Procesos industriales- Proyecto practico I Parcial.
Línea de proceso industrial para la elaboración de mortero para pegar cerámica, presentación de 20 Kg en fundas de papel (Kraft).
Introducción.
La industria
del cemento y la cerámica contiene una gran cantidad de productos en su
abanico, entre los que podemos destacar a los distintos tipos de cementos, porcelanatos,
cerámicas, morteros, etc. Dichos productos han formado parte de la historia de
la civilización desde hace millones de años, como por ejemplo los grandes
coliseos construidos en la antigua Roma y Grecia, mismos que fueron construidos
en gran parte con algunos de los materiales de la industria anteriormente
mencionada, aunque sin los conocimientos científicos con los que actualmente se
cuenta.
Por consiguiente, el proyecto que se desarrollara a continuación trata sobre la elaboración de mortero en presentación de 20kg en empaque de papel Kraft, mismo que conlleva a un proceso laborioso y muy interesante, dado que se tendrá ciertas materias primas que ingresaran al proceso de producción en los cuales se debe tener establecidos ciertos conocimientos relacionados a los balances de materia.
La asignatura de procesos industriales juega un rol importante en el desarrollo de este proyecto, ya que a partir de las herramientas que esta nos entrega, se puede llevar a cabo los respectivos cálculos de balances de materia con o sin reacción química que conlleva nuestra línea de producción, y que a su vez nutren nuestras capacidades como futuros ingenieros industriales indistintamente en el tipo de industria en el cual nos desenvolveremos como tal.
Justificación.
La gran
variedad de productos que se pueden encontrar en el mercado referente a la
industria del cemento y la cerámica, hacen de esta industria una de las más
importantes a nivel mundial y hasta se la puede incluir dentro un marco histórico
debido a que civilizaciones antiguas han hecho uso de estos productos para su
comodidad y supervivencia como tal.
Por lo tanto,
como grupo de trabajo creemos importante el desarrollo de uno de los tantos
productos que esta industria oferta, el cual es el mortero, que en nuestro caso
se desarrollara en presentaciones de 20kg en fundas de papel Kraft, mismo que
cuenta con un proceso de producción que implica el conocimiento que se ha
adquirido en la materia de procesos industriales en lo que respecta a los
balances de materia, así como las bases de otras materias de cursos ya
previamente vistas durante la carrera, por lo que todo ese conocimiento que se
ha adquirido se manifiesta en el desarrollo del siguiente proyecto.
Objetivos.
Objetivo general.
- Determinar los flujos de materia prima que deben ingresar al proceso en la producción de 1000 fundas de mortero para pegar cerámica.
Objetivos específicos.
-Determinar los flujos de masa que ingresan y salen en cada operación por cada funda.
-Determinar los flujos en moles de las reacciones que se presentan en las operaciones para la obtención de cal hidratada.
-Determinar la cantidad de residuos existe en el sistema.
Fundamentos teóricos.
Los
siguientes conceptos, están basados en lo que se ha aprendido a lo largo de la
carrera en las distintas materias.
Sistema.
En lo
que se ha podido aprender dentro del salón de clases, un sistema hace
referencia a una porción del universo que se toma para su respectivo análisis,
mismo al cual se le especifica sus respectivas fronteras.
Tipos
de sistemas.
Sistema
abierto: Son
aquellos sistemas que intercambian materia y energía con sus alrededores.
Sistema
cerrado: Estos tipos de sistemas intercambian energía con sus alrededores, pero
no intercambian materia.
Sistema aislado: No intercambian materia ni energía, ambas permanecen constante.
Masa.
La
definición más común que se puede escuchar sobre la masa es que es la cantidad
de materia que posee un cuerpo y que en el sistema Internacional su unidad es
el Kg, además de tal definición podemos añadir que se puede considerar masa a
una cierta cantidad de átomos.
Energía.
Se
puede definir a la energía como la capacidad que un cuerpo posee para realizar
un trabajo respecto a él o sobre otros cuerpos.
Balance
de masa.
Es la
contabilización de materiales que entran y salen de un proceso o sistema que se
este analizando como tal, en donde tal contabilización se rige a la ley de la
conservación de la energía, la cual nos dice que “la energía no se crea ni se
destruye, solo se transforma”, este concepto es aplicable en cuanto a la
conservación de la masa. La importancia de realizar un balance de masa radica
en que todas las empresas que realizan algún producto necesitan de ciertas
cantidades de materias primas para obtener un producto final, entonces para
evitar cualquier tipo de anomalía en cuanto a la cantidad de materias primas,
el balance de materia es una gran ayuda para las empresas, permitiéndoles estar
informadas del rendimiento y eficiencia de algún proceso o proceso en general.
