Ingenieria Electromecanica 3

Ingenieria Electromecanica III

Profesor:

JTP: Ingeniero Daniel Girolomini

Integrantes:

Duran, Nicolas

Gimenez, Mauricio

Maturano, Ivan

Narpe, Jose

Narpe, Ramiro

Santi, Atilio

Universidad Tecnológica Nacional

Índice

Evaluación de la industria............................................................................................................... 2

Datos de la empresa, ubicación geográfica y actividades ............................................................. 2

Estructura organizacional ............................................................................................................... 3

Layout.............................................................................................................................................. 4

Diagrama de flujo del proceso de producción ................................................................................ 4

Proceso de producción .................................................................................................................. 4

Análisis ambiental ......................................................................................................................... 10

Idea del proyecto .............................................................................................................................11

Descripción general de la idea ........................................................................................................11

Desarrollo del Proyecto …………………………………………………………………………………..12

Determinación de la Velocidad de Sedimentación……………………………………...……13

Sedimentadores convencionales……………………………………………………………….14

Sedimentación inclinada…………………………………………………………………………15

Diseño de sedimentador…………………………………………………………………………17

Calculo del sedimentador………………………………………………………………………..19

Análisis de mercado ........................................................................................................................21

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Evaluación de la Industria

Datos de la empresa, ubicación geográfica y actividades

Reutilizar S.A. es una empresa que se encuentra ubicada en Rodríguez Peña y 9 de Julio 202, en

el distrito de Luzuriaga de Maipú, en Mendoza, Argentina. Cuenta con un terreno de 24700 m2.

El propósito de este emprendimiento es la compra-venta de materiales reutilizables (por ejemplo

plástico, cartón, metales, etc.). La empresa compra productos en desuso, de los cuales algunos son

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almacenados para la posterior venta, y otros, como el PET (Tereftalato de polietileno) son reciclados

y vendidos a plantas que utilizan este producto como materia prima.

Nuestro trabajo esta enfocado en el procesado de PET.

La empresa comenzó a trabajar en el reciclado de PET en el año 2007, con la compra de

maquinaria la cual produce alrededor de 3000 kg de material reutilizable cada 12 horas, estuvo

funcionando durante aproximadamente un año. Luego por problemas operativos de la empresa se

detuvo el proceso hasta que en 2012 se retomó definitivamente enfrentando los gastos de

mantenimiento en consecuencia del tiempo que la maquina estuvo detenida.

Estructura organizacional:

La empresa no tiene una estructura organizacional definida, cuenta con un dueño que dirije a

todo el personal.

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Layout

El plano de la empresa con la ubicación de cada uno de las maquinas corresponde al anexo 1.

Diagrama de Flujo del Proceso de Producción

El siguiente esquema se condice con el proceso de producción que se detallará en el próximo

apartado y que utiliza la maquinaria visualizada en el plano de layout.

Proceso de Producción

La reciclabilidad de los recursos plásticos depende del tipo de plástico, los residuos deben ser en lo

posible de una sola clase para que los productos tengan propiedades similares a los de la materia

prima virgen. La empresa utiliza las botellas de PET. Obteniendo como producto final escamas de

este material que son almacenadas en bolsas de 500 kg.

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Almacenado

Soplado

Secado

Tercer lavado con Silicona

Segundo lavado con Desengrasante

Primer lavado con detergente

Trozado

Clasificación

Deposito


1. Almacenamiento del PET: se compran botellas de plástico para la reutilización.

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2. Primera selección de material: con ayuda de una cinta transportadora y operarios se

descartan las botellas que contengan aceites, ya que se dificulta su lavado. También es

descartado el PET de color, debido a que este es menos rentable que el de color cristal.

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3. Segunda selección del material: a través de un elevador de cangilones, las botellas,

son depositadas en una tolva, luego cae en una cinta transportadora y un operario vuelve a

descartar las botellas que no cumplan con las condiciones.

4. Trozado: la cinta transportadora lleva las botellas hasta una trazadora que parte las

botellas para separar el PET de los demás materiales que contiene, por ejemplo las

etiquetas y tapas.

