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Capítulo 2 Planta de secado de sólidos

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2.1-Introducción. El presente proyecto se desarrolla sobre una planta de secado de sólidos que

se encuentra en el departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Escuela de Ingenieros de Sevilla. Esta planta es utilizada como planta piloto o plataforma de ensayos de controladores para trabajos de investigación. Este tipo de planta está diseñada para el secado de sólidos granulados, mediante la aplicación de un quemador de gas natural que propicia la mezcla de sólidos húmedos y gases calientes. El volteo del material en un tambor rotatorio y la circulación del gas en el sentido longitudinal del tambor facilitan el secado. El material que se utiliza para este proceso es arena, principalmente por ser un material no perecedero. En este capítulo se introducirán algunos conceptos relativos a plantas de secado, y se detallará el funcionamiento y las distintas partes de la planta.

2.2 - Clasificación y fundamentos de las plantas de secado. Las plantas de secado son elementos industriales que se utilizan para el

tratamiento térmico de distintos materiales. Estas pueden clasificarse en tres tipos principales:

• Secaderos directos. La transferencia de calor para el secado se logra por

contacto directo entre los sólidos húmedos y los gases calientes. El líquido vaporizado se arrastra con el medio de secado. Por ejemplo, con los gases calientes. Los secadores directos se llaman también secadores por convección.

• Secaderos infrarrojos o de calor radiante y secaderos de calor dieléctrico.- El funcionamiento de los secaderos de calor radiante depende de la generación, la transmisión y la absorción de rayos infrarrojos. Los secaderos de calor dieléctrico operan sobre el principio de la generación de calor dentro de los sólidos, colocándolos dentro de un campo eléctrico de alta frecuencia.

• Secaderos indirectos. El calor de secado se transfiere al sólido húmedo a través de una pared de retención. El líquido vaporizado se separa independientemente del medio de calentamiento. La velocidad de secado depende del contacto que se establezca entre el material mojado y las superficies calientes. Los secaderos indirectos se llaman también secaderos por conducción o de contacto.


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Además existe una amplia gama de secaderos que combinan la tecnología

directa e indirecta. La planta de secado de la que se dispone es del tipo directo, por el contacto entre producto y gas, y se pueden diferenciar dos gamas según el funcionamiento:

• Continuos. La operación es continua, sin interrupciones, en tanto se suministre la alimentación húmeda. Es evidente que cualquier secador continuo puede funcionar en forma intermitente o por lotes, si así se desea.

• Discontinuos. Los secadores se diseñan para operar con un tamaño

específico de carga de alimentación húmeda, para ciclos de tiempo dados. En los secaderos discontinuos, las condiciones de contenido de humedad y temperatura varían continuamente en cualquier punto del equipo.

A su vez, existen varios tipos de secaderos continuos: continuos de bandejas,

de material dosificado en una capa, de transportador neumático, de lechos fluidos, rotatorios…

Según estas clasificaciones, el secadero sobre el que se desarrolla el proyecto

es directo, continuo y rotatorio.

2.2.1– Secaderos rotatorios.

Un secador rotatorio consiste en un cilindro que gira sobre cojinetes apropiados teniendo, por lo común, una leve inclinación en relación con la horizontal. La longitud del cilindro varía de 4 a más de 10 veces su diámetro, que oscila entre menos de 0.3 hasta más de 3 m. Los sólidos que se introducen por un extremo del cilindro se desplazan a lo largo de él, debido a la rotación, el efecto de la carga y la pendiente del cilindro, y se descargan por el otro extremo como producto acabado.

Los gases que circulan por el cilindro pueden reducir o aumentar la velocidad

de movimiento de los sólidos, según que la circulación del gas sea a contracorriente o siga una corriente paralela con la circulación de los sólidos. Puesto que la carga calorífica total se debe introducir o eliminar en la corriente de gas, casi siempre se necesitan grandes volúmenes de gas y altas velocidades del mismo. Por tanto es probable que el empleo de equipos rotatorios directos con sólidos que contienen partículas extremadamente finas genere pérdidas excesivas por arrastre en la corriente de gas de salida.

