Diseño de una herramienta computacional para el análisis del desempeño energético de reactores rotatorios para la producción de cemento

Un horno/reactor rotatorio es un equipo de gran tamaño, el cual es empleado habitualmente en la producción de cemento. La materia prima para el proceso es mineral sólido rocoso, compuesto por piedra caliza, arcilla y arena, este ingresa en la parte superior del horno. Estos equipos se encuentran inclinados y girando sobre su propio eje, con el fin de facilitar el transporte de los sólidos a través del equipo. En el interior del horno se lleva a cabo un proceso de pirolisis del material sólido que da origen al clinker (compuesto base del cemento). La energía necesaria para efectuar el proceso químico es suministrada por el flujo (flujo en contra corriente al movimiento de los sólidos) de una mezcla de gases calientes productos de la combustión entre el aire y un combustible. Las condiciones de operación, v.g., Temperaturas por encima de 1000K, dimensiones del equipo: diámetros mayores a 1.5 m y longitudes alrededor de 40 m, dificultan un análisis experimental del desempeño de estos equipos. El objetivo de esta Tesis es desarrollar una herramienta computacional que permita simular el comportamiento del equipo y así evaluar su gasto energético. El modelo matemático del horno rotatorio tiene en cuenta: el movimiento de material sólido dentro del horno, balances de materia y energía en la fase sólida y en la fase gas, proceso reactivo en la fase sólida y en la fase gas, fenómenos de transferencia de materia energía entre el lecho de sólidos, gases de combustión y las paredes internas del horno rotatorio, y reducción del flujo de material sólido. La herramienta computacional se probó, simulando un horno rotatorio de una empresa cementera ubicada en Colombia. Los resultados de composiciones másicas a la salida del horno obtenidos de las simulaciones se confrontaron con mediciones experimentales, encontrándose que la máxima diferencia entre ellos es del 7%. Con base en las simulaciones realizadas, se efectuó una “auditoria” energética, la cual se llevo a cabo mediante el enfoque entrada-salida sobre el horno rotatorio, A partir de los resultados obtenidos se estimó la eficiencia energética y exergética del proceso, encontrándose la eficiencia exergética es una medida adecuada del uso de la energía en el horno. Para mejorar la eficiencia exergética del proceso y disminuir el consumo de energía del proceso, se planteó instalar una segunda coraza alrededor del horno y así recuperar parte de la energía que este pierde por la coraza. La herramienta computacional se desarrollo en Matlab® y puede ser implementada para diferentes hornos rotatorios, convirtiéndose en un instrumento útil para llevar a cabo análisis y optimización de hornos rotatorios / Abstract: A kiln/rotary reactor is a large equipment, which is commonly used in cement production. The raw material for the process is rock solid mineral, composed of limestone, clay and sand that enters the top of the oven. These equipments .These equipments are tilted and rotating on its axis, in order to facilitate the transport of solids through them. In the kiln is carried out a process of pyrolysis of solid material that gives rise to clinker (cement-based compound). The energy required to perform the chemical process is supplied by the flow (stream flow against the movement of solids) of a mixture of hot gases of combustion products between air and fuel. Operating conditions (temperatures above 1000K, equipment dimensions: diameter greater than 1.5 m and length about 40 m, difficult experimental analysis of the performance of these equipments. The objective of this thesis is to develop a computational tool to simulate the behavior of the kiln rotary and assess its energy consumption. The mathematical model of rotary kiln takes in account: the movement of solids in the kiln, material and energy balances in the solid phase, transfer phenomena energy between the bed of solids, combustion gases and the inner walls of the kiln and solid/gas phase reactions, and reduced flow of solid material. The computational tool was tested by simulating a rotary kiln of a cement company located in Colombia. The results of mass composition at the kiln outlet obtained from the simulations were compared with experimental measurements; we found that the maximum difference between them is 7%. From the simulations, was made a “audit” energy, which as carried out by focusing on input-output rotary kiln. Based on the results of estimated energy and exergetic efficiency of the process, being the second law efficiency is an appropriate measure of energy in the rotary kiln. To improve the exergetic efficiency of the process was proposed to install a second shell around the kiln and recover part of the energy it loses by the shell. The computational tool developed in MatLab® and can be implemented for different kilns, making it useful tool to perform analysis and optimization of rotary kilns.

• Autores: Coral Medina, Jesús David
• Fecha de publicación: 2011
• Institución: Universidad Nacional de Colombia
• Repositorio: Universidad Nacional de Colombia
• Idioma: spa
• OAI Identifier: oai:repositorio.unal.edu.co:unal/8190
• Acceso en línea: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/8190; http://bdigital.unal.edu.co/4740/
• Palabra clave: 51 Matemáticas / Mathematics; 66 Ingeniería química y Tecnologías relacionadas/ Chemical engineering; Horno rotatorio, Modelamiento y simulación, Energía, Exergía, Reducción del consumo energético, Rotary kiln, Modeling and simulation, Energy audit, Energy, Exergy, Reduction of energy consumption, Transport phenomena equations
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