Depto. Simulación Computacional y Modelado Molecular Grupo de Simulación

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3 Depto. Simulación Computacional y Modelado Molecular Grupo de Simulación Mantenimiento El preventivo, Horno ROTATORIO correctivo y desarrollo de proyectos de investigación Dr. Antonino Pérez Hernández. CIMAV, antonino.perez@cimav.edu.mx Junio de 2013

4 Mostrar como la aplicación de la herramienta numérica, los modelos matemáticos y ciencia de materiales (materia y energía), permiten conocer e identificar las áreas de oportunidad tecnológica. Para la identificación de zonas de mantenimiento preventivo, correctivo y desarrollo de proyectos de investigación. El desarrollo de modelos y simulación de un proceso ofrece una mejor comprensión de la interacción, de las condiciones de operación, materias primas y limitaciones de infraestructura tecnológica del proceso

5 EL PULPITO

6 T gases = C T material = 802 C

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11 EL HORNO ROTATORIO

12 EL HORNO ROTATORIO

13 EL HORNO ROTATORIO

14 EL HORNO ROTATORIO CÁMARA DE HUMOS

15 EL HORNO ROTATORIO CÁMARA DE HUMOS

16 EL HORNO ROTATORIO INTERIOR

17 EL HORNO ROTATORIO EL HORNO ROTATORIO COMBUSTOR Y SATÉLITES COMBUSTOR Y SATÉLITES

18 REACCIONES DENTRO DEL HORNO 18 Modificado de Reactivity of raw mixtures. Improving burnability without and with mineralizers, Van Johansen, Taller Cemento de GCC T&P, Marzo 2007.

19 EL COMBUSTOR

20 EL COMBUSTOR

21 Combustión

22 LABORATORIO VIRTUAL

23 Dominio y Malla Construcción y discretización del dominio 3D; híbrido: tetraedros, hexaedros, prismas. Generando 2,701,023 elementos para el quemador y un total de 3, 854,332 elementos para todo el horno con ajuste de gradiente de temperatura. Mallado: 9 x 10-4 m mínimo y 0.3 m máximo. Calidad de malla: 0.86 con la estadística Orthogonal Quality con la estadística Skewness.

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25 Resultados: Temperatura

26 Resultados: Temperatura

27 Resultados: Temperatura

28 Resultados: Velocidad

29 Resultados: Velocidad

30 Resultados: Velocidad

31 Resultados: Temperatura

32 Resultados: Velocidad

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35 Por su atención Gracias!!! Dr. Antonino Pérez Hernández CIMAV

36 Dr. Antonino Pérez Hernández SiCoMoMo Simulación y Modelado Matemático de Procesos: Energía Alternativa Geometrías alternativas a captadores solares Predicción de producción de: Biodigestores, Bioceldas eléctricas y Modelado de Combustión de Biosolidos Procesos Industriales (FOMIX)Simulación la transformación de fases, de la materia prima, al interior de un horno cementero. (SENER) Simulación y modelación de la trasmisión en fibras ópticas, efectos de Temperatura y deformación. Simulación de la calidad de la Combustión de Biosolidos y Aceite de Desecho. Simulación y diseño de sistemas para el uso energético del residuos Formación de RH Tesistas de Lic., M.C. y Dr. (FOMIX, Gob. Chih.) MWM: Modulo Mundo de los Materiales., MEC, MER, MCM, DCM

37 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE BAHÍA DE BANDERAS CLINKER Depto. Simulación Computacional y Modelado Molecular Grupo de Simulación Dr. Antonino Pérez Hernández. CIMAV, antonino.perez@cimav.edu.mx Junio de 2013

38 El Proceso de Transformación de Fases CLINKER

39 Silo de almacenamiento Molienda de cemento Silo de homogeneización Enfriamiento y almacenamiento Producción de clinker en horno rotatorio Precalcinación Precalentamiento Trituración (corte) Prehomogeneización y molienda de materias primas Yacimiento Modificado de Cement Technology Roadmap 2009

