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An. 6. Enc. Energ. Meio Rural 2006

 

Caracterización del bagazo de la caña de azúcar. Parte I: características físicas

 

 

Guillermo A. Roca AlarcónI; Caio Glauco SanchezII; Edgardo Olivares GómezIII; Luís Augusto Barbosa CortezIV

ICentro de Estúdios de Eficiência Energética-CEEFE, Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, Cuba, Professor Doutor, roca@ceefe.uo.edu.cu e grocabayamon@hotmail.com
IIFaculdade de Engenharia Mecânica-FEM, Universidade Estadual de Campinas-UNICAMP, Campinas, SP, Brasil, Professor Doutor, caio@fem.unicamp.br
IIINúcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético-NIPE, Universidade Estadual de Campinas-UNICAMP, Campinas, SP, Brasil, Pesquisador Doutor, gomez@bioware.com.br e egomez@energiabr.org.br
IVFaculdade de Engenharia Agrícola-FEAGRI e Núcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético-NIPE, Universidade Estadual de Campinas-UNICAMP, Campinas, SP, Brasil, Professor Doutor, cortez@reitoria.unicamp.br

 

 


RESUMO

Materiais finamente divididos podem ser encontrados freqüentemente sejam associados a algum tipo de processo industrial, seja em eventos da nossa vida cotidiana. Exemplos destes materiais são o açúcar, areia, detergentes, fertilizantes, cimento, calcário, resíduos de biomassa energética como é o caso do bagaço de cana-de-açúcar, palha de cana-de-açúcar, serragem, casca de arroz, além de outros tipos de conglomerados de partículas como aerossóis e as cinzas residuais oriundas de processos de combustão de combustíveis sólidos convencionais. Durante a realização de processos de manipulação e preparo de materiais deste tipo, além de cálculos de projeto e otimização de reatores e equipamentos baseados em processos multifásicos e multicomponentes, exemplo, classificação, transporte pneumático, secagem, processos de conversão termoquímica em geral, etc., resulta imprescindível o conhecimento das principais propriedades físicas dos sólidos relacionadas ao processo de interesse, valores das quais que, nem sempre, é possível encontrar na literatura especializada.
Neste trabalho é utilizado o método de Ergun para a determinação do gradiente de pressão em leitos estacionários de partículas sólidas porosas de bagaço de cana-de-açúcar, visando-se a determinação indireta de propriedades físicas do conglomerado de partículas, tais como, densidade real e aparente, porosidade, fator de forma, e superfície específica do leito das partículas que constituem o leito. É uma técnica experimental simples, porém conceitualmente rigorosa e de resultados confiáveis. Foram utilizados várias frações de bagaço de cana com diâmetro médio do conglomerado de partículas conhecido. O processamento estatístico realizado permitiu obter modelos matemáticos empíricos de correlação para as propriedades determinadas como uma função do diâmetro médio do conglomerado de partículas. Estes modelos podem ser utilizados ora para gerar informações pontuais ora para a modelagem de processos.

Palabras claves: caracterización física, propiedades; particulados; bagazo.


ABSTRACT

Fine materials or particles are often encountered in many industrial processes and in our daily life. Some examples are: salt or sugar; sand; cleaning products; fertilizer; cement; calcium hydroxide; some residues of energy biomass, for instance, sugar cane bagasse, straw of sugar cane, saw dust, straw of rice, and even, other types of particulates as aerosols, and residual ash from combustion processes of conventional solids. During the preparation and handling of these materials and also for design and optimization of some multiphase processes and equipments associated with them, as classifying, transport and pneumatic drying, and thermo chemical conversion systems, in general, iIt is indispensable knowing the principal physical and fluid dynamic characteristics or properties, which not always are available or well established.
In this paper the Ergun Method is employed, which is based on theoretical equations established for a fixed bed of porous particles when it is crossed by a gas flow. From this expression and measurements of pressure loss for a given flow of gas crossing the bed at different heights, it is possible to determine some physical characteristics, as bulk density, real density, porosity, sphericity, and specific surface of the bed particles. The technique used for obtaining experimental data is simple but rigorous and it is possible to reproduce these data. Were tested several fractions of bagasse obtained by the conventional sieving process. Finally it was statistically processed all experimental results obtaining the corresponding mathematical models for the desired properties as a function of the mean diameter of the particles. These empirical equations can be used to determine these properties in the range and conditions specified and also for modeling some processes where these fractions are employed.


