Título Estudio sobre nueva tendencia para el secado de

							Cátedra Azucarera ALVARO REYNOSO PRIMER SEMINARIO DE CATEDRAS AZUCARERAS DE LAS UNIVERSIDADES CUBANAS Título: Análisis de los principales trabajos reportados sobre el secado de bagazo, principales problemas presentados y perspectivas actuales. Title: Analysis of the principal reports on bagasse drying, problems and perspectives.
Autores: M Sc. Ing. Eugenio F. Bombino Matos. Profesor Asistente.* Dr. Ing. Guillermo Roca Alarcón. Profesor Titular.* Dr. Ing. René Lesme Jaén. Profesor Titular.*
*- CEEFE. Facultad de Ingeniería Mecánica. Sede Mella 90900. Cuba. Tlf. 644509 (Trabajo) ; 652318 (Casa) e. mail: bombino@ceefe.uo . edu.cu de la Universidad de Oriente. Ave. Las Américas s/n y calle L. Santiago de Cuba. CP e. mail: bombino@ceefe.uo . edu.cu de la Universidad de Oriente. Ave. Las Américas s/n y calle L. Santiago de Cuba. CP 53 226 43120 Fax 53 226 86203 53 226 32689 53 226 43186

Resumen
Se hace una breve reseña histórica del secado de bagazo desde sus inicios hasta el presente que denota cierta tendencia actual en el mundo hacia el secado neumático. Luego, de acuerdo con los estudios que desde hace algún tiempo se vienen realizando en el CEEFE sobre la modelación matemática del movimiento en espiral ascendente de partículas de biomasa, se muestran los resultados teóricos obtenidos de la longitud del recorrido de las partículas y la altura que alcanzarían estas moviéndose en forma de espiral ascendente y se comparan con las longitudes del recorrido alcanzadas en otros 2 tipos de secadores neumáticos y que equivale a la longitud del conducto de secado, esta comparación se hace para igualdad del tiempo de residencia, con lo que se demuestran algunas ventajas que tendría la nueva proposición tecnológica.

Summary
A compact historic review about the dried of bagasse from their beginnings until the present is made, that denotes certain current tendency toward the pneumatic dried. Then, in accordance with the studies that for any time comes back carrying out in the CEEFE on the mathematical modeling of the movement in upward hairspring of particles of biomass, they are shown the theoretical outputs gotten by the longitude of the journey of particles and the height that they would reach these moving in form of upward hairspring and they are compared with the longitudes of the journey wish is equivalent to the length of the drying conduit in another 2 kinds of pneumatic dryers, this comparison was made for the same

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time of residence, and some advantages would have the knew technological proposition are demonstrated.

Introducción.
El bagazo se considera el subproducto no maderable más importante del mundo, y tiene un alto valor estratégico en el desarrollo energético del país. Sólo en bagazo y paja en los cañaverales se almacena el equivalente a cerca de 1Ton. de petróleo por cada Ton. de azúcar producida (6). La necesidad de secar el bagazo está dada con vistas a su ahorro, para mejorar sus características como materia prima y para su almacenamiento ya que el mismo se requiere para una amplia gama de procesos que van desde la industria de derivados hasta la generación de electricidad. El correcto tratamiento y utilización del bagazo pueden proporcionar considerables beneficios no sólo desde el punto de vista ramal, sino también para sustituir importaciones. En la obtención de estos logros, mediante las vías de desarrollo técnico, se distingue entre otras medidas el secado de bagazo que ha sido, tradicionalmente, motivo de discusiones en el plano técnico económico. Los costos de inversión y operación del secado dependen del tipo de secador que se instale, pero los precios del petróleo y la demanda creciente de bagazo como materia prima de productos celulósicos tienden a impulsar el diseño y la comercialización de secadores mundialmente. Existe una gran cantidad de tipos de secadores, sin embargo en la práctica para el bagazo los más utilizados son fundamentalmente los rotatorios, los fluidizados y los neumáticos. Se reportan muchos resultados que avalan las ventajas del uso de secadores desde varios puntos de vista sin embargo estos resultados no son suficientes para determinar la factibilidad de invertir recursos en un secador. Para esto es necesario considerar otros factores como por ejemplo el tiempo de recuperación de la inversión. De acuerdo con los resultados reportados en la literatura un secador rotatorio se paga en 2-2.5 años zafra y uno neumático en 0.5-1.5 años zafra en dependencia de la capacidad, destino del material, etc (5), por lo que resultan atractivos, mientras que los fluidizados se caracterizan por un alto consumo energético. Antecedentes y Estado actual de la Temática. Panorama Mundial Hasta la primera década del siglo pasado no existían en la literatura reportes de aplicaciones industriales del secado de bagazo. En 1911 E.W. Kerr publicó los resultados de 40 pruebas de secado y combustión, efectuadas durante la zafra de 1910, en el ingenio Palo Alto, en E.U.A. Él logró reducir la humedad del bagazo de (54.47 a 44.45) %. A partir del 1976 se reportan las primeras instalaciones comerciales para el secado con gases de escape. Antes de esta fecha y hasta el presente se han venido publicando trabajos en los cuales se argumentan diferentes aspectos de este proceso, algunos de ellos en la Universidad de

