OF: DIS_22

CLIENTE: PROYECTO:

BIOFACTORESTUDIO DE SISTEMA DE CLARIFICACIN DE ACEITE

REV.FECHADESCRIPCINEJECUTFIRMA

0MAYO, 2012 INFORME TCNICO F.MONTALVO

RESUMEN

El presente informe abarca el anlisis del sistema de clarificacin adquirido por Biofactor para obtener un aceite con nivel de transparencia de acuerdo a la norma ASTM D-1500 nivel 2 acorde a las necesidades actuales de la planta. Se inicia el informe con una breve explicacin de lo que es Biofactor y se explican los requerimientos del nuevo sistema de clarificacin deseado tales como el incremento de la produccin diaria, la capacidad de obtener un sistema con un tiempo de produccin de siete das a la semana y la capacidad de regeneracin de la arcilla de clarificacin como mnimo de 50 veces.A continuacin se detalla el proceso actual de fabricacin de aceite re-refinado y el proceso esperado con el nuevo sistema adquirido.En el captulo 3 se analiza detalladamente solo el proceso de clarificar el aceite y se analiza el proceso esperado con el nuevo sistema para clarificar este aceite.En el captulo 4 se detalla el funcionamiento real tal cual sucedi en la planta al ser probado el nuevo sistema de clarificacin y se describe la evidencia fotogrfica de lo sucedido en aquellas pruebas. Se observa arcillas quemadas por zonas, arcillas impregnadas con aceite en otras y tubos de inyeccin y salida de aire carbonizados.El captulo 5 establece los criterios de falla en el sistema de clarificacin para esto se procede a un anlisis de transferencia de calor en el contenedor que hace el papel de clarificador, obtenindose las siguientes conclusiones. El sistema si clarifica dentro de los parmetros especificados en la oferta. El sistema no regenera la arcilla y por lo tanto no cumple con esta especificacin estipulada en la oferta y requerida por Biofactor. El diseo no cumple con las caractersticas especificadas en la compra pues a ms de no regenerar la arcilla, la termina quemando. El coeficiente de conveccin es muy bajo y no se transfiere calor de forma homognea hacia el centro del reservorio. La arcilla se quema en el contorno de contacto interior del tubo porque no es un conductor y al autoencederse el aceite la flama carboniza a la arcilla. Las flautas se carbonizan porque el contorno del lecho se fluidiza y aumenta de gran manera la transferencia de calor ocasionando incremento de temperatura y autoencendiendo el aceite en su contorno quemando la arcilla y las flautas. Finalmente el sistema no cumple con los requerimientos especificados en la oferta por el proveedor debido a parmetros de diseo como sistema de calentamiento, flujo, suministro de aire que en un conjunto no permiten que el sistema de clarificacin acte de forma competente y en base a lo solicitado por Biofactor.

TABLA DE CONTENIDO1GENERALIDADES11.1.Acerca de Biofactor11.2.Antecedentes11.2.1 Rendimiento del proceso sin sistema de clarificacin11.2.2 Descripcin del requerimiento11.2.3 Rendimiento esperado del proceso2

2DESCRIPCIN DEL PROCESO DE CLARIFICACIN42.1.Proceso de clarificacin actual 42.2.Proceso esperado con nuevo sistema de clarificacin103.ANLISIS DEL SISTEMA DE CLARIFICACIN133.1.Anlisis del sistema actual de clarificacin133.2.Anlisis del sistema requerido de clarificacin y funcionamiento del sistema de clarificacin suministrado por la empresa proveedora13

4.FUNCIONAMIENTO REAL Y EVIDENCIA Del sistema de clarificacin obtenido.175.ANLISIS DE falla en el SISTEMA DE CLARIFICACIN185.1.Anlisis del modelo adecuado y anlisis de transferencia de calor 225.2.Anlisis de resultados29

6.conclusiones 34

Ing. Fernando Montalvo Ingeniera de Proyectos y Construccin. Reg. Prof. 04-09-805

INFORME TCNICO

Proyecto: Sistema de Clarificacin de aceiteContiene: Estudio y anlisis del Sistema de Clarificacin. CdigoMBIT01-PSCBF-IT-R0

Mayo,2012R1

Ing. Fernando Montalvo Reg. Prof. 04-09-805 ----------------------------------------