 

 

1. Introducción

Considerando el azúcar como el principal producto de una fabrica de azúcar de caña se puede decir que esta industria genera otros subproductos, los cuales no son menos importantes. Algunos de ellos se originan durante la cosecha, como el cogollo y la paja y otros se obtienen en el proceso industrial, entre los cuales se encuentran principalmente el bagazo, las mieles finales y la cachaza. Entre ellos, el de mayor volumen y que tiene un uso inmediato en la propia fabrica es el bagazo, el cual puede alcanzar entre un 26 % a un 29 % del peso de la caña molida. Este bagazo esta constituido por agua, sólidos particulados y cantidades más pequeñas de sólidos solubles. Los valores más representativos son los siguientes: Humedad: 46-52 %; sólidos particulados: 40-46 %; y sólidos solubles: 6-8 % [1, 2]

Por otro lado, los sólidos particulados están formados por dos tipos de estructuras bien diferenciadas: las fibras y la medula o meollo. Las fibras están formadas por células cilíndricas y tejidos vasculares de paredes duras, las cuales se encuentran en la corteza y en la parte interior. Por su parte el meollo esta formado por células parenquimatosas de forma irregular y de paredes finas con poca fuerza estructural, que se encuentran en la zona central de la caña y son de carácter esponjoso pudiendo absorber hasta 20 veces su propio peso en agua. La parte fibrosa es muy apropiada para la obtención de pulpa para la fabricación de papel y la producción de elementos aglomerados en forma de tableros, sin embargo suele venir acompañada de una parte de la médula que es preciso separar en equipos conocidos como desmeduladores. Los sólidos particulados también están acompañados de algunas cantidades de elementos finos y otros elementos extraños o suciedades que acompañan a la caña durante la cosecha y el transporte a la industria. Las proporciones de estos componentes son: fibra: 60 - 65%; medula: 18 - 20 %; finos e suciedades: 10 - 12%.

La distribución granulométrica del bagazo integral es muy variada, desde un fino polvo hasta partículas irregulares de gran tamaño, siendo reportado por [1,2] hasta un 8 % de partículas grandes retenidas e la malla No. 1, y de 10 a 25 % de partículas pequeñas pasando por la malla No. 16. Como se puede apreciar el bagazo no constituye un material homogéneo y su peso volumétrico o densidad aparente es muy bajo, reportándose valores entre 50 kg/m3 hasta 96 kg/m3 en base seca y condiciones naturales, es decir, sin ningún grado de compactación.

En resumen, se puede afirmar que desde el punto de vista físico se distinguen dos características muy importantes en el bagazo: el alto contenido de humedad y la gran variedad de tamaños de partículas de diferente naturaleza física. Por lo tanto se requiere de una adecuada preparación y manipulación del mismo si se quiere hacer un uso adecuado y eficiente en las múltiples aplicaciones que tiene, tanto para su uso industrial como materia prima, así como también para su empleo como recurso energético en general. Una de las variantes factibles es la de conseguir un material más homogéneo y seco lo cual es posible mediante el estudio y aplicación de los procesos simultáneos de clasificación y secado neumáticos, habiéndose obtenido resultados concretos por el autor en el caso de la combustión del bagazo [ 3, 4, 5, 6, 7]

Como paso previo para el logro de ese objetivo general, se procede en este trabajo a determinar las características físicas y fuidodinámicas de las partículas del bagazo de la caña de azúcar, entre las cuales se encuentran la densidad aparente, la densidad real, la superficie especifica y el factor de forma o esfericidad de las partículas del lecho.

 

2. Fundamentación teórica

Las propiedades físicas del conglomerado de partículas que fueron objeto de este estudio son discutidas a continuación [8,9,15,16,17]:

2.1. Esfericidad o factor de forma

La esfericidad (Φs) de una partícula irregular se define como la relación entre la superficie de la esfera (SE) que tiene igual volumen que la partícula, y la superficie de la partícula (SP).

