de planta – Alternativa 4
1 Molino
2 Cámara de combustión
3 Tolva - Material Carbonizado
4 Tolva - Material Terminado
5 Ducto de salida del gas
6 Horno de activación (HA)
7 Horno de carbonización (HC)
8 Ducto de gases entre hornos
9 Tolva - Materia Prima
10 Tolva - Material Molido
ALTERNATIVA 4
42
Anexo VII. Esquema de distribución de planta – Alternativa 5
1 Horno de carbonización (HC)
2 Horno de activación (HA)
3 Tolva - Material Terminado
4 Ducto de gases entre hornos
5 Ducto de salida del gas
6 Molino
7 Cámara de combustión
8 Tolva - Material Carbonizado
9 Tolva - Materia Prima
10 Tolva - Material Molido
ALTERNATIVA 5
43
Anexo VIII. Esquema de distribución de planta – Alternativa 6
1 Molino
2 Tolva - Material Carbonizado
3 Horno de activación (HA)
4 Tolva - Material Molido
5 Cámara de combustión
6 Horno de carbonización (HC)
7 Tolva - Material Terminado
8 Ducto de gases entre hornos
9 Ducto de salida del gas
10 Tolva - Materia Prima
ALTERNATIVA 6
44
Anexo IX. Matriz Pugh evaluada por un integrante del grupo interdisciplinario
Criterios de evaluación Ta
sa
de
Im
po
rta
nc
ia
Pla
nta
Actu
al
Alte
rna
tiva
1
Alte
rna
tiva
2
Alte
rna
tiva
3
Alte
rna
tiva
4
Alte
rna
tiva
5
Alte
rna
tiva
6
Ubicación de quemador 1 s s + - s s s
Adecuaciones al horno carbonizador 5 s s - - + s +
Adecuaciones al horno activador 7 s s - - - - -
Ubicación de sistema de rotación de horno 2 s s + s - s s
Distancia de la tubería de transporte de gases entre hornos 9 s + + + s + +
Distancia y método de transporte del molino al HC 6 s + + + + + +
Distancia y método de transporte del HC al HA 3 s + + - s + +
Distancia del ducto de conducción de gases hacia el VTI 4 s + + + + + s
Ubicación del producto terminado 10 s s + + + + s
Ubicación de la materia prima 8 s s + + + + s
0 4 8 5 5 6 4
0 0 2 4 2 1 1
10 6 0 1 3 3 5
0 22 43 37 33 40 23
0 0 12 16 9 7 7
0 22 31 21 24 33 16
Suma de Negativos
Suma de Iguales
Peso Suma de Positivos
Peso Suma de Negativos
TOTAL
Pugh Matrix
Alternativas
Suma de Positivos
Selección de Concepto Mejora +
Igual SEmpeora -
AbreviaturasHorno de Carbonización HC
Horno de Activación HAVentilador de Tiro Inducido VTI
45
Anexo X. Resultados de Matriz Pugh
Evaluadores
Po
nd
era
ció
n
Pla
nta
Actu
al
Alte
rna
tiva
1
Alte
rna
tiva
2
Alte
rna
tiva
3
Alte
rna
tiva
4
Alte
rna
tiva
5
Alte
rna
tiva
6
Pedro Guevara 5 0 -2 9 -2 0 18 2
Germán Lopez 2 7 16 27 32 30 50 48
Germán Méndez 2 0 28 16 36 -48 48 -48
Julio Cesar Estevez 1 -19 -1 -49 -3 -16 49 -40
Fredy Martínez 2 30 40 54 8 -22 10 -4
Daniel Cifuentes 1 0 22 31 21 24 33 16
David Cortés 1 27 18 -3 -12 20 33 14
82 197 218 148 -52 421 -8TOTAL
Pugh Matrix - Resultados
Alternativas
46
Anexo XI. Cálculo de esfuerzos para la tolva de alimentación al secador.