GENERALIDADES

1.1Acerca de Biofactor

BIOFACTOR es una empresa que se dedica a la recoleccin, transporte, y acopio temporal de aceite en diferentes ciudades del Ecuador. Transporta aceite reciclado hacia el cantn Duran (Km. 9.5 de la Va Duran-Tambo) en donde se encuentra su planta de re-refinacin de aceite usado y una planta de blending para la produccin de aceite lubricante.Biofactor recicla los aceites usados para convertirlos en bases lubricantes que se utilizan para la elaboracin de aceites lubricantes nuevos.Se ocupa tambin de la disposicin final de los aceites usados no utilizados en su proceso industrial, de una manera compatible con las normas ambientales dirigindolos a los hornos de Holcim.Elabora y comercializa la marca de lubricantes Aroil que son fabricados en la planta de blending de materias primas importadas, tambin realiza el blending de lubricantes de terceras marcas.

1.2Antecedentes

1.2.1Rendimiento del proceso sin sistema de clarificacin

El rendimiento actual del proceso de rerefinacin de aceite entrega 22000 galones de base rerefinada en promedio mensual.El sistema clarifica el aceite mediante la actuacin de un filtro prensa el cual contiene mallas que permiten obtener el nivel de clarificacin deseada a partir del paso de aceite mediante compresin mecnica.1.2.2Descripcin del requerimiento

El sistema actual si bien clarifica posee algunos inconvenientes que se pasan a detallar: Baja productividad al ser netamente un proceso de clarificacin en filtro prensa con sistema manual. Tiempos muertos elevados en cambios de sistema de mallas por reposicin de estas en el filtro prensa. Pasivo ambiental elevado lo que implica excesivo costo de eliminacin de estos mediante incineracin. Excesivo costo marginal de produccin debido a las causas antes anotadas.Por tal motivo era necesario implementar un sistema que sea capaz de solventar las deficiencias en los puntos antes mencionados; es decir, aumentar la productividad, disminuir tiempos muertos, disminuir pasivos ambientales y disminuir costos marginales de produccin.En oficio No BF0016, emitido en la ciudad de Quito el 20 de septiembre de 2010, la empresa Global Fluids present una oferta econmica la cual tena como funcin establecer los costos que conlleva un sistema que permita que los puntos anteriormente expresados con vietas se cumplan.El sistema de clarificacin propuesto usa un sistema de produccin continua y el medio filtrante puede ser recuperado hasta 50 veces por lote, lo que implica que este sistema podra aumentar la produccin, disminuir los tiempos muertos pues el recambio de arcillas se lo realizara cada 50 pases de aceite (como mnimo) y por lo tanto disminuir el pasivo ambiental pues ahora se lo elimina cada 50 veces, y al final el costo marginal de produccin disminuye.

1.2.3Rendimiento esperado del proceso

Despus de la instalacin del sistema se esperaban los siguientes resultados: Incremento de la produccin en aproximadamente un 900% pues de los 22000 galones mensuales en promedio que actualmente se producen, el sistema de clarificacin de Global Fluids ofreca 200000 galones tratados y producidos cada mes. Tiempo de produccin 7 das a la semana. Capacidad de regeneracin de la arcilla de clarificacin hasta 50 veces.

DESCRIPCIN DEL PROCESO DE CLARIFICACIN

2.1Proceso de clarificacin actual

La clarificacin en general consiste en mejorar la calidad de aceite reciclado mediante un proceso de re-refinacin. Este producto obtenido se denomina aceite re-refinado. El proceso comienza cuando llegan los tanqueros con la materia prima (aceite usado) y se somete a este aceite a pruebas de inflamabilidad para conocer si este es apto para el proceso de re-refinado.En el caso de pasar las pruebas se conecta el tanquero al banco de bombas (ver figura 1) y se lo enva a los tanques de almacenamiento 2 y 4 (ver figura 2).

Figura 1. Banco de bombas para descarga de materia prima

Figura 2. Tanques de almacenamiento de aceite usado

De los tanque 2 y 4 sale a un tanque denominado R2 cuya funcin es aumentar la temperatura del aceite para bajar su viscosidad mediante un sistema de vapor. Sale de R2 y este aceite se lo hace pasar por dos filtros. El primero con un nivel de filtrado de 40 mesh y el segundo con un nivel de filtrado de 60 mesh, luego de pasar por estos filtros el aceite se dirige a un separador mecnico vibratorio (ver figura 3) en donde se separan los slidos y se obtiene aceite pre-filtrado. Los slidos con aceite retornan a R2 para volver a pasar por el proceso.