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Oriente donde se trabajó en el secado en cama fija, en transporte neumático, en cama fluidizada y en la clasificación y el transporte neumático del bagazo y sus fracciones, a continuación hacemos referencia a algunos de los trabajos más importantes reportados, en orden cronológico: Grobart y Terentiev en 1971 desarrollaron un modelo matemático para el sistema secador caldera y estudiaron diferentes variantes de operación. Boulet en 1975 planteó que con el secado de bagazo podía reducirse tanto la contaminación ambiental provocada por los gases de la chimenea, como el aire en exceso de la combustión. Stafford en 1975 estimó que el consumo de petróleo en los centrales de Hawaii, que trabajan 5 días por semana, podía reducirse en un 80 % secando bagazo con los gases de escape del horno. Baillet en 1976 calculó un aumento de 8.9 % en la eficiencia de la caldera, cuando la humedad del bagazo se reducía de un 52 a un 32 %. Ese mismo año Furines describió la primera instalación comercial para el secado de bagazo, utilizando como agente secador los gases de escape a temperatura de 218º C y se determinó que con tres secadores rotatorios se podía procesar todo el bagazo obtenido en una molida diaria de 8,000 Ton de caña, y se reducía la humedad de un 54 a un 46 %. Mullen en 1977 sugirió el uso de aire caliente para secar el bagazo. Además plantea que los costos de secar bagazo con gases a temperaturas inferiores a los 260o C, son elevados, mientras que según Grosh el uso del aire caliente en el proceso de combustión, es preferible a quemar bagazo seco, para recuperar la energía térmica de los gases de escape debido a la sencillez y facilidad de la operación. Nelson en 1977 da información acerca de la explotación de otro secador rotatorio instalado en el 1976 en E.U. de 3.6 m de diámetro x 12 m de largo alimentado con gases de escape a 315º C y bagazo con 52 % de humedad el cual descarga 875 Ton diarias de bagazo con 36 % de humedad, sin embargo este secador fue descontinuado porque no podían dar uso al bagazo sobrante. Fraser y Shishido posteriormente en 1979 reportan la instalación y operación de otro secador rotatorio en Hawaii, cuyo propósito era reducir el consumo de petróleo y de electricidad en la red. El secador usaba gases de escape a 244o C y reducía la del bagazo de 44.8 a 33.5 % de humedad. Correia Maranhao en 1980 da algunos datos y escribe aspectos del montaje y operación de secadores neumáticos, instalados individualmente uno por horno en un ingenio en Brasil. Estos secadores en cantidad de 5 tenían una capacidad de 4.5 Ton por hora cada uno y secaban el bagazo de un 52 a un 42 % de humedad, con los gases de escape de la combustión a 220o C. Bouvet y Buzor en 1981 refieren otra instalación en Hawaii, donde se peletiza el bagazo y entran en funcionamiento 2 secadores rotatorios de 3.6 m de diámetro x 9 m de largo. El primero procesa 6.5 t/h de bagazo a 50 % de humedad secándolo a 35 %. El segundo secador procesa 10.7 t/h de 35 % de humedad, descargando 8.3 t/h a 16 %. Edwards en 1981, describió los resultados obtenidos en un secador piloto y Pinkney ese mismo año definió un modelo matemático para la utilización del bagazo. Rader en 1981 plantea que en Hawaii se encuentra un secador de bagazo rotatorio de 4.2 m de diámetro x 9 m de largo y de una capacidad de 7.2 t/h de bagazo a 48 % que descarga