Nombre Parámetro Valor Unidad Nombre Paramétro Valor Unidad Nombre Paramétro Valor Unidad
Densidad del
materialρb 490,03 kg/m
3Densidad del
materialρb 490,03 kg/m
3
Area
superficial del
cono
A 2,65 m2
Constante de
gravedadg 9,81 m/s
2Constante de
gravedadg 9,81 m/s
2Volumen del
conoVc 0,29 m
3
Diámetro
mayorD 1,30 m
Volumen total
de la tolvaV_total 1,71 m
3Densidad del
materialρ 490,025 kg/m
3
Coeficiente de
fricción
estático
µ 1,55 -
Masa del
material al
fondo del
W 836,07 kgConstante de
gravedadg 9,81 m/s
2
Constante K
de Janssenk 6,71
Arco del
diámetro
mayor de la
L_rt 1,12 mAltura del
cuerpohc 0,65 m
Presión
verticalPv 150,42 Pa
Área
superficial del
fondo del
A_1 4,08 m2
Altura del
conoht 0,50 m
Presión
horizontalPh 1008,88 Pa
Área
superficial del
cono
A_t 5,62 m2
Peso de la
porción de
material arriba
W 1382,47 N
Presión
resulanteR 1020,03 Pa
Masa del
material al
fondo del cono
W_r 1150,47 kgFuerza total
verticalFvt 9677,29 N
Peso del
material
distribuido
w 1,14 N/mm
Peso
distribuido
sobre la cara
P 11286,12 NFuerza
horizontalFh 2233,22 N
Espesor de
láminat 2,70 mm
Espesor de
láminat 2,70 mm
Fuerza
resultanteFr 9931,63 N
Momento de
inerciaI 1545,90 mm
4Momento de
inerciaI 1545,90 mm
4
Ángulo de la
fuerza
resultante
θ 77,01 °
Esfuerzo de
flexiónσf 0,07 MPa
Esfuerzo de
flexiónσf 2,75 MPa
Espesor de
láminat 2,70 mm
Esfuerzo
último a
tensión
Sut 300,00 MPa
Esfuerzo
último a
tensión
Sut 300,00 MPaMomento de
inerciaI 1545,90 mm
4
Límite de
fluenciaσy 225,00 MPa
Límite de
fluenciaσy 225,00 MPa
Esfuerzo de
flexiónσf 2,42 MPa
Factor de
seguridadN 3012,32 -
Factor de
seguridadN 81,68 -
Esfuerzo
último a
tensión
Sut 300,00 MPa
Esfuerzo de
diseñoσd 0,07 MPa
Esfuerzo de
diseñoσd 2,75 MPa
Límite de
fluenciaσy 225,00 MPa
Factor de
seguridadN 92,81 -
Esfuerzo de
diseñoσd 2,42 MPa
Presión hidrostáticaJanssen Peso distribuido
47
Anexo XII. Cálculo de esfuerzos para la tolva de alimentación al horno de
carbonización.
Nombre Parámetro Valor Unidad Nombre Paramétro Valor Unidad Nombre Paramétro Valor Unidad
Densidad del
materialρb 576,50 kg/m
3Densidad del
materialρb 576,50 kg/m
3
Area
superficial del
cono
A 3,98 m2
Constante de
gravedadg 9,81 m/s
2Constante de
gravedadg 9,81 m/s
2Volumen del
conoVc 0,29 m
3
Diámetro
mayorD 1,30 m
Volumen total
de la tolvaV_total 0,95 m
3Densidad del
materialρ 576,5 kg/m
3
Coeficiente de
fricción
estático
µ 1,55 -
Masa del
material al
fondo del
W 546,36 kgConstante de
gravedadg 9,81 m/s
2
Constante K
de Janssenk 6,71
Arco del
diámetro
mayor de la
L_rt 1,12 mAltura del
cuerpohc 0,65 m
Presión
verticalPv 176,96 Pa
Área
superficial del
fondo del
A_1 4,08 m2
Altura del
conoht 0,50 m
Presión
horizontalPh 1186,91 Pa
Área
superficial del
cono
A_t 3,98 m2
Peso de la
porción de
material arriba
W 1626,44 N
Presión
resulanteR 1200,03 Pa
Masa del
material al
fondo del cono
W_r 532,70 kgFuerza total
verticalFvt 16264,36 N
Peso del
material
distribuido
w 1,34 N/mm
Peso
distribuido
sobre la cara
P 5225,77 NFuerza
horizontalFh 3940,98 N
Espesor de
láminat 2,70 mm
Espesor de
láminat 2,70 mm
Fuerza
resultanteFr 16735,02 N
Momento de
inerciaI 1545,90 mm
4Momento de
inerciaI 1545,90 mm
4
Ángulo de la
fuerza
resultante
θ 76,38 °
Esfuerzo de
flexiónσf 0,09 MPa