Figura 3. Separador mecnico vibratorio

El aceite pre-filtrado llega al tanque T100 el cual acta como tanque abastecedor o pulmn para los tanques T200 y T300 donde el aceite se calienta con vapor para bajar la viscosidad y eliminar humedad mediante un proceso de transferencia de calor por conveccin con agitacin.Sale de los tanques T200 y T300 y se dirige al filtro principal previo el paso obligatorio de 2 filtros de 60 mesh. Entra al filtro principal vibratorio (ver figura 4) y sale para dirigirse al tanque de almacenamiento de aceite permeado o filtrado, tanque T400.

Figura 4. Filtro principal vibratorio VSEP

En el caso del desperdicio este retorna a T200 y T300 a repetir el proceso hasta que la calidad de este no sea ptima y se enva a un tanque de almacenamiento para posterior eliminacin.El aceite permeado sale de T400 y llega al tanque R3 y se incrementa la temperatura de este para mezclarlo con arcilla puesto que se logra una mayor adherencia. En el reactor R3 se suministra arcilla por la parte superior hasta en un 25% de porcentaje en peso.Sale el aceite permeado con arcilla adherida despus de un tiempo de mezclado hacia el filtro prensa, en el cual mediante la accin mecnica de un sistema de prensa se obtiene el aceite clarificado y la separacin de la arcilla activada (ver figura 5). Para una visualizacin general de todo el proceso ver figuras 6 y 7 las cuales describen el flujo del proceso actual en la planta de Biofactor.

Figura 5. Filtro prensa para obtencin de aceite clarificado.

Figura 6. Esquema del proceso en perspectiva.

Figura 7. Esquema del proceso en planta y lnea de flujo.

Figura 8. Diagrama de procesos.2.2Proceso esperado con nuevo sistema de clarificacin.

El proceso es idntico hasta el punto de recepcin de aceite permeado o filtrado en el tanque T400. A partir de ese punto de almacenamiento de aceite permeado se esperaba contar con el sistema de clarificacin suministrado por la empresa Global Fluids y obtener el aceite re-refinado directamente sin pasar por el sistema de filtro prensa.En la figura 9 se muestra una comparacin entre los procesos a nivel de procedimientos aplicados en la obtencin del aceite re-refinado con el mtodo actual y con el mtodo del sistema de clarificacin deseado.Se observa claramente que el sistema de clarificacin deseado sustituye el proceso a ejecutarse en el reactor 3, en el cual se mezcla y se trata de homogeneizar la arcilla con el aceite previo al paso en el filtro prensa. El objeto de mezclar arcilla con aditivos al aceite permeado es para eliminar los hidrocarburos existentes en este tipo de aceite. La arcilla con aditivos permite la eliminacin de estos hidrocarburos limpiando el aceite permeado para despus, mediante un proceso de filtrado obtener un aceite bajo la norma ASTM D-1500 Tipo 2, que es el nivel de clarificacin mnimo deseado. El patrn de colores para diversos niveles de clarificacin de aceite se encuentra detallado en la tabla 1.

Tabla 1. Patrones de color para aceite clarificado bajo la norma ASTM D-1500.

Figura 9. Procedimiento aplicado para la clarificacin de aceite.

ANLISIS DEL SITEMA DE CLARIFICACIN

3.1Anlisis del sistema actual de clarificacin

El sistema de clarificacin actual es constituido en el proceso llevado a cabo entre el tanque reactor R3 y el filtro prensa. El aceite sale del tanque de aceite permeado y llega a R3 en donde se incrementa la temperatura de este para mezclarlo con arcilla puesto que se logra una mayor adherencia. En el reactor R3 se suministra arcilla por la parte superior hasta en un 25% de porcentaje en peso.Bsicamente la arcilla activada reacciona con los hidrocarburos del aceite eliminando estos por adsorcin y permitiendo que el aceite aumente su nivel de transparencia ante la luminosidad; es decir, clarificndolo. Uno de los problemas que surge con este mtodo es el excedente de pasivo ambiental obtenido en este proceso, pues, la arcilla extrada despus de haber pasado por el filtro prensa no puede ser reutilizada y debe someterse a un proceso de eliminacin de desechos slidos. Los costos marginales implicados en los procesos de no re-utilizacin de arcillas y en el proceso de eliminacin de arcillas son relativamente altos al proceso de produccin. Debido a ello la empresa Global Fluids present una oferta en la cual detallaba ciertas caractersticas deseadas para mejorar el proceso.