5. Triturado: una cinta transportadora, con un ventilador que ayuda quitar las etiquetas, deja

caer la botella en un molino que tritura el PET a un tamaño de escama, este será el tamaño

final. Al salir de esta etapa, se encuentran unos imanes que tienen el objetivo de separar

cualquier partícula de metal que exista en el producto.

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6. Lavado: el producto generalmente está contaminado, y debe ser limpiado con diferentes

productos químicos, se usan detergentes, siliconas y desengrasantes. El proceso consiste

en sumergir el PET en los distintos químicos en una pileta de 2 metros de profundidad, por

ser mas pesado que los demas materiales este producto precipita al fondo del tanque.

7. Secado: un tornillo sin fin lleva el producto desde el fondo de la pileta hasta un bomba de

paletas que impulsa las escamas a lo largo de una cañería calefaccionada, que seca el

producto para luego ser almacenado.

8. Separador de polvo: mediante la rotación de un cilindro con multiples agujeros de diámetro

menor a la escama, se expulsa el polvo y las partículas excedentes, quedando asi las

escamas libres de polvo.

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9. Almacenado: las escamas mediante un sistema de soplado son enviadas hasta un silo que

las almacena ser distribuidas en bolsas de 500 kg.

Impacto Ambiental

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El PET es un derivado del petróleo altamente contaminante. Para que un producto desechable de

este tipo se destruya en la naturaleza toma un periodo mayor a 500 años, mientras que al ser

incinerado produce gases nocivos contaminantes para la atmosfera. Es por eso que se busca

reciclar este tipo de material.

Uno de los mayores problemas del lavado de PET es la cantidad de agua que es derrochada, por

ejemplo este equipo tiene un consumo de 8000 Lts/h de agua, la cual es extraída de la napa

freática. El agua que es desechada del proceso no sirve para riego, por tener detergentes, siliconas

y desengrasantes, actualmente están siendo utilizadas para el riego de calles de tierra en la zona

de la empresa.

Otro problema del PET es el aceite y derivados de petróleo que hayan almacenado antes de ser

descartados, esto dificulta su reutilización porque es muy difícil quitar este tipo de contaminantes.

Es por eso que se descartan todas las botellas que presenten señales de haber sido utilizadas con

estos líquidos.

Ideas del proyecto

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Descripción general del problema

Luego de realizar una visita a esta empresa, fue notable que tenían un gran consumo de agua, y se

perdía mucha energía y dinero en tener en funcionamiento una bomba de grandes dimensiones,

para el transporte del líquido desde la napa. Además del costo que requiere un camión que

transporte el agua que se desecha.

La solución para reducir los gastos en consumo de agua pasa por diseñar un circuito cerrado de

agua. Para ello es necesario tratar el agua de manera que nos pueda volver a servir en, por lo

menos, varios ciclos. Para ello tenemos que conseguir diseñar un sistema para controlar ciertos

parámetros básicos como la materia en suspensión.

Para conseguir controlar estos parámetros necesitaremos hacer pasar el agua por distintos

procesos consecutivos de tal manera que al final obtengamos agua con una carga contaminante lo

suficientemente baja como para poder volver a utilizarla en otro ciclo de limpieza de PET.

Desarrollo del proyecto

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Dado que la materia prima con la que se trabaja es muy heterogénea debido a los diferentes usos

que se le haya podido dar, los contaminantes que quedarán en el agua también lo serán. Es por

esta razón que el primer paso que deberá sufrir el agua será un proceso de homogeneización. Para

ello se utilizará un primer depósito que, en la medida de lo posible, debería estar dotado de un

agitador. La función de este depósito no será tanto el conseguir un flujo completamente homogéneo

durante periodos prolongados de tiempo sinó más bien reducir los posibles y probables picos de los

distintos elementos contaminantes. La variabilidad de los contaminantes, siempre y cuando no se

produzca de manera brusca, se puede corregir fácilmente añadiendo ciertos aditivos (floculantes,

acidos, bases.)

Además de los contaminantes que pueda traer el agua también durante el proceso se le agrega

detergente, siliconas y desengrasantes, pero no buscaremos eliminar este tipo de productos porque

nos ayudara a reducir el consumo de estos en el ciclo siguiente.