Esfuerzo de
flexiónσf 1,28 MPa
Espesor de
láminat 2,70 mm
Esfuerzo
último a
tensión
Sut 300,00 MPa
Esfuerzo
último a
tensión
Sut 300,00 MPaMomento de
inerciaI 1545,90 mm
4
Límite de
fluenciaσy 225,00 MPa
Límite de
fluenciaσy 225,00 MPa
Esfuerzo de
flexiónσf 4,08 MPa
Factor de
seguridadN 2560,48 -
Factor de
seguridadN 176,39 -
Esfuerzo
último a
tensión
Sut 300,00 MPa
Esfuerzo de
diseñoσd 0,09 MPa
Esfuerzo de
diseñoσd 1,28 MPa
Límite de
fluenciaσy 225,00 MPa
Factor de
seguridadN 55,08 -
Esfuerzo de
diseñoσd 4,08 MPa
Janssen Peso distribuido Presión hidrostática
48
Anexo XIII. Cálculo de esfuerzos para la tolva de alimentación al horno de
activación.
Nombre Parámetro Valor Unidad Nombre Paramétro Valor Unidad Nombre Paramétro Valor Unidad
Densidad del
materialρb 466,49 kg/m
3Densidad del
materialρb 466,49 kg/m
3
Area
superficial del
cono
A 3,98 m2
Constante de
gravedadg 9,81 m/s
2Constante de
gravedadg 9,81 m/s
2Volumen del
conoVc 0,29 m
3
Diámetro
mayorD 1,30 m
Volumen total
de la tolvaV_total 0,95 m
3Densidad del
materialρ 466,49 kg/m
3
Coeficiente de
fricción
estático
µ 1,55 -
Masa del
material al
fondo del
W 442,10 kgConstante de
gravedadg 9,81 m/s
2
Constante K
de Janssenk 6,71
Arco del
diámetro
mayor de la
L_rt 1,12 mAltura del
cuerpohc 0,65 m
Presión
verticalPv 143,20 Pa
Área
superficial del
fondo del
A_1 1,33 m2
Altura del
conoht 0,50 m
Presión
horizontalPh 960,42 Pa
Área
superficial del
cono
A_t 3,98 m2
Peso de la
porción de
material arriba
W 1316,07 N
Presión
resulanteR 971,04 Pa
Masa del
material al
fondo del cono
W_r 1326,30 kgFuerza total
verticalFvt 13160,73 N
Peso del
material
distribuido
w 1,09 N/mm
Peso
distribuido
sobre la cara
P 13010,97 NFuerza
horizontalFh 3188,95 N
Espesor de
láminat 2,70 mm
Espesor de
láminat 2,70 mm
Fuerza
resultanteFr 13541,57 N
Momento de
inerciaI 1545,90 mm
4Momento de
inerciaI 1545,90 mm
4
Ángulo de la
fuerza
resultante
θ 76,38 °
Esfuerzo de
flexiónσf 0,07 MPa
Esfuerzo de
flexiónσf 3,18 MPa
Espesor de
láminat 2,70 mm
Esfuerzo
último a
tensión
Sut 300,00 MPa
Esfuerzo
último a
tensión
Sut 300,00 MPaMomento de
inerciaI 1545,90 mm
4
Límite de
fluenciaσy 225,00 MPa
Límite de
fluenciaσy 225,00 MPa
Esfuerzo de
flexiónσf 3,31 MPa
Factor de
seguridadN 3164,30 -
Factor de
seguridadN 70,85 -
Esfuerzo
último a
tensión
Sut 300,00 MPa
Esfuerzo de
diseñoσd 0,07 MPa
Esfuerzo de
diseñoσd 3,18 MPa
Límite de
fluenciaσy 225,00 MPa
Factor de
seguridadN 68,07 -
Esfuerzo de
diseñoσd 3,31 MPa
Presión hidrostáticaJanssen Peso distribuido
49
Anexo XIV. Planos de la tolva de alimentación a molino
50
Anexo XIV. Planos de la tolva de alimentación a molino (Continuación)
51
Anexo XV. Planos de la tolva de alimentación a horno de carbonización
52
Anexo XV. Planos de la tolva de alimentación a horno de carbonización
(Continuación)
53
Anexo XVI. Planos de la tolva de alimentación a horno de activación
54
Anexo XVI. Planos de la tolva de alimentación a horno de activación (Continuación)
55
Anexo XVII. Cálculo del tornillo transportador – Pila de materia prima a secador
Densidad ρ 490,05 kg/m3
Temperatura de operación To 17,00 °C
Longitud del transportador L 5800,00 mm
Altura de tranporte h 5700,00 mm
Flujo másico de material requerido M 104,17 kg/h