3.2Anlisis del sistema requerido de clarificacin y funcionamiento del sistema de clarificacin suministrado por la empresa proveedora.

El sistema de clarificacin requerido debe cumplir bsicamente con tres especificaciones deseadas: Clarificar el aceite permeado que entra a este sistema mnimo en un nivel 2 acorde a la norma ASTM D-1500. Aumentar la productividad, es decir que tenga la capacidad de manejar un alto flujo de aceite por hora para ser clarificado. Reutilizar la arcilla activada por lo menos 50 veces, pues con esto se consigue comprar menos cantidad de arcilla para el mismo nmero de galones por da que actualmente se producen y disminuir los costos de eliminacin de pasivos pues al utilizar menor cantidad de arcillas menor ser el costo de su eliminacin. Segn lo explicado por los tcnicos de Biofactor y de acuerdo a la oferta presentada por Global Fluids y establecida en el anexo 1 en donde se detallan el diseo y los parmetros del sistema por ellos ofrecido se observa que este sistema de clarificacin debera cumplir con los parmetros requeridos pues acorde al tem 8 de la oferta en la seccin diseo y parmetros del sistema se puede obtener un aceite clarificado tipo 1. De acuerdo al tem 1 de la misma seccin se puede obtener 989 galones por da de cada mdulo por lo cual se aumenta la productividad. Por ltimo de acuerdo al tem 5 de la misma seccin se puede regenerar el medio filtrante (la arcilla) por lo menos 50 veces lo cual cumple con las tres especificaciones requeridas.El sistema de Global Fluids debera funcionar de la siguiente manera:El aceite permeado se dirige al sistema de clarificacin a cierta temperatura (aprox. 100 grados centgrados) pues ya viene pre-calentado del tanque de permeado. Se recepta el aceite en tanques pequeos alimentadores y se bombea este para pasar por los tanques de clarificacin que se encuentran en un mdulo. Un mdulo consiste en una estructura fabricada de perfiles de acero el cual posee dos reservorios tipo filtros que contienen en su interior arcilla activada por los cuales el aceite permeado debe pasar para eliminar el hidrocarburo (ver figura 10).

Figura 10. Mdulos de clarificacin de aceite.

Para esto cada reservorio se llena de arcilla activada con caractersticas especificadas en el anexo 2, el aceite fluye en el interior de este reservorio haciendo contacto superficial con la arcilla activada, la cual mediante un procedimiento de adsorcin retiene molecularmente al hidrocarburo produciendo un aceite clarificado.La arcilla para ser reutilizada (50 veces mnimo) debe regenerarse y para esto se utiliza calor. Se introduce una fuente externa de energa (resistencia elctrica) y mediante un proceso de transferencia de calor por conduccin a travs de las paredes del reservorio y conveccin a travs del fluido se debe ir aumentando la temperatura de la arcilla hasta alcanzar la mnima deseada para producir la evaporacin del hidrocarburo y tener la arcilla nuevamente en condiciones adecuadas para afrontar otros pases de aceite. Para aumentar la conveccin y obtener una mejor distribucin de temperatura segn lo explicado este diseo introduce flautas de aire que inyectan un flujo de aire en el interior del sistema y lo extrae mediante un sistema de vaco. El aire al entrar debido a la diferencia de presin aumenta la velocidad del flujo y por lo tanto aumenta la rapidez de transferencia de calor por conveccin esperando conseguir la esperada distribucin de temperaturas para lograr la eliminacin del hidrocarburo en la arcilla y conseguir la regeneracin.

FUNCIONAMIENTO REAL Y EVIDENCIA DEL SISTEMA DE CLARIFICACIN OBTENIDO.

Funcionamiento observado del sistema de clarificacin.

El sistema comenz a probarse en presencia y bajo la direccin de un representante de la compaa Global Fluids de nacionalidad estado-unidense, pues bsicamente este sistema fue diseado por una compaa de origen norteamericana. Se introdujo aceite permeado y se comenz con el proceso. La bomba de vaco produjo el efecto succin para crear las corrientes de aire en el interior del reservorio. Las resistencias elctricas comenzaron a calentar hasta estabilizarse a una temperatura de 700 F (aprox. 370 C) medido con un termgrafo, el cual permite sensar la temperatura superficial del reservorio. A partir de esta temperatura superficial de 370 C comienza a existir 2 tipos de transferencia de calor (ver figura 11).

Figura 11. Temperatura en la superficie del reservorio ocasionada por resistencias elctricas de 8000 Watts.