Si no
hay generación o consumo de materia dentro del sistema.
Acumulación= Entrada – Salidas
Si no
existe acumulación o consumo de materia dentro del sistema, se dice que estamos
en estado estacionario o uniforme.
Entradas = Salidas
Balance
de energía
Fundamentalmente
el balance de masa y energía es la determinación cualitativa y cuantitativa de
los requerimientos de materiales y energía involucrados en un proceso
industrial.
La
aplicación de dichos balances permite dar los primeros pasos para el diseño de
una determinada planta industrial, además de ser una herramienta de diagnóstico
durante la operación de procesos industriales.
El
balance de masa y energía es una herramienta para el control y el diagnóstico
de la operación de los procesos productivos.
Por
otro parte, el balance de masa y energía tiene sus limitaciones. Se pueden
calcular con el los requerimientos de materiales y de energía pero no se puede
determinar el tamaño de los equipos en donde se efectúan los procesos. Para
esto es necesario tener los datos del balance y, además, las ecuaciones de
transferencia y las condiciones especiales que ligan las variables de operación
con las dimensiones del equipo de proceso.
Los
morteros.
Los
morteros son mezclas plásticas que en estado pastoso tienen la propiedad de
poderse moldear, de adherirse fácilmente a otros materiales, de unirlos entre
sí, protegerlos, endurecerse y alcanzar resistencias. Los morteros varían según
los materiales con los que son elaborados y comúnmente se elaboran de forma
manual, mecánicamente o bien, premezclados.
Los
tipos de morteros se definen en relación con el conglomerante que se utiliza:
Mortero
de Cal.
La cal
que se utiliza en la actualidad para la confección de morteros, es la cal
aérea, apagada y en forma de pasta o polvo.
Las
propiedades de la cal permiten que se utilice: Para mejorar su manejo, como
plastificante, aunque es común además la adición de plastificantes específicos.
Para mejorar la deformabilidad del mortero y de la pared, sobre todo en los
cerramientos exteriores, sometidos a cambios bruscos climáticos.
Tal es
el caso de una orientación sur con mucho sol, pues los morteros de cal o mixtos
absorben mucho mejor los movimientos naturales de los muros.
Mortero
de Arena
La arena se emplea lavada y cribada, de tipo natural, de machaqueo, o bien, mezclada.
Elementos que intervienen en el proceso.
En lo que respecta al proceso de elaboración de mortero de 20 kg en papel Kraft, por parte de nuestra empresa Helsinki S.A, se tiene como principales elementos a la piedra caliza, el cemento y la arena, a continuación, se procederá a indicar sus respectivos conceptos y resaltar la importancia de tales elementos en el proceso.
Cal.
La cal es un conglomerante natural inorgánico y aéreo que se obtiene calcinando la piedra caliza por debajo de la temperatura de descomposición del CaO, las temperaturas oscilan entre los 1070°C a 1270 °C. En ese estado se denomina cal viva u CaO y si se apaga sometiéndola al tratamiento de agua, se le llama cal apagada, hidratada u Ca(OH)2 (Zelaya, 2020).
A raíz de las diversas fuentes en las que se ha leído sobre la fabricación de los morteros, se puede destacar ciertos beneficios que la cal aporta el producto final, entre los cuales podemos destacar que le brinda una alta retención al agua, mayor plasticidad, mayor impermeabilidad, mayor trabajabilidad y adherencia lo cual beneficia a la preparación, aplicación, desempeño y durabilidad del mortero como tal.
Cemento puzolánico.
El CP-40 (cemento puzolánico) es un aglomerante hidráulico, producido por la mezcla íntima de un material conocido como puzolana y el Hidrato de Cal, finamente molidos. Este aglomerante alcanza baja resistencia mecánica, y su fraguado es algo más lento que el del cemento Portland (Belli, 2020).
Por esta razón, se considera el uso de este tipo de cemento en Helsinki S.A. Como dato adicional se puede mencionar que los aglomerantes cal-puzolana tienen su origen reconocido en las construcciones hechas por los romanos. Hoy en día se conservan aún las ruinas de los grandes edificios construidos con este material.