Capacidad requerida Q 0,21 m3/h
Factor de paso especial del tornillo CF1 1,00 -
Factor de forma de la hélice CF2 1,00 -
Factor de capacidad modificada de la
héliceCF3
1,00 -
Capacidad equivalente C 0,21 m3/h
Capacidad a 1 RPM - 0,41 m3/h*rad/s
Rotación angular N 0,52 rad/s
Factor de fricción debido al diámetro
del transportadorFd
18,00 -
Factor de fricción debido a los
soportes deslizantesFb
1,00 -
Potencia requerida para vencer
fricciónHPf
1,28 W
Factor de material Fm 1,40 -
Factor de potencia de hélices
modificadasFf
1,00 -
Factor de deslizamiento de hélice Fp 1,00 -
Potencia requerida para desplazar el
material horizontalmenteHPh
4,56 W
Potencia requerida para desplazar el
material verticalmenteHPv
1,62 W
Factor de sobrecarga F0 4,99 -
Eficiencia de la transmisión e 0,93 -
Potencia total HPt 40,03 W
Peso aproximado del tornillo Wt 309,53 N
Módulo de elasticidad del acero E 207,00 GPa
Momento de inercia del eje del tornillo It 276646,98 mm4
Deflexión del tornillo Dt 2,75 mm
Peso aproximado del tornillo Wc 1607,94 N
Momento de inercia de la cubierta Ic 11716231,20 mm4
Deflexión de la cubierta Dc 0,34 mm
Coeficiente de dilatación térmica del
acero α 1,20E-051/°C
Enlongamiento del tornillo por
temperatura ΔLt 0mm
Torque mínimo necesario para el
tornilloτ 76,38 N m
56
Anexo XVIII. Cálculo del tornillo transportador – Tolva material seco a molino
Nombre Paramétro Valor Unidad
Densidad ρ 576,50 kg/m3
Temperatura de operación To 80,00 °C
Longitud del transportador L 4000,00 mm
Altura de tranporte h 3500,00 mm
Flujo másico de material requerido M 104,17 kg/h
Capacidad requerida Q 0,18 m3/h
Factor de paso especial del tornillo CF1 1,00 -
Factor de forma de la hélice CF2 1,00 -
Factor de capacidad modificada de la
héliceCF3
1,00 -
Capacidad equivalente C 0,18 m3/h
Capacidad a 1 RPM - 0,41 m3/h*rad/s
Rotación angular N 0,45 rad/s
Factor de fricción debido al diámetro
del transportadorFd
18,00 -
Factor de fricción debido a los
soportes deslizantesFb
1,00 -
Potencia requerida para vencer
fricciónHPf
0,75 W
Factor de material Fm 1,40 -
Factor de potencia de hélices
modificadasFf
1,00 -
Factor de deslizamiento de hélice Fp 1,00 -
Potencia requerida para desplazar el
material horizontalmenteHPh
3,15 W
Potencia requerida para desplazar el
material verticalmenteHPv
0,99 W
Factor de sobrecarga F0 5,24 -
Eficiencia de la transmisión e 0,93 -
Potencia total HPt 27,54 W
Peso aproximado del tornillo Wt 213,47 N
Módulo de elasticidad del acero E 207,00 GPa
Momento de inercia del eje del tornillo It 276646,98 mm4
Deflexión del tornillo Dt 0,62 mm
Peso aproximado del tornillo Wc 1108,92 N
Momento de inercia de la cubierta Ic 11716231,20 mm4
Deflexión de la cubierta Dc 0,08 mm
Coeficiente de dilatación térmica del
acero α 1,20E-051/°C
Enlongamiento del tornillo por
temperatura ΔLt 3,024mm
Torque mínimo necesario para el
tornilloτ 61,82 N m
57
Anexo XIX. Cálculo del tornillo transportador – Molino a tolva alimentación a HC
Nombre Paramétro Valor Unidad
Densidad ρ 576,50 kg/m3
Temperatura de operación To 60,00 °C
Longitud del transportador L 4000,00 mm
Altura de tranporte h 3500,00 mm
Flujo másico de material requerido M 104,17 kg/h
Capacidad requerida Q 0,18 m3/h