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5.4 t/h a 35 % de humedad. Este equipo se acopla a una caldera que produce 170, 000 kg/h de vapor a 8 Mpa y 440o C . Keller en 1982 reporta la puesta en marcha de 2 secadores neumáticos en Filipinas, con los cuales procesaron 25 t/h, con una humedad final entre 14.5 y 24 %. En la operación con un solo secador, obtuvieron 17.5 t/h entre 16 y 20 % de humedad. Keenliside en 1983 llegó también a una conclusión similar, en un análisis realizado para las condiciones dadas en los E.U.A. Arrascaeta posteriormente en 1985 reporta una instalación de secado neumático de bagazo que procesa hasta 24 t/h reduciendo su humedad de 52 a 24 %. Roca en 1988 instala y realiza pruebas a escala de planta piloto a una instalación neumática de clasificación y secado de bagazo con gases de escape con capacidad de 2 t/h, reduciendo la humedad entre 30 y 35%. Roca y Bombino en 1994 reportan el proyecto ejecutivo con el instiuto de proyectos azucareros IPROYAZ de un secador - clasificador neumático de 20 t/h de bagazo. La universidad Tecnológica Nacional CIDTA de Argentina en el 2001 realizó el desarrollo en forma conjunta con la estación experimental Agroindustrial ¨Obispo Colombres¨ en la ciudad de Tucumán, de una instalación de transporte neumático para el secado de bagazo de caña de azúcar para su utilización como combustible en una caldera de un ingenio azucarero sirviéndole de contraparte el Ingenio Ñuñorco en la Provincia de Tucumán. A continuación se muestra una tabla en la que se comparan cronológicamente los 3 tipos de secadores de bagazo de caña más importantes montados en el mundo y en la que se puede apreciar la tendencia a partir de la década de 1980 hacia el uso de secadores neumáticos.
Año 1971 Tipo NEUM * ATICO ROTA * TORiO FLUID * IZADO * * * * * * * * 1975 1976 1977 1979 1980 1981 1982 1983 1985 1988 1994 2001

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TABLA no 1. Tabla cronológica comparativa.
Es importante destacar que en todos los secadores neumáticos reportados y conocidos hasta el momento, las partículas viajan con movimiento rectilíneo por lo que la longitud de la llamada columna de secado tiene una proporción directa a la longitud del recorrido de estas, provocando que el equipo tenga dimensiones extremadamente grandes que a la vez

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conllevan a un excesivo consumo de acero entre otras cosas, lo cual influye en que sean menos atractivos.

Fundamentación teórica.
Sobre esta problemática se trabaja desde hace algo más de 5 años en el CEEFE, donde se realiza el estudio del movimiento en espiral ascendente de partículas de biomasa con el objetivo de aplicar este fenómeno al secado, conjugándolo con las experiencias que se tienen al respecto. Para el desarrollo de este trabajo se utilizó un software basado en la solución numérica de un modelo matemático teórico que no tiene en cuenta la interacción entre varias partículas ni la transferencia de calor y masa, por lo que estos resultados sólo nos dan un a idea de las posibles dimensiones de un nuevo tipo de secador el cual es objeto de estudio en estos momentos basado en el modelo matemático siguiente:
r r r r r dV r r = 0,5.C. f . ρ f (W − V ) W − V − mg + V0 . ρ f . g m dt

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donde: m - masa de la partícula C - coeficiente de resistencia aerodinámica

f - área de la sección transversal de la partícula

ρ f - densidad del fluido
r g = (0,0,g)- aceleración gravitatoria
V0 - volumen de la partícula

Este modelo generó un sistema de 3 ecuaciones diferenciales no lineales de 2do orden para describir el problema en el espacio y fue obtenido en el CEEFE, dicho sistema se resolvió mediante métodos numéricos permitiéndonos obtener los principales parámetros que intervienen en el proceso.
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En este caso mediante el modelo anterior fueron calculadas la longitud de la trayectoria así como la altura alcanzada por las partículas durante el proceso en espiral ascendente para el mismo tiempo de residencia del secador CEEFE1. De acuerdo con esto realizamos un experimento teórico en el cual tuvimos en cuenta el valor de los parámetros tiempo de residencia, longitud de la trayectoria de las partículas y altura alcanzada por estas durante la simulación del proceso en espiral para 15 segundos que es valor aproximado del tiempo de residencia requerido en un secador neumático de 20 T/h de última generación proyectado en nuestro país que fue el diseñado por Roca-Bombino(CEEFE1), proyectado conjuntamente con el IPROYAZ para secar el bagazo desde 50 % hasta 30 % de humedad. Luego comparamos la altura de cálculo teóricamente obtenida mediante el modelo de movimiento en espiral, la cual coincide aproximadamente con la longitud del equipo debido a la característica del movimiento en espiral de las partículas, con las longitudes del recorrido requeridas por las partículas en otros 2 secadores neumáticos y estos resultados se muestran en la tabla no 2.