Radiacin desde la superficie hacia el exterior, conduccin a travs del espesor del reservorio cilndrico son las principales formas de transferencia de calor que se dan desde la superficie. La conveccin desde la superficie hacia los alrededores es prcticamente despreciable debido a que no hay mucho viento al contorno del reservorio (atmsfera controlada por estar dentro de un recinto cerrado). El calor se transfiere desde la superficie a travs del espesor del reservorio y en el interior de este se obtiene una temperatura especfica. Mientras tanto el aceite fluye a travs del lecho relleno de arcilla con una velocidad determinada lo cual produce un coeficiente de conveccin interno y se transfiere calor por conveccin. Para aumentar la transferencia de calor y producir homogenizacin de corrientes con el fin de que la arcilla alcance la temperatura adecuada para que se pueda producir regeneracin se inyecta en el sistema aire a presin (ver figura 12).Despus de realizar algunas pruebas se obtienen los siguientes resultados no cuantificables. El aceite sale clarificado a un nivel aproximado al solicitado del sistema de clarificacin (ver figura 13). La arcilla experimenta comportamientos diferentes en lugares distintos. En el contorno, es decir en la zona de contacto con la pared interna del reservorio se observa una arcilla mayormente carbonizada (ver figura 14). Hacia el interior se observan zonas en donde la arcilla se ha carbonizado y zonas en donde ni siquiera ha alcanzado una temperatura que permita eliminar el hidrocarburo y causar la regeneracin (ver figura 15). Las zonas en donde se ha carbonizado la arcilla son lugares anexos a las flautas de inyeccin de aire, logrando incluso destruir estas en algunos casos (ver figura 16).Para afrontar este problema el proveedor sugiri se disminuya la masa de arcilla existente en el reservorio haciendo estos de menor dimetro para tener menor radio y poder alcanzar as las zonas en donde la arcilla no alcanz la temperatura mnima para la eliminacin del hidrocarburo.Se realizaron nuevas pruebas pero se obtuvieron los mismos resultados.

Figura 12. Reservorio de clarificacin

Figura 13. Aceite clarificado obtenido del sistema de clarificacin

Figura 14. Arcilla carbonizada y arcilla no regenerada

Figura 15. Zonas de arcilla hmeda y quemada

Figura 16. Flautas de ingreso y salida de aire carbonizadas debido a la temperatura.

ANLISIS DE FALLAS EN EL SISTEMA DE CLARIFICACIN.

Este captulo presenta un anlisis de las fallas encontradas en el proceso de clarificacin en el captulo anterior en cuanto a la no regeneracin de la arcilla y el aparente proceso de carbonizacin aleatorio de esta. Adems se analizara el proceso de incremento de temperatura en los alrededores de las flautas inyectoras de aire produciendo la destruccin d estas.

5.1 Anlisis del modelo adecuado y anlisis de transferencia de calor.

El sistema de clarificacin es un reservorio cilndrico relleno completamente con arcilla activada a travs de la cual el aceite penetra limpindose e interactuando con la arcilla para eliminar los hidrocarburos. En funcin de este criterio el anlisis es el de un fluido que atraviesa un lecho relleno de partculas slidas. Sin embargo en el contorno muy cercano a las flautas el aire fluidiza la arcilla obtenindose velocidades altas al contorno de estas, el modelo a seguir en esa regin es el de lechos fluidizados. De acuerdo a datos tomados en Biofactor el aceite llega un punto en el que se autoenciende en esos momentos el modelo es prcticamente un horno. Por lo tanto analizaremos los 3 modelos iniciando por el que predomina en el proceso, el de lecho relleno con partculas slidas.El proceso empieza con el calentamiento en la parte externa con resistencias elctricas de 8000 W (watts), comienza a incrementar la temperatura hasta que llega un punto en donde aparentemente consigue estabilidad (sin embargo esto no sucede pues la resistencia sigue entregando calor pero debido a las condiciones de trabajo alcanza una temperatura de operacin aparentemente estable), esta temperatura se midi con un termgrafo y se obtuvo 700 F (aprox. 370 C). De aqu analizando la conduccin a travs del espesor de 10 mm de la coraza del tubo.q = K A (T/X) (1)Dado que la transferencia de calor es en un ducto circular la ecuacin 1 se convierte en:q = (2KL T)/ (ln re/ri) (2)Donde:q es la transferencia de calor a travs de la pared 8000 WK es la conductividad trmica del acero 43 W / m CL es la longitud en m en donde acta la resistencia 250 mmT es la variacin de temperatura entre las paredes externas e internas del tubo en C.re es el radio externo del tubo 310 mmri es el radio interno del tubo 300 mmEvaluando los valores respectivos en la ecuacin 2 se obtiene una variacin de temperatura de 3.9 C como la pared externa se encuentra a 370 C, entonces la pared interna en esos momentos estar a 366 C (en realidad estar a menos pues una parte de los 8000 W se pierde en forma de radiacin hacia los alrededores, pero trabajando con este valor obtendremos valores para predecir el comportamiento). Una vez que se ha determinado la temperatura comenzamos a analizar las formas en que principalmente se puede transferir calor hacia el interior del tubo, es decir hacia el centro de este para llegar a todos los puntos de la arcilla.

