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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:

____________________________

____________________________

____________________________

____________________________

____________________________

____________________________

______________________________ 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.


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


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


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.


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%


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


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


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


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.


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


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.


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


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



alimentación HA

21.15 3.15 0.33 33.62


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



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


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.


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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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




4 Molino







ALTERNATIVA 2

39

Anexo IV. Esquema de distribución de planta – Alternativa 2 con ajustes definitivos

ALTERNATIVA 2 1 Horno de carbonización (HC)



4 Molino






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



3 Molino








ALTERNATIVA 3

41

Anexo VI. Esquema de distribución de planta – Alternativa 4

1 Molino










ALTERNATIVA 4

42

Anexo VII. Esquema de distribución de planta – Alternativa 5






6 Molino





ALTERNATIVA 5

43

Anexo VIII. Esquema de distribución de planta – Alternativa 6

1 Molino










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


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


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


Esfuerzo de


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


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.


Densidad del


3Densidad del


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


3Densidad del


3

Coeficiente de

fricción

estático

µ 1,55 -

Masa del

material al

fondo del


gravedadg 9,81 m/s

2

Constante K

de Janssenk 6,71

Arco del

diámetro

mayor de la


cuerpohc 0,65 m

Presión


Área

superficial del

fondo del

A_1 4,08 m2

Altura del

conoht 0,50 m

Presión


Área

superficial del

cono

A_t 3,98 m2

Peso de la

porción de

material arriba

W 1626,44 N

Presión


Masa del

material al

fondo del cono



Peso del

material

distribuido

w 1,34 N/mm

Peso

distribuido

sobre la cara

P 5225,77 NFuerza


Espesor de

láminat 2,70 mm

Espesor de

láminat 2,70 mm

Fuerza


Momento de

inerciaI 1545,90 mm

4Momento de

inerciaI 1545,90 mm

4

Ángulo de la

fuerza

resultante

θ 76,38 °

Esfuerzo de


Esfuerzo de


Espesor de

láminat 2,70 mm

Esfuerzo

último a

tensión

Sut 300,00 MPa

Esfuerzo

último a

tensión


inerciaI 1545,90 mm

4

Límite de


Límite de


Esfuerzo de


Factor de


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


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.


Densidad del


3Densidad del


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


3Densidad del


3

Coeficiente de

fricción

estático

µ 1,55 -

Masa del

material al

fondo del


gravedadg 9,81 m/s

2

Constante K

de Janssenk 6,71

Arco del

diámetro

mayor de la


cuerpohc 0,65 m

Presión


Área

superficial del

fondo del

A_1 1,33 m2

Altura del

conoht 0,50 m

Presión


Área

superficial del

cono

A_t 3,98 m2

Peso de la

porción de

material arriba

W 1316,07 N

Presión


Masa del

material al

fondo del cono



Peso del

material

distribuido

w 1,09 N/mm

Peso

distribuido

sobre la cara

P 13010,97 NFuerza


Espesor de

láminat 2,70 mm

Espesor de

láminat 2,70 mm

Fuerza


Momento de

inerciaI 1545,90 mm

4Momento de

inerciaI 1545,90 mm

4

Ángulo de la

fuerza

resultante

θ 76,38 °

Esfuerzo de


Esfuerzo de


Espesor de

láminat 2,70 mm

Esfuerzo

último a

tensión

Sut 300,00 MPa

Esfuerzo

último a

tensión


inerciaI 1545,90 mm

4

Límite de


Límite de


Esfuerzo de


Factor de


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


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


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










héliceCF3

1,00 -





del transportadorFd

18,00 -



1,00 -


fricciónHPf

0,75 W



modificadasFf

1,00 -




3,15 W



0,99 W














temperatura ΔLt 3,024mm



57

Anexo XIX. Cálculo del tornillo transportador – Molino a tolva alimentación a HC











héliceCF3

1,00 -





del transportadorFd

18,00 -



1,00 -


fricciónHPf

0,75 W



modificadasFf

1,00 -




3,15 W



0,99 W

















58

Anexo XX. Cálculo del tornillo transportador – HC a tolva alimentación HA











héliceCF3

1,00 -





del transportadorFd

18,00 -



1,00 -


fricciónHPf

0,81 W



modificadasFf

1,00 -




2,74 W



0,17 W

















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

antid

ad P

iezas8

9.7

25

.11

0$

Item

No

mb

re

pieza

/com

po

nen

te

Un

ida

des

ba

se

Un

ida

des

tota

lesM

ateria

prim

aC

orte

Meca

niza

do

Sold

ad

ura

Ensa

mb

leA

dicio

na

lesG

asto

s

ind

irectos

Tota

l Un

itario

Tota

l fina

l

1To

lva material

seco1

11

00

.75

0$

3

6.0

00

$

11

1.7

50

$

10

0.0

00

$

7.5

00

$

-$

5

1.0

50

$

40

7.0

50

$

40

7.0

50

$

2

Tolva

alimen

tación

HC

11

10

0.7

50

$

36

.00

0$

1

11

.75

0$

1

00

.00

0$

7

.50

0$

-

$

51

.05

0$

4

07

.05

0$

4

07

.05

0$

3

Tolva

alimen

tación

HA

11

10

0.7

50

$

36

.00

0$

1

11

.75

0$

1

00

.00

0$

7

.50

0$

-

$

51

.05

0$

4

07

.05

0$

4

07

.05

0$

4Tran

spo

rtado

r

11

11

39

.25

0$

4

5.0

00

$

28

.20

0$

6

0.0

00

$

6.0

00

$

1.8

00

.00

0$

2

7.8

40

$

2.1

06

.29

0$

2

.10

6.2

90

$

5Tran

spo

rtado

r

21

11

21

.25

0$

5

4.0

00

$

28

.20

0$

6

0.0

00

$

6.0

00

$

1.8

00

.00

0$

2

9.6

40

$

2.0

99

.09

0$

2

.09

9.0

90

$

6Tran

spo

rtado

r

31

11

21

.25

0$

5

4.0

00

$

28

.20

0$

6

0.0

00

$

6.0

00

$

1.8

00

.00

0$

2

9.6

40

$

2.0

99

.09

0$

2

.09

9.0

90

$

7Tran

spo

rtado

r

41

11

41

.25

0$

5

8.5

00

$

28

.20

0$

6

0.0

00

$

6.0

00

$

1.8

00

.00

0$

3

0.5

40

$

2.1

24

.49

0$

2

.12

4.4

90

$

8Ferretería

50

50

1.5

00

$

-$

-

$

-$

-

$

-$

-

$

1.5

00

$

75

.00

0$

Juego

de u

nid

ades:

Ma

triz de co

stos

Co

sto to

tal pro

du

cción

Man

o d

e ob

ra directa

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

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DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Y TRANSPORTE DE ... › abf9 › 5f94c019e... · reutilizados y de ser necesario, plantear mejoras a dichos elementos. Diseño y cálculo de las