A continuación, el agua deberá pasar por un sedimentador, el cual debe estar diseñado de forma

que baje la velocidad del agua y de esta forma los sólidos queden depositados en el fondo. La

pileta de decantación deberá tener por lo menos 14 m3 para garantizar un suministro constante.

La sedimentación es un proceso basado en el fenómeno físico por el cual las partículas

suspendidas presentes en el agua descienden debido a la acción de la gravedad por su mayor peso

específico.

Los sólidos o partículas son considerados como aglomerables o floculentos cuando al descender en

la masa líquida, se adhieren o aglutinan, cambiando de tamaño, forma y peso específico durante la

caída, formando flóculos que tienen uyna gran velocidad de sedimentación.

La velocidad de sedimentación (Us) de una partícula en un líquido en reposo, puede determinarse

de dos formas: a) teórica en base a la expresión general (para zonas laminar, turbulenta o de

transición), cálculo efectuado generalmente para partículas discretas y aisladas; o b) mediante

ensayos de laboratorio, efectuado especialmente para partículas floculentas.

Método Teórico de Determinación de la Velocidad de Sedimentación

Us=[ 43∗( g

CD )∗(δ s−1 )∗dp]1 /2

para partículas aisladas.

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Donde:

dp = diámetro equivalente o tamaño de la partícula, (m)

δp = ρ s / ρ = densidad relativa de la partícula (adimensional)

ρs = masa específica de la partícula a temperatura T°C de diseño, (Kg/m3 ó

N.s2/m4)

ρ = masa específica a temperatura T°C del agua (Kg/m3 ó N.s2/m4)

g = aceleración de la gravedad en el lugar (m/s2)

CD = coeficiente de arrastre de Newton, función del número de Reynolds

Re = Us .dp / ν (adimensional), valor constante cuando Re ≥ 2000 y variable para Re ≤ 2000

ν = viscosidad dinámica del agua a temperatura T°C, (m2/s)

Sedimentadores convencionales de flujo horizontal o decantadores

El área superficial debe determinarse mediante la expresión: As=QUsc

o la expresión As=Qqs

Usc = Velocidad de sedimentación critica.

La velocidad media de escurrimiento longitudinal Uem, no debe ser superior al valor de la velocidad

Uar de arrastre de las partículas sedimentadas.

El valor de Uem deberá determinarse mediante las siguientes expresiones:

Uem ≤ Uar = (Re/8)1/2 .Usc (m/s ó cm/min) para Re < 2000

Uem ≤ Uar = 18 Usc (m/s ó cm/min) para Re > 15000

Donde:

Re = 4 ρ .Uem . Rh/μ = 4 Uem . Rh/ν = número de Reynolds, siendo:

Rh = As / (2H + B) = radio hidráulico (m)

ρ = masa específica del agua a temperatura T°C, (Kg/m3 = N.s2/m4)

μ = ν . ρ = viscosidad dinámica del agua a temperatura T°C, (N . s/m2)

ν = μ / ρ = viscosidad cinemática del agua a temperatura T°C, (m2/s)

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B = ancho constante de la zona de sedimentación (m)

H = altura o profundidad útil de la zona de la sedimentación (m)

Las dimensiones de los sedimentadores deben observar las siguientes relaciones:

Relación longitud-ancho: 2 ≤ L/B ≤ 5.

Relación longitud-profundidad útil: 2,5 ≤ L/HD ≤ 25.

El número mínimo de unidades adoptado debe ser de 2.

La remoción hidráulica del barro acumulado debe diseñarse a través de una tolva de volumen

tronco piramidal o de cono invertido con ángulo mayor a 50° respecto a la horizontal, con la

descarga localizada en la base inferior.

El diámetro mínimo de la cañería de descarga debe ser de 150 mm para una longitud inferior a 10

m, y de 200 mm y más para una longitud mayor o situada debajo de estructuras de difícil acceso.

Sedimentación de partículas floculentas con escurrimiento vertical

Son unidades generalmente patentadas provistas o no de equipos para extracción de barro,

pudiendo ser unidades independientes con remoción del lodo hidráulica o mecanizada.

