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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
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
EL PULPITO
T gases = 821.5 C T material = 802 C
EL HORNO ROTATORIO
EL HORNO ROTATORIO
EL HORNO ROTATORIO
EL HORNO ROTATORIO CÁMARA DE HUMOS
EL HORNO ROTATORIO CÁMARA DE HUMOS
EL HORNO ROTATORIO INTERIOR
EL HORNO ROTATORIO EL HORNO ROTATORIO COMBUSTOR Y SATÉLITES COMBUSTOR Y SATÉLITES
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.
EL COMBUSTOR
EL COMBUSTOR
Combustión
LABORATORIO VIRTUAL
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. 0.24 con la estadística Skewness.
Resultados: Temperatura
Resultados: Temperatura
Resultados: Temperatura
Resultados: Velocidad
Resultados: Velocidad
Resultados: Velocidad
Resultados: Temperatura
Resultados: Velocidad
Por su atención Gracias!!! antonino.perez@cimav.edu.mx Dr. Antonino Pérez Hernández CIMAV
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
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
El Proceso de Transformación de Fases CLINKER
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
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 40-45 min. Duración de los ojillos a la salida 20 min. Diámetro interno 4.33m (4.55 0.22) Angulo de inclinación 3.5% = 2 Velocidad de rotación (ω) 2 r.p.m. = 0.2094 rad/s Gravedad 9.81 m/s 2 Horno 68 m Tamaño de ladrillos refractarios 222mm = 22.2cm
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
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.
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
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
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
Como para que?
El modelo: Complicaciones Movimiento rodante
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
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
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.
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.
1 s axial Diseño de la geometría 1 s radial
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 2.026 x10 9 Numero de nodos 4.318x10 8
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}
Oxido de Calcio Distribución de la Concentración Radial (fracc. Masa) Flujo de material Eje Z-- Distribución de la Concentración Axial (fracc. Masa)
Oxido de Silicio Distribución de la Concentración Radial (fracc. Masa) Flujo de material Eje Z-- Distribución de la Concentración Axial (fracc. Masa)
Belita Distribución de la Concentración Radial (fracc. Masa) Flujo de material Eje Z-- Distribución de la Concentración Axial (fracc. Masa)
Perfil de Temperatura Vista Radial Flujo de material Eje Z-- Vista Axial
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
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
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.
Por su atención Gracias!!! antonino.perez@cimav.edu.mx Dr. Antonino Pérez Hernández CIMAV
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