Quizás el lector de este documento se preguntará que son las puzolanas, y para evitar que recurra a internet en búsqueda de tal significado, se tiene la siguiente definición a partir de lo que nos indica la normativa ASTM (1992) “las puzolanas son materiales silíceos o alumino-silíceos quienes por sí solos poseen poco o ningún valor cementante, pero cuando se han dividido finamente y están en presencia de agua reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio a temperatura ambiente para formar compuestos con propiedades cementantes"
Arena.
La arena es un conjunto de partículas de rocas disgregadas. En geología se denomina arena al material compuesto de partículas cuyo tamaño varía entre 0,063 y 2 mm. Una partícula individual dentro de este rango es llamada grano de arena. Una roca consolidada y compuesta por estas partículas se denomina arenisca. Las partículas por debajo de los 0,063 mm y hasta 0,004 mm se denominan limo, y por arriba de la medida del grano de arena y hasta los 64 mm se denominan grava (Quimica.es, 2019).
Aditivos.
Por último y no menos importante tenemos a los aditivos en lo que respecta a la composición final del mortero de Helsinki, estos aditivos conforman un 2% de la mezcla, los cuales tienen la labor de mejorar la calidad del mortero para que este se pueda adaptar a cualquier ambiente de trabajo (refiriéndose netamente a las condiciones climáticas en los que se pueda llegar a usar el producto).
Descripción del proceso.
Proceso de la obtención de la Cal Hidratada.
Recepción de la piedra caliza: Este insumo se obtiene a partir de las canteras, en donde contamos con un proveedor certificado y con el que tenemos años trabajando en conjunto, la materia prima como tal contiene entre un 97% y un 98% de Carbonato de Calcio (CaCO3) en base seca, y a la vez compuesta por otros componentes como Carbonato Magnésico (MgCO3), Aluminia u Oxido de Aluminio (Al2O3), Óxido de Hierro (Fe2O3) y Silice (SiO2).
Trituración: El objetivo de triturar la
piedra caliza es para reducir su tamaño original a partículas que permitan
ingresarlas acorde al horno con el cual contamos para calcinarla.
Calcinación:
Una vez
obtenida la caliza triturada se procede a llevarla a un horno rotatorio en
donde el objetivo es llevar a la caliza a una temperatura de 1000 a 1100 °C, la
cocción como tal ocurre desde la periferia hasta el centro quedando totalmente
calcinada la roca para de esta manera obtener el Óxido de Calcio.
Trituración
y pulverización:
Esta etapa se realiza con el objetivo de reducir aún más el tamaño de la Cal
viva, misma que debe ser capaz de combinarse con el agua.
Hidratación:
Consiste en
agregar agua a la Cal viva, en donde se producirá Hidróxido de Calcio, el cual
es una base fuerte formada por el metal CALCIO unido a dos grupos HIDRÓXIDOS,
una vez tenemos nuestra cal hidratada, esta es transportada hacia el un
dosificador en donde estarán otros componentes que conforman la mezcla de
nuestro mortero.
Carbonatación: Como bien se sabe la
producción de la cal es un proceso que conlleva grandes cantidades de CO2, dado
que la piedra caliza desprende tal compuesto y es por esto que en esta etapa de
obtención del Carbonato de Calcio Precipitado, especifico para cada aplicación
se obtiene mediante la reacción en condiciones físicos-químicas controladas de
Ca(OH)2 con CO2 de carbonatación se
aprovecha el CO2, este último proveniente de la etapa de calcinación (Calcinor,
2022).
Proceso
para la elaboración de mortero.
Recepción
de la arena:
En esta etapa de recepción, la arena cuenta con cierta cantidad de agua en su
composición, además de contener ciertas impurezas como piedrillas, las cuales
deben de ser eliminadas para de esta manera dirigir esta arena libre de
impurezas al siguiente proceso, nuestra empresa tiene como requerimiento que la
arena que se recibe debe tener una finura que no sobrepase los 2mm y debe tener
una humedad máxima entre 8 y 10%.
Secado: Este proceso se realiza en un
secador rotatorio mismo que tiene instalado un quemador que realiza el sacado
de la arena, la velocidad de rotación varía acorde a la alimentación que se
necesite, pero oscila entre 10-16 RPM, y es a través de este giro que se
realiza el sacado de la arena a una humedad del 0%, la temperatura de trabajo es
de 500 °c con una capacidad de 1.2 Tn/h. una vez secada la arena, esta es
transportada mediante una banda transportada hacia el dosificador
semiautomático.