Factor de paso especial del tornillo CF1 1,00 -
Factor de forma de la hélice CF2 1,00 -
Factor de capacidad modificada de la
héliceCF3
1,00 -
Capacidad equivalente C 0,18 m3/h
Capacidad a 1 RPM - 0,41 m3/h*rad/s
Rotación angular N 0,45 rad/s
Factor de fricción debido al diámetro
del transportadorFd
18,00 -
Factor de fricción debido a los
soportes deslizantesFb
1,00 -
Potencia requerida para vencer
fricciónHPf
0,75 W
Factor de material Fm 1,40 -
Factor de potencia de hélices
modificadasFf
1,00 -
Factor de deslizamiento de hélice Fp 1,00 -
Potencia requerida para desplazar el
material horizontalmenteHPh
3,15 W
Potencia requerida para desplazar el
material verticalmenteHPv
0,99 W
Factor de sobrecarga F0 5,24 -
Eficiencia de la transmisión e 0,93 -
Potencia total HPt 27,54 W
Peso aproximado del tornillo Wt 213,47 N
Módulo de elasticidad del acero E 207,00 GPa
Momento de inercia del eje del tornillo It 276646,98 mm4
Deflexión del tornillo Dt 0,62 mm
Peso aproximado del tornillo Wc 1108,92 N
Momento de inercia de la cubierta Ic 11716231,20 mm4
Deflexión de la cubierta Dc 0,08 mm
Coeficiente de dilatación térmica del
acero α 1,20E-051/°C
Enlongamiento del tornillo por
temperatura ΔLt 2,064mm
Torque mínimo necesario para el
tornilloτ 61,82 N m
58
Anexo XX. Cálculo del tornillo transportador – HC a tolva alimentación HA
Nombre Paramétro Valor Unidad
Densidad ρ 466,49 kg/m3
Temperatura de operación To 500,00 °C
Longitud del transportador L 5800,00 mm
Altura de tranporte h 1000,00 mm
Flujo másico de material requerido M 62,50 kg/h
Capacidad requerida Q 0,13 m3/h
Factor de paso especial del tornillo CF1 1,00 -
Factor de forma de la hélice CF2 1,00 -
Factor de capacidad modificada de la
héliceCF3
1,00 -
Capacidad equivalente C 0,13 m3/h
Capacidad a 1 RPM - 0,41 m3/h*rad/s
Rotación angular N 0,33 rad/s
Factor de fricción debido al diámetro
del transportadorFd
18,00 -
Factor de fricción debido a los
soportes deslizantesFb
1,00 -
Potencia requerida para vencer
fricciónHPf
0,81 W
Factor de material Fm 1,40 -
Factor de potencia de hélices
modificadasFf
1,00 -
Factor de deslizamiento de hélice Fp 1,00 -
Potencia requerida para desplazar el
material horizontalmenteHPh
2,74 W
Potencia requerida para desplazar el
material verticalmenteHPv
0,17 W
Factor de sobrecarga F0 5,30 -
Eficiencia de la transmisión e 0,93 -
Potencia total HPt 21,15 W
Peso aproximado del tornillo Wt 309,53 N
Módulo de elasticidad del acero E 207,00 GPa
Momento de inercia del eje del tornillo It 276646,98 mm4
Deflexión del tornillo Dt 2,75 mm
Peso aproximado del tornillo Wc 1607,94 N
Momento de inercia de la cubierta Ic 11716231,20 mm4
Deflexión de la cubierta Dc 0,34 mm
Coeficiente de dilatación térmica del
acero α 1,20E-051/°C
Enlongamiento del tornillo por
temperatura ΔLt 33,6168mm
Torque mínimo necesario para el
tornilloτ 64,03 N m
59
Anexo XXI. Plano del tornillo transportador – Pila de materia prima a secador
60
Anexo XXII. Plano del tornillo transportador – Tolva material seco a molino
61
Anexo XXIII. Plano del tornillo transportador – Molino a tolva alimentación a HC
62
Anexo XXIV. Plano del tornillo transportador – HC a tolva alimentación HA
63
Anexo XXV. Cronograma del proyecto.