El secadero rotatorio de calor directo está equipado normalmente con aspas

en el interior, para levantar y dejar caer los sólidos a través de la corriente de gas a su paso por el cilindro. En el caso de materiales de flujo o movimiento libre, se utiliza un aspa radial con un reborde de 90º.


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Son apropiados para el tratamiento térmico de productos finos, cristalinos, terrosos ó plásticos y sus ventajas principales son su construcción sencilla y robusta, su capacidad de adaptación a caudales y condiciones fluctuantes, así como su fácil manejo con consumos energéticos bajos.

Sus campos de aplicación son múltiples:

• Industria química: pigmentos, abonos, sales, fosfatos, lodos metálicos etc.

• Industria minera: minerales, arcilla, tierras refractarias, carbón, caliza, yeso, escorias, arenas, etc.

• Técnica del Medio Ambiente: combustión de residuos urbanos, industriales y lodos de depuradoras.

• Industria de piensos compuestos: forrajes verdes, grano, forrajes picados, tubérculos cortados, pulpa de difusión, etc.

2.3 - Funcionamiento de la planta

La planta de secado de sólido es un sistema igual a los que se encuentran en

varios tipos de industria, con la diferencia que en este caso la materia a secar es recirculada. De esta forma, el material que sale ya seco vuelve a introducirse en el secadero para iniciar un nuevo ciclo de secado. Así no hay que volver a introducir la materia manualmente. Además del tambor donde se produce el secado, la planta está provista de una serie de elementos para almacenar el producto, humedecerlo, transportarlo, hasta completar un ciclo entero. En la siguiente figura se muestra un mímico de la planta de secado, para tener una visión general del proceso:


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La planta funciona cíclicamente de la siguiente forma: la arena virgen se encuentra almacenada en dos tolvas. Mediante un sistema de tornillos sin fin la arena es transportada hasta el humidificador. En él, la arena es mojada hasta obtener el nivel de humedad deseado por el usuario. A la salida del humidificador, existe un sensor de humedad NIR que proporciona el valor de humedad de la arena en tanto por ciento. Este valor es considerado la humedad de entrada de la planta. Tras el humidificador, la arena es transportada hasta el tambor de secado. La planta dispone de un quemador, que dependiendo de la cantidad de gas que se introduzca calentará el interior a más o menos temperatura, de forma que ante una humedad de entrada constante se puede regular la humedad de salida. En la salida del tambor de secado existe otro sensor de humedad NIR que proporciona el valor de humedad en tanto por ciento de la arena de salida. La arena resultante es recirculada de nuevo hasta las tolvas para iniciar un nuevo ciclo. Los elementos que realizan la recirculación son la válvula rotativa de salida del secadero, la cinta dosificadora de salida del secadero, el transportador vertical de alimentación de tolvas y el transportador horizontal de alimentación de tolvas. El aire caliente es extraído del trómel por medio de un ventilador aspirador de gases. Estos gases son filtrados para eliminar polvo y partículas extrañas del interior del secadero. La planta puede dividirse en dos partes: el secadero en campo y los componentes de la automatización. A continuación se describen los principales módulos de ambas.


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2.4 - El secadero en campo. 2.4.1 - Las tolvas La planta posee dos tolvas para el almacenaje del producto, con su parte inferior en forma de cono para facilitar la salida de éste. Son alimentadas de producto por el transportador horizontal y son independientes. Es decir, se puede trabajar con solo una de ellas o con las dos a la vez. Esto es posible porque poseen una compuerta superior que se puede cerrar según convenga, y que impide el paso de arena. También se puede abrir o cerrar la salida de la tolva.

Cada tolva dispone de tres galgas extensiométricos que proporcionan una medida de la cantidad de arena que contienen. Cada sensor manda una señal de 4-20mA a dos básculas de pesaje situadas en el armario remoto del PMC junto al cuadro eléctrico. Conociendo el peso y la superficie de la tolva, la báscula se configura para que las señales que le llegan de presión sean traducidas a valores de peso de la arena.


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2.4.2 - El Humidificador El humidificador es el que recibe la arena procedente de las tolvas y le proporciona una humedad deseada. El tambor tiene una ligera pendiente que permite que cuando éste rote alrededor de su eje la arena se vaya desplazando atravesando el humidificador de punta a punta. El movimiento lo provoca un motor trifásico de 2.2 kW, cuya velocidad se puede regular.