Cuando el ingreso del agua coagulada se realiza en la zona de barro, se denominan, decantadores

de manto de lodo que operan con una carga hidráulica superficial normalmente mayor al de flujo

horizontal.

En algunos equipos patentados, en una misma unidad se producen los procesos de floculación y

sedimentación en la zona del lodo.

Se puede aceptar el empleo de decantadores de mantos de lodo sólo cuando el escurrimiento sea

continuo y no existan variaciones significativas de caudal y de calidad del agua cruda.

Los decantadores de manto de lodo pueden ser hidráulicos o mecanizados, con o sin recirculación

de lodo, con o sin control de la altura del manto a través del vertedero y con escurrimiento continuo,

constante o pulsante.

Sedimentación de partículas en escurrimiento inclinado

El cálculo de la zona de sedimentación debe realizarse mediante uno de los métodos que se

indican a continuación:

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Se puede considerar que la retención de partículas se produce en toda la zona de escurrimiento

inclinado, compuesta de un tramo inicial con flujo de transición y el final con escurrimiento laminar

(completamente desarrollado). En este caso el cálculo debe considerar tres parámetros básicos: la

velocidad de sedimentación crítica Usc , determinada experimentalmente o en su reemplazo por la

carga hidráulica superficial qs (m3/m2.día ó cm/min), la longitud total de la zona de sedimentación l

(m) y la velocidad media de escurrimiento inclinado en esa zona, Uem (m3/m2.día ó cm/min).

En el caso de adoptarse valores relativamente bajos de la velocidad de sedimentación crítica Usc, o

de la carga hidráulica superficial, qs, se puede dimensionar la zona de sedimentación mediante la

siguiente expresión de Yao aplicada solamente en la zona de escurrimiento laminar:

Usc= Sc∗Uem[senθ+L∗cosθ]

=Uemf

= velocidad de sedimentación de diseño (m/s, m/d ó cm/min)

Donde:

f = (sen θ + L cos θ)/Sc = factor de forma para decantadores con elementos de escurrimiento

inclinado.

Sc = factor de eficiencia, siendo igual a 1,0 para placas planas paralelas y conductos rasos (de

poca altura respecto al ancho), de 4/3 para conductos circulares y 11/8 para conductos cuadrados.

θ = ángulo de inclinación de los conductos o placas planas paralelas respecto al plano horizontal.

Uem = velocidad media de escurrimiento longitudinal en los conductos y placas planas paralelas

(m/s, m/d ó cm/min), que sirve para determinar el número de conductos o de placas planas en cada

línea o calle de los decantadores.

L= ILd

=(l−¿)d

= longitud de cálculo = longitud relativa de la zona con escurrimiento laminar (valor

adimensional)

lL = l – lt = longitud de la zona de escurrimiento laminar (m)

d = diámetro equivalente de los conductos o separación libre entre placas planas paralelas (m)

l = longitud de escurrimiento inclinado = ancho de cada placa plana ó longitud de cada conducto (m)

lt = Ct . (4 Rh . d/ν) = longitud del tramo de transición.

Ct = coeficiente de Sparrow, cuyo valor es: 0,0065 para placas planas y 0,0080 para conductos

rectangulares.

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Rh = radio hidráulico de la sección de escurrimiento (m) = sección mojada/perímetro mojado (m)

ν = viscosidad cinemática del agua para la temperatura del agua, (m2/s)

Diseño del sedimentador

Diseñaremos un sedimentador convencional de flujo horizontal o decantador.

Para el diseño, se debe cumplir que las dimensiones del sedimentador estén dentro de los

siguientes valores de referencia:

2,5/1 < L/B < 10/1

4/1 < L/B < 6/1 (más frecuente)

3 m < H < 5 m

5/1 < L/H < 25/1

Tiempo de retención T

1,5 hs < T < 3,0 hs

2,5 hs < T < 2,0 hs (más frecuente)

Carga superficial (Cs): Cantidad de m³/s que hay que tratar por m² de sedimentador. El rango de

variación de Cs depende de dos factores:

Tipo de tecnología y posterior tratamiento del agua.