Métodos utilizados y condiciones experimentales.
El experimento consistió en simular numéricamente mediante el modelo antes mencionado, la longitud del recorrido de las partículas y la altura que alcanzarían estas moviéndose en un equipo en forma de espiral ascendente(CEEFE2) y comparar esta altura, la cual coincide con la longitud del conducto de secado, con las longitudes del recorrido en los otros 2 secadores anteriormente mencionados para igualdad del tiempo de residencia obteniéndose los resultados siguientes:

SEC

L(m)

D(m) 2 2 2

Ton a 11.54 4.47 1.47

Ton b Ton a/Ton b 20 20 20 0.58 0.22 0.07

ICINAZ 39.23 CEEFE1 15 CEEFE2 5

TABLA no 2. Resultados comparativos. Donde: L y D – Longitud del conducto de secado y diámetro promedio para cada tipo de secador. Ton a - Peso del secador. Ton b – Peso de bagazo procesado en 1hora. Ton a / Ton b - Indice de toneladas de acero por toneladas de bagazo procesado. Es importante señalar que para generar el movimiento en espiral ascendente no es necesario usar ningún mecanismo móvil interno.

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Como puede apreciarse la longitud de la columna de secado debe disminuir considerablemente en comparación con los otros tipos de secadores debido a que las partículas para este caso no realizan el trayecto de forma rectilínea, o sea, recorren la misma distancia pero para una longitud menor del conducto de secado. Esto a su vez implica una reducción de la cantidad de acero necesaria para la columna de secado como puede apreciarse, reduciéndose a su vez el peso y el volumen de la misma todo lo cual indudablemente hará más atractivos estos equipos. Para el mejor entendimiento de la nueva variante estudiada (CEEFE2), a continuación se presenta en la figura 1 una representación esquemática simplificada sobre la forma del recorrido de las partículas en los 3 tipos de secadores neumáticos analizados.

Figura 1.- Forma de las trayectorias de las partículas para cada tipo de secador.

Conclusiones
1.- Los resultados teóricos obtenidos indican que es probable se pueda reducir entre un 15 y un 30 % aproximadamente la longitud de los equipos destinados al secado neumático de biomasa aplicando este principio. 2.- En el trabajo se hace un análisis de los secadores de bagazo más importantes de los últimos tiempos y una de sus principales limitaciones radica en sus grandes dimensiones por lo que se analiza una variante para reducirlas. 3.- La variante analizada se basa en estudios realizados sin tener en cuenta la interacción entre partículas ni los efectos de la transferencia de calor y masa, aspectos en los que se continúa trabajando fuertemente en estos momentos, y de acuerdo a las experiencias anteriores y los resultados obtenidos hasta el momento se prevé obtener un equipo que logre los mismos resultados que los anteriores con menores dimensiones

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4.- La reducción anterior implicaría a su vez una reducción en el mismo orden aproximadamente del índice Ton. a / Ton. b, que incidirá positivamente en el ahorro de materiales, dinero y espacio necesario. 5.- Para inducir el movimiento en espiral ascendente no se requiere de partes internas móviles, lo cual incide positivamente respecto al consumo energético y la sencillez del diseño. 6.- De acuerdo a la investigación realizada sobre el tema se puede apreciar que a partir de los años 80 del siglo pasado existe una marcada tendencia hacia el secado neumático por lo que es de esperar que usando este principio se haga aún más atractivo este tipo de secado debido a las ventajas que puede ofrecer.

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA.
1.- Bombino M. E.. “Modelación matemática del movimiento vorticial en el espacio de partículas de bagazo”. Tesis presentada en opción al título académico de Master en ciencias. Octubre de 1999. 2.- Bombino M E., Roca A.G., Lesme J.R., Brossard P. L. ¨Estudio de la longitud de la trayectoria y la altura alcanzadas por partículas de bagazo durante su movimiento en forma de espiral ascendente¨. Revista Tecnología Química. Vol. XXII No. 2. del 2002. 3.- Roca A. G., Bombino M. E., Lesme J. N., Vaillant P. L. “Mathematical Modelling of the Spice Helical Movement’’ . Four International Congress SIHTOK-4. Mayo del 2000. 4.- S.T. Wereley and R.M. Lueptow. “Inertial particle motion in a Taylor Couette rotating filter”. Phys. Fluids, Vol. 11 No. 2, 325-333. 1999. 5.- Arrascaeta R. A. ``Secado neumático de bagazo integral con los gasaes de escape de los generadores de vapor de los centrales azucareros´´. Tesis presentada en opción al título de candidato a doctor en ciencias técnicas. 1985. 6.- Torres J. "Biomasa cañera y electricidad’’. Revista Energía y tú. No 4. OctubreDiciembre. 1998.

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