40 Por donde? o con que se come DPO, Dimensiones y Parámetros de Operación del horno rotatorio bajo estudio Alimentación a 1era etapa 120 ton/hr =33.33kg/s Clinker 71 ton/hr = 19.72kg/s Grado de calcinación a la entrada del horno 55-66% Duración del proceso de clinker 1 a 1.16 hrs Duración del horno a los ojillos min. Duración de los ojillos a la salida 20 min. Diámetro interno 4.33m ( ) Angulo de inclinación 3.5% = 2 Velocidad de rotación (ω) 2 r.p.m. = rad/s Gravedad 9.81 m/s 2 Horno 68 m Tamaño de ladrillos refractarios 222mm = 22.2cm

41 Se unta o se toma Capa activa y estacionaria en el movimiento rodante Estimación de El tiempo de residencia. El grado de llenado Régimen del movimiento de sólidos en el interior del horno rotatorio: Rodante

42 Que lo promueve FENÓMENO DE TRANSFERENCIA DE CALOR Mecanismos de transferencia de calor hacia el lecho de solidos: Convección: Gases de combustión y el lecho de solidos Radiación De la flama al lecho de solidos De la pared del refractario frente al lecho hacia él. Conducción: Del refractario al lecho de sólidos.

43 Por CFD Computational Fluid Dynamics Predicción del comportamiento de flujo de fluidos, la transferencia de calor y de masa, reacciones químicas y fenómenos relacionados, resolviendo las Ec. De: Transporte Conservación de la masa Momento y energía Ecuaciones de Navier Stokes

44 Que dijo que? El fluido responde a las leyes fundamentales de la física Análisis de flujos: Volumen de control o análisis integral. Sistemas infinitesimales o análisis diferencial. Análisis experimental o análisis dimensional. El flujo deberá satisfacer las tres leyes de la mecánica de fluidos, más una relación de estado termodinámica y sus condiciones de frontera. Conservación de la masa (continuidad) Conservación del momentum lineal (2a Ley de Newton) Conservación de la energía (1a Ley de la Termodinámica) Ecuación de estado (como ρ = ρ (P, T) ) Condiciones de frontera en las interfaces con sólidos, entradas y salidas

45 Discretización Los fenómenos físicos y químicos pueden ser descritos con ecuaciones diferenciales parciales o (integro-diferencial), que no pueden ser resueltas analíticamente. Métodos de Discretización Diferencias Finitas, Volumen Finito Elemento Finito Discretización Temporal

46 Como para que?

47 El modelo: Complicaciones Movimiento rodante

48 El modelo: Simplificación 1- Efecto Centrifuga para simplificar el flujo y la transferencia de calor 2- Se tomo en cuenta solo una reacción global: Formación de Belita

49 Configuración de los Modelos. Para los fenómenos presentes en el proceso de formación de BELITA: calculando los procesos de transferencia de calor y de masa, las reacciones químicas y condiciones de flujo. Los modelos son resueltos iterativamente, modificando modelos y parámetros, las cuales fueron depuradas. Modelo Configuración Espacial 3D Tiempo Estacionario Viscosidad Modelo de estrés de Reynolds Tratamiento en la pared Funciones estándar de pared Transferencia de Calor Radiación Especies Energía habilitado Modelo de Rosseland Reacción volumétrica (3 especies) habilitado

50 CI y CF Frontera Condición Observación/valor Inlet_Materia Entrada de flujo másico Flujo másico (kg/s) 0.83 Temperatura (K) 1070 Relación de viscosidad turbulenta 10% Concentración de especies (Frac. Mol) 0.14 [SiO 2 ] 0.86 [CaO] Outlet_Materia Ponderación de Caudal 1 Wall_Gases Temperatura (K) 1270 Movimiento de la pared 0 Wall_Costra Temperatura(K) 770 Movimiento de la pared 0 Coeficiente de emisividad externa 0.95 Temperatura de radiación Externa (K) 300 Equivalente al segmento del anillo para una alimentación al horno de 25 kg/s aproximadamente.