Fase Actividad Semana
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Inicio del
proyecto
Visita técnica a las instalaciones de TECSOL, levantamiento de
dimensiones de equipos actuales y sitio donde se ubicará la planta piloto.
Análisis
preliminar
Diseño de alternativas para la distribución de la planta.
Selección de la mejor alternativa
Análisis mecánico de la mejor alternativa
Diseño
Ingeniería de detalle de la mejor alternativa
Diseño del sistema de alimentación
Diseño del sistema de transporte del material sólido
Plan de montaje y mantenimiento
Estimación de
costos del proyecto
Resultados
Elaboración de la propuesta de
grado a la universidad
Redacción del informe de
investigación
Elaboración de documentación técnica
Validación y correcciones
Entrega de ingeniería de detalle de la propuesta
Evaluación
Revisión Final
Corrección definitiva y entrega del informe de investigación a la
universidad
64
Anexo XXVI. Hoja de cálculo de costos de diseño, investigación, materiales y
procesos.
1C
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$
6.0
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3
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2.1
24
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2
.12
4.4
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50
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65
Anexo XXVI. Hoja de cálculo de costos de diseño, investigación, materiales y
procesos (Continuación).
22.010.055$
ItemNombre
pieza/componente
Horas de
trabajoDiseño Investigación
Total
UnitarioTotal final
1 Tolvas 120 7.500$ 7.500$ 15.000$ 1.800.000$
2 Tornillos transportadores 50 7.500$ 7.500$ 15.000$ 750.000$
3 Transporte entre hornos 70 7.500$ 7.500$ 15.000$ 1.050.000$
4 Estructuras y soportes 30 7.500$ 7.500$ 15.000$ 450.000$
5 Software siemens NX 10 426 27.397$ -$ 27.397$ 11.671.233$
6 Software Ansys 216 27.397$ -$ 27.397$ 5.917.808$
7 Bases de datos 488 -$ 760$ 760$ 371.014$
Costos de Diseño e Investigación Costo total producción
66
Anexo XXVII. Hoja de cálculo de costos de operación y mantenimiento de los
equipos.
Costos de mantenimiento anuales
Costos Costo total en
consumible
Horas
hombre
totales
Costo total en personal Costo total en
mantenimiento
Tolva material seco $ 75.000,00 9 $ 40.500,00 $ 115.500,00
Tolva alimentación HC
$ 75.000,00 9 $ 40.500,00 $ 115.500,00
Tolva alimentación HA
$ 75.000,00 9 $ 40.500,00 $ 115.500,00
Transportador 1 $ 228.000,00 17,5 $ 78.750,00 $ 306.750,00
Transportador 2 $ 228.000,00 17,5 $ 78.750,00 $ 306.750,00
Transportador 3 $ 228.000,00 17,5 $ 78.750,00 $ 306.750,00
Transportador 4 $ 228.000,00 17,5 $ 78.750,00 $ 306.750,00
Molino $ 799.000,00 17,4 $ 78.300,00 $ 877.300,00
TOTAL $ 1.936.000 114,4 $ 514.800 $ 2.450.800
Costos de consumo eléctrico
Costos Consumo
eléctrico [kWh] Costo consumo eléctrico al mes
Tolva material seco 0,00 $ -
Tolva alimentación HC
0,00 $ -
Tolva alimentación HA
0,00 $ -
Transportador 1 8,88 $ 121.478,40
Transportador 2 8,88 $ 121.478,40
Transportador 3 8,88 $ 121.478,40
Transportador 4 8,88 $ 121.478,40
Molino 10,00 $ 136.800,00
TOTAL 45,52 kWh $ 622.713,60