Dosificación:
En nuestra
línea de proceso existen silos de almacenamiento de ciertos aditivos que conforman
al mortero final, en donde el cemento se almacena en un silo de 40Tn, el tipo
de cemento que se utiliza en el proceso de dosificación es de tipo 2
puzolánico, el cual brinda resistencias altas en corto tiempo. En cuanto a los
aditivos, estos se almacenan en tanques pequeños puesto que solo constituyen el
2% de la composición del mortero que produce nuestra empresa.
Una
vez explicado esto, se detalla el proceso de dosificado:
El
equipo que utilizamos en nuestra planta para la dosificación es un dosificador
semiautomático, el cual recibe los materiales de los demás silos y tanques
mediante el descargo de unos tornillos sin fin, que están conectados al
dosificador semiautomático (el cual tiene una capacidad de 2 Tn mismo que está
equipado con celdas de carga que le permite a los silos de materia prima
transportar la cantidad adecuada, acorde al mortero a realizar. El dosificador
puede trabajar solo con lotes de hasta 500kg.
Mezclado:
El material
dosificado es llevado mediante elevador de cangilones hasta un mezclador
rotativo de paletas que es el encargado de homogeneizar las materias primas y
también trabaja por lotes, el cual tiene una capacidad de 20 Tn/h, pero el
mezclador trabaja según la demanda que se tenga como tal.
Envasado: Una vez se haya mezclado el
mortero, se procede a alimentar a una tolva de recepción de 2 Tn, para luego
realizar el ensacado, mediante una ensacadora neumática de proceso continuo, en
esta máquina los sacos son llenador por un trabajador, estos sacos son
valuados, lo que quiere decir que se cierran automáticamente al quitar la
presión de alimentación del material, los sacos que se producen son de 20 kg, y
la capacidad de la ensacadora es de 200 sacos/hora, por lo que es una máquina
de suma importancia dentro del proceso, y como tal se tiene una en reserva para
usarla por un desperfecto o cuando la demanda es muy alta.
Paletizado:
Los sacos son
cargados de manera manual y acomodados en pallets para su posterior almacenaje
y transporte, al mismo tiempo que se emplástica para evitar que la humedad en
el transporte degrade al mortero, para de esta manera evitar pérdidas por
producto NO CONFORME, cabe mencionar que el producto puede ser almacenado en un
tiempo máximo desde hasta 6 meses.
Desarrollo.
1- Descripción del caso
Como observamos en la Ilustración,
tenemos el proceso de la elaboración del mortero para pegar cerámicas, el cual
consiste en determinar los flujos de materia prima necesarios para producir
1000 sacos de mortero en presentaciones de 20 Kg, el sistema inicia con el
ingreso de arena, la misma que contiene impurezas, y con una granulometría
inadecuada, por la que pasa por operaciones de separación hasta obtener una
arena limpia, luego debe pasar por el proceso de secado, debido a que ingresa
con una humedad del 30%, al mismo tiempo ingresa a operación la piedra caliza, que
debe ser transformada a cal hidratada (Ca(OH)2) y carbonacal (CaO3),
dicho proceso consiste en triturar y
calcinar la piedra a 1100 °C para obtener cal viva (CaO), luego triturarla y
adicionarle agua hasta que se produzca el hidróxido de calcio, con el dióxido
de carbono que se produjo en la calcinación y parte del hidróxido de calcio se
obtiene el carbonacal.
Los otros ingredientes tales como: el cemento,
y los aditivos 1,2 y 3 se obtienen por medio de proveedores seleccionados.
Estos 7 flujos de materia son almacenados en
silos y mediante un proceso de dosificación, se adiciona cada material
considerando los componentes del producto final, e ingresan a una mezcladora
con el fin de obtener un producto homogéneo y de buena calidad.
Por último ocurre el proceso de empacado,
donde dicha mezcla se empaca en funda de papel Kraft en presentaciones de 20 Kg.
2- Presentación del esquema y datos relevantes.
3- Cálculos.
Para el
cálculo de cada flujo en el sistema se realizará en base al producto final,
haciendo un balance de masa de las ultimas operaciones hasta determinar los
flujos de entrada.
Tal y como
observamos en la operación 5, tenemos una reacción química, la cual en análisis de laboratorio se obtiene una composición en
peso en la salida como se muestra a continuación.