Figura 16. Temperatura superficial exterior e interior en el tubo.

Conduccin a travs de la arcilla:La conductividad trmica de la arcilla es de 0.84 W / m C si comparamos con la conductividad trmica del acero 43 W / m C que es conductor por su naturaleza metlica observamos que la arcilla no es buena conductora de hecho se puede considerar que cae dentro del grupo de los aislantes y si a eso agregamos el hecho de los intersticios de aire que de por si limitan el contacto entre las partculas de slidos de arcilla restringen an ms la conduccin, por lo tanto se puede despreciar este efecto conductor de la arcilla. Radiacin desde la superficie interna hacia el centro:La radiacin en el interior es despreciable pues prevalece la conveccin al encontrarse el aceite con velocidad en contacto con la pared interna del tubo.Conveccin hacia el interior del tubo:La capa interna del tubo se encuentra a una temperatura especfica de 366 C determinada anteriormente, a su vez un fluido (aceite) recorre el interior del tubo transfiriendo calor por conveccin. La transferencia ser mejor en cuanto el coeficiente de conveccin sea ms alto y la transferencia de calor sea ms homognea en su distribucin de forma radial hacia el interior del tubo.Levenspiel y Kunii proponen la siguiente correlacin para encontrar el coeficiente de conveccin en fluidos a travs de lechos rellenos de partculas slidas finas:(hdp/k) = 0.16 Rep1.6 Pr1/3 (3)Donde:h es el coeficiente de transferencia de calor por conveccin a determinarse.dp es el dimetro medio de la partcula del lecho rellenok conductividad del fluidoRep es el nmero de Reynolds con las consideraciones de partculaPr es el nmero de PrandtlPara aplicar la ecuacin 3 se debe determinar el nmero de Reynolds y el nmero de Prandtl. Para esto el nmero de Reynolds caracterstico es:Rep = dp U0 / (4)Donde:U0 es la velocidad superficial del fluido, es decir, la velocidad que tendra el fluido si el recipiente no tuviera slidos. Cada mdulo por parmetros de diseo puede procesar 989 galones por da. Como cada mdulo posee dos reservorios que trabajan en paralelo cada reservorio trata 495 galones por da, en un da de produccin de 14 horas, por lo tanto el flujo volumtrico Q es de 35.36 galones/hora esto es igual a 3.72x 10-5 m3/s. Debido a que el flujo volumtrico se define como A U donde A es el rea de la seccin transversal y U es la velocidad media del fluido, de aqu se obtiene U, entonces:U= Q/ A =(3.72x 10-5 m3/s)/ ( (0.62)/4)U= 1.31 x 10-4 m/sComo se observa la velocidad es muy baja debido a que para establecer los criterios de continuidad la velocidad del fluido cae por atravesar un rea grande.La velocidad U0 del fluido se obtiene de la figura 17 en donde en funcin de la esfericidad de la partcula se obtiene la fraccin de huecos del lecho . Para una esfericidad de 0.75 obtenida de la tabla 2 se obtiene un de 0.4 aproximado. Entonces la U0 ser igual a U/ , por lo tanto:U0 = U/ = (1.31 x 10-4 / 0.4) m/sU0 = 3.3 x 10-4 m/s

Tabla 2. Esfericidad de partculas

Figura 17. Fraccin de huecos del lecho vs esfericidad de partcula.