Calidad del agua y disponibilidad de coagulantes de floculación.

Los rangos de Cs son:

5 a 20 m3/ (m2.dia) Para sedimentador simple (sin coagulantes).

20 a 40 m3/ (m2.dia) Sedimentación rápida (debe haber buena operación de

planta y tecnología, generalmente en Mendoza).

40 a 60 m3/ (m2.dia) Sedimentación rápida, excelente operación, muy buen

coagulante, se hace control de calidad.

Tanque ideal según Camps:

Flujo pistón

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Concentración de partículas en un corte vertical al inicio debe mantenerse igual

Toda partícula que toca la zona de lodos queda fuera del sistema

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Calculo del sedimentador

Tomamos como referencia un valor de carga superficial simple:

Cs = 20 m3/m2.dia

Solo se utilizara un sedimentador por lo tanto

N = 1

El tiempo que el agua estará en el sedimentador deberá ser de 2 hs.

T = 2 hs

El caudal de agua que debera procesar el sedimentador sera aproximadamente:

Qi= 2 l/s = 0,002 m3/s

Superficie:

A=QiCs

=0.002m3/s

20m3

m2∗dia=9m2

Volumen de cada sedimentador

Vs=Qi∗TN

=0.002m3

s7200S

1=14m3

Para el volumen anterior adoptamos:

B = 2 m

H = 0,7 m

La longitud del sedimentador será entonces:

L= VH∗B

= 14 m3

2m∗0.7m=10m

Se obtiene como dimensiones definitivas:

L = 10 m

B = 2 m

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H = 0,7 m

Verificaciones a realizar en el sedimentador

Dimensiones: L/B = 5 Verifica

L/H = 14,3 Verifica

Velocidad horizontal (Ecuación de la continuidad):

El caudal del sedimentador es Qs = 0,002 m3/s

La velocidad U es:

Us=QsW

= QsB∗H

=0.14cms

<0.55cms

Verifica

Al ser un sedimentador hidráulico la recolección de barros se realiza a través de una tolva que

posee el fondo. Los barros pueden permanecer allí entre 15 y 20 días sin que se descompongan.

La tolva es con forma piramidal ya que a través de este sistema se pueden recoger los barros

desde el fondo del sedimentador.

Ya que se adoptó una carga superficial de 20 m3/ (m2.dia) y la presencia de detergentes en el

fluido a tratar no será colocado un floculador antes del sedimentador, realizándose entonces una

sedimentación simple sin coagulantes.

Solo colocaremos una única bomba, que será utilizada para reincorporar el agua nuevamente al

proceso, para eliminar los lodos del fondo contrataremos un camión atmosférico cada 20 días

aproximadamente.

Para la selección de la bomba consideraremos un caudal de 8 m3 y una altura de unos 10 m.

buscamos en los distintos catálogos añadidos en el anexo.

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Se seleccionó una bomba CMT-310 con una capacidad de 8,4m3

h.Esta bomba tiene un costo

aproximado de $3000. Por las dimensiones que tiene este dispositivo optamos por utilizar una

cañería de 1’.

Analisis de Mercado

Se consulto con distintos proveedores los precios de hormigón, excavación y bombas, y obtuvimos

el costo de la empresa que es detallado en el siguiente cuadro:

Ítem Cantidad Precio Unitario Costo(m³) ($/m³) ($)

Hormigon Armado 7.1 $ 5,000.00 $ 35,680.00 Excavación 38.7 $ 120.00 $ 4,648.80 Relleno lateral 8.6 $ 140.00 $ 1,209.60 Hormigón de limpieza 1.5 $ 2,000.00 $ 2,900.00 Bomba CP 300 1 u $ 3,000.00 $ 3,000.00 Cañeria de 1'

El costo que tiene el emprendimiento por el contrato del camión es de $450 por día, lo que daría un

costo fijo mensual de alrededor de $10000, considerando que el costo de la pileta mensual seria el

contrato de un atmosférico que retire los lodos cada 20 dias, es decir que costaría unos $500 pesos

mensuales.

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