Para los
respectivos cálculos debemos transformarlo en fracción molar de igual forma los
flujos de salida convertirlos en moles.
Como ya conocemos
el flujo 11, podemos calcular el flujo 12 con la siguiente relación:
Lo cual significa
el flujo de salida de la reacción 3, donde se procede a calcular los moles de
cada componente y del producto en general.
En la operación 4, tenemos otra reacción química, la cual en análisis de laboratorio se obtiene una composición en peso en la salida como se muestra a continuación.
Para los
respectivos cálculos debemos transformar en fracción molar de igual forma los
flujos de salida convertirlos en moles.
Como ya conocemos
los flujos 8 y 9 que equivalen al 82% de la reacción , podemos calcular el
flujo 10 con la siguiente relación:
Lo cual significa
el flujo de salida de la reacción 2, donde se procede a calcular los moles de
cada componente y del producto en general.
En la operación 2, tenemos otra reacción química, la cual en análisis de laboratorio se obtiene una composición en peso en la salida como se muestra a continuación.
Lo cual significa el flujo de salida de la reacción 1, donde se procede a calcular los moles de cada componente y del producto en general.
Conclusión.
Ya terminado los
cálculos en cada operación del proceso de mortero para pegar cerámicas, al
final obtuvimos la masa que actúa en cada flujo de operación, lo mas importante,
se determinó que cantidad de materia
prima se requiere para producir cada saco de mortero en presentación de 20
Kilogramos, siendo una cantidad de 14,8181 Kg de arena; 5 Kg de cemento; 3,3645
Kg de carbonacal; 1,8726 Kg de cal hidratada; 0,008 Kg de aditivo 1; 0,006 Kg
de aditivo 2 y 0,008 Kg de aditivo 3.
Como otro
punto, se logró determinar los flujos en moles de cada ingreso y salida en las
operaciones que se producían reacciones químicas, para luego transformarlos a masa
y seguir calculando las demás operaciones.
Finalmente con
la programación de Excel, se calculó los flujos de entrada para 1000 fundas de
mortero los cuales son los siguientes: 14818,1443 Kg de arena; 5000 Kg de cemento;
3364,5292 Kg de carbonacal; 1872,6108 Kg de cal hidratada; 8 Kg de aditivo 1, 6
Kg de aditivo 2 y 8 Kg de aditivo 3. De igual forma en dicha programación se
puede calcular la materia prima para cualquier cantidad de sacos de mortero de
20 Kg que se requieran.
Recomendaciones.
Para los cálculos
de los balances existieron algunas confusiones con respecto a las variables, por
lo tanto se recomienda enlistar las variables y determinar en que flujo del proceso
interactúan debido a que ciertos componentes no interactúan en todos los flujos,
y ello lleva a equivocaciones que probablemente resulte en malos cálculos y por
lo tanto un balance de materia incorrecto.
Bibliografía.
A cierta
ciencia. (10 de 11 de 2020). Sistemas Abiertos, Cerrados y Aislados. Obtenido
de https://www.youtube.com/watch?v=QnuVjO4-wis
Aguilar, E.
(2014). Modelo de una planeacion estrategica aplicada en la produccion de
pegantes y morteros en hormicreto cia. ltda. Cuenca: Universidad del Azuay.
Belli, C.
(2020). Cemento puzolánico. Obtenido de
https://www.ecosur.org/index.php/es/ecomateriales/cemento-puzolanico/716-cemento-puzolanico
Fombuena, V.,
Cardona, S., & Dominguez, I. (2011). Resolucion de un Balance de Energia
aplicado a un horno quemador de cal. Valencia: Universidad Politecnica de
Valencia.
Patiño, A.
(2000). Introduccion a la Ingenieria Quimica (Balance de Masa y Energia). Santa
Fe: Universidad Iberoamericana.
Quimica.es.
(2019). Arena. Obtenido de https://www.quimica.es/enciclopedia/Arena.html
Riasco, M.
(2014). Mortero Seco en Industrias Rocacen. Guayaquil: Universidad de
Guayaquil.
Rodríguez, J.
(2020). BALANCE DE MASAS. APLICACIÓN A LÍQUIDOS. Obtenido de
https://www.cgisa.es/balance-de-masas-aplicacion-a-liquidos/
Zelaya, A. (01 de octubre de 2020). La Cal. Obtenido de https://es.scribd.com/document/478213837/La-cal
Anexos.
Comentarios
Publicar un comentario