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CENTRO DE INVESTIGACION Y ESTUDIOS AVANZADOS DEL IPNCENTRO DE INVESTIGACION Y ESTUDIOS AVANZADOS DEL IPNMAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA METALÚRGICAMAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA METALÚRGICA
MODELACIÓN FÍSICA DEL PROCESO DE REFINACIÓN DE CHATARRA DE ALUMINIO EN HORNO DE REVERBERO DE
DOBLE CÁMARA
Dr. Alfredo Flores ValdezDr. Alfredo Flores Valdez
Unidad SaltilloUnidad SaltilloRamos Arizpe, Coahuila.Ramos Arizpe, Coahuila.
OBJETIVO
Comprender la fenomenología del flujo de fluidos en el Comprender la fenomenología del flujo de fluidos en el horno de reverbero a través de su modelación física horno de reverbero a través de su modelación física y numérica para poder determinar el tiempo de y numérica para poder determinar el tiempo de mezclado y el tiempo de ciclo de un sistema de mezclado y el tiempo de ciclo de un sistema de partículaspartículas--agua en un modelo de acrílico en escala 1:2.agua en un modelo de acrílico en escala 1:2.
HomogenizadoHomogenizado
RefinaciónRefinación
TratadoTratado
INTRODUCCIONSección del horno a modelar:Sección del horno a modelar:
Cámara No. 1 : Cámara No. 1 :
Modelo de acrílico del Horno de reverbero (Escala 1:2)Modelo de acrílico del Horno de reverbero (Escala 1:2)
ANTECEDENTESANTECEDENTES
AguaAgua
Material de los modelos de Material de los modelos de pruebaprueba
TrazadoresTrazadores
ImpulsoresImpulsores
Patrón de flujo axial Patrón de flujo axial provocado por aspas provocado por aspas
inclinadas
Patrón de flujo radial Patrón de flujo radial provocado por aspas provocado por aspas
planasinclinadas planas
Criterios de Criterios de SimilitudSimilitud
•• Similitud Similitud GeométricaGeométrica
•• Similitud DinámicaSimilitud DinámicaR
p
m XXX
= Rp
m XXX
=
Relación de escalaRelación de escala Relación de Relación de volúmenes
Potencia/VolumenPotencia/Volumenvolúmenes
•• Velocidad tangencial Velocidad tangencial de agitaciónde agitación
•• Similitud dinámicaSimilitud dinámica
•• Vórtices similaresVórtices similares
gDNNFr
2
=gDNNFr
2
=gDNNFr
2
=
Resumen de relaciones obtenidas según los criterios contempladosResumen de relaciones obtenidas según los criterios contempladospara escalar para escalar NNmm
JUSTIFICACIONJUSTIFICACION
Debido a que se desconocen los tiempos de Debido a que se desconocen los tiempos de mezclado y de ciclo, la trayectoria de partículas mezclado y de ciclo, la trayectoria de partículas inyectadas, velocidades relativas, formación de inyectadas, velocidades relativas, formación de vórtices, localización de zonas muertas, etc., se hace vórtices, localización de zonas muertas, etc., se hace necesario la realización de una serie de pruebas en el necesario la realización de una serie de pruebas en el modelo físico, para cuantificar así como hacer modelo físico, para cuantificar así como hacer observaciones, referidas al fenómeno de flujo de fluido observaciones, referidas al fenómeno de flujo de fluido que ocurre en el modelo bajo condiciones de frontera que ocurre en el modelo bajo condiciones de frontera que traten de representar de la forma más confiable y que traten de representar de la forma más confiable y realista lo que está pasando en el horno.realista lo que está pasando en el horno.
Se realizará una ampliación en la modelación física.Se realizará una ampliación en la modelación física.
La validación de los experimentos en el modelo se La validación de los experimentos en el modelo se hará con pruebas en la planta. hará con pruebas en la planta.
METODOLOGIA
Materiales EquipoSimulación Física
Validación en planta
agua
colorante
baquelita
aceite
modelo físico de acrílico
agitadores
cronómetro
cámara fotográfica
espectrofotómetro
tacómetro
pipeta
válvula de succión
frascos
celdas
Diseño experimental
Diseño experimental factorial:
Variables experimentales (k):
variable dinámica
variables geométricas
• hi/h• D/T• Geometría delimpulsor
• Nmkn 2= kn 2=
tiempo de ciclo
tiempo de mezclado
Variables de respuesta:
Validación en planta
•• Escalamiento de resultados del modelo físico al horno Escalamiento de resultados del modelo físico al horno de reverbero.de reverbero.
•• Cálculo aproximado de la velocidad de recirculación del Cálculo aproximado de la velocidad de recirculación del
metal fundido en el horno.metal fundido en el horno.
•• Realización de pruebas en planta para comprobar el Realización de pruebas en planta para comprobar el tiempo de homogenización en el baño del horno.tiempo de homogenización en el baño del horno.
•• Comparación de la tasa de remoción del Mg del Comparación de la tasa de remoción del Mg del Aluminio realizada por la SiOAluminio realizada por la SiO2 2 contra la tasa de contra la tasa de colorización del tinte en el agua.colorización del tinte en el agua.
RESULTADOS PRELIMINARESRESULTADOS PRELIMINARES
•• Durante la etapa de experimentación no se pudo realizar pruebasDurante la etapa de experimentación no se pudo realizar pruebas tal tal como lo señalan los criterios de similitud.como lo señalan los criterios de similitud.
•• Otro líquido o mezcla que reemplazara al agua.Otro líquido o mezcla que reemplazara al agua.
•• Calentamiento del agua.Calentamiento del agua.
•• Con altas velocidades de rotación (Con altas velocidades de rotación (NNmm>480rpm) el agua presenta un >480rpm) el agua presenta un grado de agitación excesivo, distinto al del Aluminio líquido.grado de agitación excesivo, distinto al del Aluminio líquido.
•• Se descarta la utilización del Criterio de Reynolds para agitadSe descarta la utilización del Criterio de Reynolds para agitadores como ores como medio para escalar medio para escalar NmNm, se continuará la etapa experimental en base a los , se continuará la etapa experimental en base a los Criterios de Froude y de la Velocidad Tangencial de agitación.Criterios de Froude y de la Velocidad Tangencial de agitación.
REGISTRO DE RESULTADOS OBTENIDOS
336
486tiempos de ciclo más cortos:
tiempos de mezclado más cortos:
Tiempo vs Concentración
90, 0.27027
00.050.1
0.150.2
0.250.3
0.35
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325tiempo (s)
Con
cent
raci
ón (g
/l)Impulsor Nm hi/h D/T tcI2P 336 0.25 0.71 13.5
Tiempo vs Concentración
72, 0.27027
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275
Tiempo (s)
Con
cent
raci
ón (g
/l)
Impulsor Nm hi/h D/T tcI3P 336 0.25 0.71 14.5
CONCLUSIONES
El impulsor I2P (utilizado en la planta) no es un buen mezclador, sin embargo debido a su geometría proporcionó el tiempo de ciclo más corto como consecuencia del patrón de flujo radial inducido.
El impulsor I3P (propuesto) dio lugar a los mejores tiempos de mezclado y su capacidad de bombeo fue aceptable.
La relación hi/h = 0.25 provocó un patrón de flujo más eficiente respecto a los tiempos de ciclo y de mezcla obtenidos.
La relación D/T = 0.71 produjo los mejores tiempos de mezclado y de ciclo.
Después de 3 minutos el grado de homogenización de la mezcla prácticamente no varía.
La velocidad lineal promedio del fluido es de aproximadamente 24.4cm/s.