Una vez determinada la velocidad superficial U0 se procede a determinar el tamao de la partcula dp. Para partculas mayores a 1 mm en sus dimensiones el dp = desf, donde es la esfericidad tomada de la tabla 2 y desf es el dimetro equivalente de la partcula en forma esfrica que tendra el mismo volumen de la partcula a analizar. Para determinar desf contamos un nmero determinado de partculas (70 en este caso) y las pesamos de donde se obtuvo un valor de 0.538 g. Dado que la densidad de nuestra arcilla segn el anexo 2 es de 3.8 g/ cm3 entonces se obtiene un volumen total de 0.1416 cm3. Dividimos este volumen para 70 y se obtiene el volumen de 1 partcula asumiendo que es esfrica. Este valor da como resultado 2.023 x 10-3 cm3. Si despejamos de la frmula del volumen de una esfera el dimetro de esta para el volumen encontrado se obtiene 1.6 mm. Debido a que dp = desf entonces dp = 0.75 (1.6 mm) = 1.2 mm, por lo tanto: dp = 1.2 mmDado que es la viscosidad cinemtica y se relaciona con la viscosidad dinmica mediante = /, se observa que el nmero de Reynolds puede determinarse de la siguiente manera:Rep = dp U0 / = dp U0/ Donde es medido en el laboratorio de Biofactor y tiene un valor de 6.4 centistokes o lo que es igual 6.4 x 10-6 m2/s.Por lo tanto el valor de Rep = (1.2 x10-3) (3.3 x 10-4 )/ (6.4 x 10-6) = 0.062El nmero de Prandtl se define como Pr= cp / k donde:Cp es el calor especfico del aceite 2400 J/Kg C es la densidad del aceite tomada en el laboratorio 872 Kg/ m3 es la viscosidad cinemtica 6.4 x 10-6 m2/sk es la conductividad trmica del aceite 0.133 W / m CDe estos datos Pr = (2400)(872)( 6.4 x 10-6)/ 0.133 = 98.5Evaluando el Pr y el Rep, dp y k en la ecuacin 3 y despejando h:(hdp/k) = 0.16 Rep1.6 Pr1/3h= 0.16 (0.062)1.6 (98.5)1/3 (0.133)/ (1.2 x 10-3)h= 0.96 W/m2 CSe puede aproximar ese valor a h= 1 W/m2 C. Si comparamos algunos valores tpicos de h (ver tabla 3) observamos que el valor de 1 es muy bajo y como la transferencia de calor (q) es directamente proporcional a h se deduce que q ser muy baja.

Modoh (W/m2 C)

Corriente de aire a 2 m/s sobre placa12

cuadrada de 0.2 m de lado

Corriente de aire a 35 m/s sobre placa75

cuadrada de 0.75 m de lado

Aire a 2 atm a 10 m/s por un tubo de 65

2.5 cm de dimetro

Tabla 3. Algunos valores tpicos de h. (Tomado de Transferencia de calor de Holman)

Ya que q = h A T es la transferencia de calor por conveccin y h es muy bajo entonces q ser muy bajo. Sin embargo existe una zona a tomar en cuenta en donde esto no sucede, especficamente al contorno de las flautas de aire. La bomba de aire causa un diferencial de presin tan alto que produce una zona de burbujas en el contorno de las flautas fluidizando la arcilla en sus alrededores. Debido a que el reservorio est completamente lleno de arcilla el peso de esta hace que no se fluidize ms que en la zonas cercanas a las flautas (10-15 mm alrededor de esta) aumentando de forma sustancial el coeficiente de conveccin y por lo tanto la temperatura en esa zona.

5.2 Anlisis de resultados.

Para realizar un mejor anlisis se pudo observar en las pruebas que las resistencias elctricas tienen un ancho de 130 mm y que se haba asignado a cada una un ancho para actuar de 250 mm. Por lo tanto cada resistencia abastece a una porcin de tubo de 250 mm de longitud. A partir de este criterio se ha modelado el tubo mediante un anlisis por elementos finitos (FEM) para obtener la temperatura en la cara interior del tubo incluyendo efectos de conveccin. Se puede deducir que si la temperatura por efectos de conveccin (con el h anteriormente calculado) no cae drsticamente entonces la razn de transferencia de calor por conveccin no es muy alta.Se procede a establecer el modelo y en la figura 19 se observan el flujo de transferencia de calor indicado por el sentido de la flecha y descartando la radiacin externa. Se condiciona la temperatura superficial a 370 C que es cuando el sistema se ha estabilizado y se incluye el coeficiente de conveccin interno de h= 1 W/m2 C.

Figura 18. Mallado de coraza de reservorio con cargas de conveccin y temperaturas.

Figura 19. Distribucin de temperatura en la coraza del tubo incluyendo el efecto de conveccin.