Para alimentar de agua el humidificador, existe una bomba de agua de 0.75kW. Esta bomba impulsa el agua desde la red hasta el humidificador. A


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continuación de la bomba se encuentra un caudalímetro electromagnético, que necesita alimentación y cuya señal puede visualizarse en el propio display del caudalímetro y en un sistema SCADA en l/h. Luego se encuentra un sensor de presión Bourdon que es capaz de medir entre 0 y 16 bar. Por último existe una válvula automática que regula la cantidad de agua que entra en el humidificador. Para medir la humedad de la arena, el humidificador dispone en su salida de un sensor NIR de humedad. Posee su propio panel de control y se tratará en más profundidad su funcionamiento en próximos capítulos. 2.4.3 - El Quemador El quemador se encuentra en la entrada del tambor de secado. Este dispositivo está alimentado por gas natural, el cual se quema y se consigue calentar el interior del tambor de secado. El gas se desplaza forzosamente en el sentido de salida del producto, lo que aumenta la velocidad de desplazamiento del producto. El quemador viene provisto de los siguientes sistemas de seguridad:

o Un termostato de temperatura máxima para evitar sobrecalentamientos.

o Un presostato de seguridad de mínima presión. o Un presostato de seguridad de máxima presión, para evitar

sobrepresiones en el gas de entrada.

El quemador tiene su propio cuadro eléctrico, desde el cual se puede manejar de forma manual, pudiendo realizar funciones de puesta en marcha, parada y variar la temperatura de funcionamiento.

2.4.4 -El tambor de secado Tras el humidificador, la arena entra en el tambor de secado. Igual que en el

humidificador, el tambor de secado se encuentra en pendiente y posee un movimiento rotatorio sobre su eje, producido por un motor trifásico de 3 kW. Este motor dispone de un variador de frecuencia, que posibilita regular la velocidad de giro. A mayor velocidad de giro, mayor será el caudal de arena que aparece a la


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salida del trómel. La salida del trómel está considerada la salida del sistema, y por ello se dispone de otro sensor NIR de humedad que proporcionará el tanto por ciento de humedad en la arena.

El interior del tambor está equipado con aspas para levantar y dejar caer los sólidos a través de la corriente de gas a su paso por el cilindro, para facilitar la mezcla sólido-gas. Se utiliza un aspa radial con un reborde de 90º.

2.4.5 - Filtro de gases En el tambor de secado hay gases compuestos por la humedad evaporada de

la arena y el propio gas natural que se quema. Los gases son expulsados al exterior


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por un ventilador aspirador. Éste también dispone de un variador que permite regular su velocidad de funcionamiento.

Estos gases contienen impurezas, en su mayor parte pequeñas partículas de

polvo. Deben ser eliminadas porque producen que la arena húmeda tienda a compactarse, propiciando atascos y que la arena se adhiera a las paredes del tambor. Para ello los gases de salida del secadero pasan por unos filtros que retienen estos sólidos. Que pase por un filtro o por otro depende de que se active alguna de las doce válvulas que aloja el filtro de gases. En el exterior del filtro hay un pequeño módulo que ejerce esta función. Un compresor se encarga de crear una diferencia de presión en el interior del filtro. Este módulo mide esta diferencia de presión y la indica mediante una pantalla. A partir de este dato ordenará a cada una de las válvulas su apertura o cierre mediante una señal digital a cada una de ellas. Además mediante indicadores luminosos en su frontal muestra la válvula que se encuentra abierta.

El inconveniente de utilizar arena como producto de secado es que debido a la

cantidad y velocidad del gas, se generan grandes pérdidas por arrastre en al corriente de gas de salida.

La presión de los gases de salida y por tanto el caudal de salida de los mismos

es un dato que tiene una gran influencia en la temperatura de salida de los gases del secadero. Por tanto es un dato importante a controlar y es imprescindible que este módulo esté funcionando siempre que se tenga conectado el quemador, ya que si no la temperatura en el interior del tambor de secado subiría mucho y podría deteriorar partes del sistema como el cableado.


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2.5 – Componentes de la automatización.