51 Criterios de Convergencia Valores residuales (10-3 en las Ec. de continuidad, turbulencia y momento, y 10-6 Ec. de energía y transporte de especies). Balance de masa y energía, Criterio de estabilidad de la solución, la variación de las variables de flujo debe ser menor al 1% en las ultimas 100 iteraciones.

52 1 s axial Diseño de la geometría 1 s radial

53 Mallado de la geometría Para el Diseño simplificado. Numero de elementos 25,586 Numero de nodos 5,453 Para un diseño completo de la cama. Numero de elementos x10 9 Numero de nodos 4.318x10 8

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55 Reactivos: CaO (33 %) y SiO 2 (67 %) Productos: C2S (Belita) C.F. Especies como Al 2 O 3, Fe 2 O 3, C3A y CaCO 3 son tomadas en cuenta en modelos en desarrollo. Temperaturas: Material en alimentación: 1070 K Cara/gases: 1270 K Cara/costra: 550 K Modelo transporte de especies con reacción volumétrica Cinética de reacción: Ecuación de Arrhenius con velocidad de mezclado}

56 Oxido de Calcio Distribución de la Concentración Radial (fracc. Masa) Flujo de material Eje Z-- Distribución de la Concentración Axial (fracc. Masa)

57 Oxido de Silicio Distribución de la Concentración Radial (fracc. Masa) Flujo de material Eje Z-- Distribución de la Concentración Axial (fracc. Masa)

58 Belita Distribución de la Concentración Radial (fracc. Masa) Flujo de material Eje Z-- Distribución de la Concentración Axial (fracc. Masa)

59 Perfil de Temperatura Vista Radial Flujo de material Eje Z-- Vista Axial

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68 Rectificaciones al Modelo Para ajustar la temperatura se incluirá, en lenguaje de programación, el efecto endotérmico causado por la reacción de descarbonatación Se incluirán el oxido de aluminio y el oxido férrico para hacer una primera aproximación a el flujo al real

69 Ventajas de la simulación: Estimación del t de residencia y movimiento de sólidos al interior del horno. Aislado la respuesta de las variables y modificar condiciones, Comportamiento y condiciones del proceso detallada y exhaustiva,. Monitoreo de condiciones de proceso, donde no es posible instrumentar La flexibilidad del software permite hacer modificaciones en los parámetros de diseño y de operación para la optimización del proceso, que tradicionalmente demandan la construcción de prototipos y modificaciones al equipo que consumen recursos y tiempo. Reduce y tiempo costos de estudio y experimentación del proceso. En algunos casos, la simulación es el único medio para lograr una solución. Como en este proyecto de investigación

70 Limitaciones Limitaciones de la simulación: Es necesario un conocimiento claro sobre el fenómeno y su entorno. El tiempo de cálculo para el modelado de un fenómeno, está restringido a los recursos computacionales disponibles. En problemas fluido-dinámicos que involucran flujos turbulentos, transferencia de calor y otros fenómenos requiere una gran capacidad de cálculo. Se requiere de recursos de hardware y software, lo que implica inversiones iniciales significativas, además es necesaria una inversión periódica para la renovación de licencias y actualización de software Personal altamente creativo y de solida formación.

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73 Por su atención Gracias!!! Dr. Antonino Pérez Hernández CIMAV

74 Dr. Antonino Pérez Hernández SiCoMoMo Simulación y Modelado Matemático de Procesos: Energía Alternativa Geometrías alternativas a captadores solares Predicción de producción de: Biodigestores, Bioceldas eléctricas y Modelado de Combustión de Biosolidos Procesos Industriales (FOMIX)Simulación la transformación de fases, de la materia prima, al interior de un horno cementero. (SENER) Simulación y modelación de la trasmisión en fibras ópticas, efectos de Temperatura y deformación. Simulación de la calidad de la Combustión de Biosolidos y Aceite de Desecho. Simulación y diseño de sistemas para el uso energético del residuos Formación de RH Tesistas de Lic., M.C. y Dr. (FOMIX, Gob. Chih.) MWM: Modulo Mundo de los Materiales., MEC, MER, MCM, DCM