Se observa entonces que debido a la velocidad del flujo de aceite en el contorno interno del tubo la conveccin es muy pequea y mantiene la temperatura en aproximadamente 321.22 C, lo cual es suficiente para autoencender el aceite pues este posee un punto de inflamabilidad que bordea por los 500 F (260 C, dato suministrado por Biofactor). Al autoencenderse este aceite esta zona se transforma en un horno pues tenemos contacto flama con arcilla.La conductividad trmica de la arcilla es de 0.84 W / m C y como se haba explicado anteriormente es realmente muy baja en comparacin con el acero, incluso es solo un poco superior a la de algunas maderas como el roble (0.5 W / m C). Este criterio puede ayudar a entender lo que pasa con la arcilla al contacto de esta con la pared a temperatura de 321.22 C y con la flama.La arcilla al tener una conductividad trmica muy baja no puede transferir calor de similar forma que un pedazo de madera tampoco puede hacerlo y termina incendindose ante la presencia de una flama, la arcilla al someterse ante tan alta temperatura por la pared y por la flama termina carbonizndose (cambiando sus propiedades) en el contorno interior del tubo.Como el coeficiente h es muy bajo no se logra una buena transferencia de calor por conveccin de forma radial y hacia el centro del tubo por lo que gran parte de la arcilla no alcanza su temperatura ptima para eliminar el hidrocarburo y despus de las pruebas mucha de esta segua hmeda. Es as, como en muchas zonas del centro del tubo la arcilla estaba con restos de hidrocarburo no eliminado.Sin embargo en el contorno de las flautas de aire la entrada y salida de este interacta con la arcilla al contorno logrando fluidizar el lecho pero solo en un radio limitado (ver figura 20), debido al peso total de la arcilla, esto produce que en esas inmediaciones el coeficiente h se incremente grandemente pues la velocidad del fluido de aire es muy alta debido a la inyeccin de aire con una bomba de 15 HP (bomba de prueba). El coeficiente h se incrementa grandemente en el contorno y el aire incrementa su temperatura en un tiempo muy pequeo pues est en contacto con el aceite que circula por todo el lecho. La temperatura alcanza el punto de encendido del aceite y al mezclarse con el aire se autoenciende en diferentes puntos (depende de la cadas de presiones debido a sus conexiones) provocando la carbonizacin de la arcilla al contorno de las flautas y de las propias flautas. Al producirse un incremento sbito de temperatura debido al efecto de autoencendido del aceite, produce que la arcilla aumente su temperatura y almacene energa, mientras la flauta de acero al encontrarse a altas temperaturas cambia su estructura cristalina y por lo tanto vara su fase perltica. Despus de que la llama deja de actuar la arcilla al contorno de las flautas irradian calor manteniendo la temperatura por un tiempo determinado para luego ir disminuyendo esta de forma gradual lo que hace que el acero del tubo presente muestras de estructuras fragilizadas.

Figura 20.Reservorio de clarificacin con zonas de lecho fluidizado por el aire.6 CONCLUSIONES

Por lo observado en las evidencias fotogrficas, en los registros, en los clculos y en las pruebas que se llevaron a cabo en Biofactor se puede concluir que: El sistema clarifica dentro de los parmetros especificados en la oferta pero no regenera la arcilla y por lo tanto no cumple con esta especificacin estipulada en la oferta y requerida por Biofactor. El coeficiente de conveccin es muy bajo de acuerdo a lo calculado en el captulo 5 (h= 1 W/m2 C) y no se transfiere calor de forma homognea hacia el centro del reservorio y a zonas donde la arcilla no alcanza un alza considerable de temperatura. La arcilla se quema en el contorno de contacto interior del tubo porque no es un conductor y al autoencederse el aceite la flama quema la arcilla. Las flautas se carbonizan porque el contorno del lecho se fluidiza y aumenta de gran manera la transferencia de calor ocasionando incremento de temperatura y autoencendiendo el aceite en su contorno quemando la arcilla y las flautas. Se concluye finalmente que el sistema no cumple con los requerimientos especificados en la oferta por el proveedor debido a parmetros de diseo como sistema de calentamiento, flujo, suministro de aire que en un conjunto no permiten que el sistema de clarificacin acte de forma competente y en base a lo solicitado por Biofactor.

1 Ing. Fernando Montalvo Reg. Prof. 04-09-805 ----------------------------------------

ANEXO 1

ANEXO 2

Ing. Fernando Montalvo Reg. Prof. 04-09-805 ----------------------------------------