2.5.1 – Introducción. La planta de secado se encuentra automatizada, de forma que puede funcionar

de manera independiente. Los tres elementos principales son el PC, el autómata y el sistema de comunicaciones entre ellos.

El ordenador es la herramienta para interactuar con la planta de forma remota.

En él se puede observar el estado de las partes del secadero y algunas magnitudes relacionadas con él en tiempo real. Todo esto gracias al sistema SCADA que se encuentra instalado, con el nombre de CUBE.

El PC se conecta al autómata por medio de una red local LAN. El autómata se

encuentra en un armario en la planta baja de los laboratorios, y es un PMC serie 20. En el PC se realiza el programa que dicta el comportamiento de la planta, y mediante la red local se transmite al autómata, que es el que controlará la planta.

Junto al secadero existe un conjunto de tarjetas de entrada y salida que se

comunican con el autómata por medio de Profibus. Estas tarjetas mandan señales al cuadro eléctrico, para accionar elementos como motores, válvulas, bombas y actuadores. Y a su vez reciben información de elementos como sensores, que es enviada hacia el autómata.

2.5.2 - El autómata o PMC. El módulo principal del autómata es la CPU, que es la encargada de ejecutar

el programa realizado. Pero además dispone de una serie de módulos adicionales. Existen dos grupos de módulos: el primero, en el que se encuentra la CPU, ubicado junto a la estación del operador (PC), y el segundo, que contiene las tarjetas de adquisición de datos, que está cerca de la planta. Estos dos grupos se comunican a través de Profibus.

El primer grupo lo forman la CPU, los módulos de comunicaciones, los de

suministro de energía al sistema y el módulo de control de suministro de energía. Todos disponen de un dispositivo de autodiagnóstico watchdog.


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o Módulo CP20. Este módulo forma la CPU del PMC. Aquí es donde se guarda y se ejecuta el programa realizado desde el SCADA. Dispone de dos bancos de memoria, que deben contener la misma información. Si hubiera sólo uno habría que detener el autómata para transmitir un programa, pero al haber dos se puede ejecutar en uno mientras se transmite al otro. También dispone de un interruptor RUN/STOP, cuya parada no implica la interrupción de la comunicación, de forma que se puede seguir viendo valores de parámetros de la planta. También existe un juego de LED’s que dan información sobre el estado de los módulos, bancos y el programa.

o Módulo Net1. Este módulo se encarga de la comunicación con el PC por medio de una red local LAN.

o Módulo COMM2. Realiza la comunicación con el cuadro remoto que se encuentra junto al secadero por medio de Profibus.

o Módulos PSC20 y PS20. Se encargan de suministrar energía y controlar dicho suministro respectivamente.

El segundo grupo consta de módulos usados para convertir y aislar señales de campo, los periféricos para interfaz y comunicación, y los de suministro de energía de campo.


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o Módulo RIOP1. Este módulo sirve de transición entre la red Profibus y los cables de comunicación en paralelo de las tarjetas remotas. Las señales digitales y analógicas circulan en serie entre el módulo COMM2 y el RIOP1, en ambos sentidos, a través del cable Profibus.

o Tarjetas Remotas. Se dispone de dos tarjetas de 32 entradas digitales, una de 32 salidas digitales, una de 16 entradas analógicas y otra de 12 salidas analógicas.

o Módulo TPS 240. Este módulo es la fuente de alimentación del PMC remoto.

2.5.3 - Comunicación por Profibus DP La comunicación entre la CPU principal del PMC y el PMC remoto se realiza mediante Profibus DP. Profibus es un sistema estandarizado según la norma EN 50170 que permite conectar componentes conforme a normas de los fabricantes más diversos. El Profibus DP utiliza el método de transmisión RS485, más rápido que la red LAN y al que le afectan menos las interferencias electromagnéticas. La instalación de Profibus es más sencilla que la tradicional conexión por cables paralelos de 24 V. Además el índice de fallos es menor y en el caso que se diesen, son más fáciles de detectar. 2.5.4 - SCADA En el PC se dispone de un software llamado CUBE, que es parte integrante del sistema SCADA, que permite controlar la planta desde el PC. Para el SCADA se dedicará un capítulo completo.

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