2.2. Superficie específica

Otro termino utilizado para caracterizar las partículas es la superficie especifica (Se), la cual se define como la relación entre su superficie y su volumen (V0p). También se define la superficie específica para un lecho de partículas (SL), como la relación entre la superficie de todas las partículas (Stp), y el volumen total del lecho (V0L). La relación entre la superficie específica y el factor de forma viene dada por la ecuación (1), donde de es el diámetro equivalente de la partícula.

2.3. Porosidad

Cuando las partículas están agrupadas formando un lecho de un volumen total dado (V0L), es necesario conocer el volumen de ese lecho que es ocupado realmente por todas las partículas (V0p). Esto se puede determinar por medio de la propiedad conocida como porosidad (µ), la cual se define como la relación entre el volumen de los espacios libres o vacíos (V0v) y el volumen total del lecho:

donde: ρa - densidad aparente del lecho de partículas

ρp - densidad real de las partículas

De acuerdo a los criterios anteriores, el volumen del lecho que es ocupado por todas las partículas se puede expresar como:

Teniendo en cuenta esta última expresión, la superficie específica de todo el lecho se puede expresar también como:

2.4. Densidad

En el caso de los materiales porosos como el bagazo, la determinación experimental de la densidad por el método tradicional de inmersión en agua es un poco mas complicada que en los materiales homogéneos por la penetración del liquido en el interior de la partícula; En este caso el problema consiste, esencialmente, en hallar el volumen que define el contorno de las partículas sólidas, ya que la determinación del peso del material no ofrece dificultad alguna.

Se han aplicado diferentes métodos de inmersión de las partículas en arena, llenado previo de las partículas con líquidos inmiscibles, recubrimiento de las partículas con parafina o vaselina, métodos de inmersión en gases, etc. Todos estos métodos han presentado dificultades y los valores obtenidos no se han podido reproducir.

El método que se empleara en este trabajo y que es relativamente sencillo y de fácil reproducción y evita las complejidades de los métodos anteriores se basa en las mediciones de la caída de presión provocadas por lechos empacados de las partículas sólidas a diferentes flujos de gas a través del lecho. Este método se conoce como el método de Ergun [10,11, 14]

2.4.1. Método de Ergun

En esencia el método de Ergun [9] esta basado en la siguiente hipótesis: Un lecho de partículas de un material poroso puede ser considerado desde el punto de vista fluido dinámico como si las partículas se encontraran, individualmente rodeadas de una envoltura impermeable. El peso por unidad de volumen define la densidad de las partículas, mientras que la superficie de la envoltura por unidad de volumen determina la superficie especifica. Bajo estas condiciones el espacio vacío del lecho se concibe como el espacio libre comprendido entre las partículas. Cuando se hace pasar un gas a trabes del lecho de partículas porosas, el fluido rodea las partículas y circula a través de todo el espacio vacío. Como la caída de presión que experimenta la corriente gaseosa es función tanto de la superficie circundante como del espacio libre, su medición puede ser utilizada en la determinación de estos parámetros.

Mediante consideraciones teóricas, y sobre la base del procesamiento de datos experimentales, se ha podido establecer una expresión lineal que mide la caída de presión que tiene lugar en lechos de partículas al ser atravesadas por una corriente de gas:

donde:

Δ p - caída de presión en el lecho de partículas, N/m2

L - altura del lecho, m

V - velocidad media del gas basada en la sección transversal de la columna vacía, m/s

G - velocidad másica del gas, kg/m2.s

a y b son los coeficientes do modelo representado por la ecuación (5). Sus valores son calculados a partir de las siguientes expresiones:

donde:

µf - viscosidad absoluta del fluido (gas), N.s/m2

Sv - superficie especifica de la partícula, 1/m

ε - porosidad del lecho

k1 y k2 - constantes

Sustituyendo la ecuación (2) en las ecuaciones (6) y (7) se obtienen dos ecuaciones que nos permiten obtener los valores de la densidad real de las partículas sólidas a partir de los valores de los coeficientes a y b determinados por vía experimental con la ecuación (1):

Donde C1 es una constante que depende del gas empleado y del tipo de partículas del lecho y C2 es otra constante cuyo valor depende de las partículas utilizadas. Estos valores vienen expresados por las ecuaciones 10 y 11.

Si se desea calcular la superficie específica y se conoce la densidad de las partículas se puede hacer también mediante el uso de las ecuaciones 10 y 11, las cuales transformadas quedan de la siguiente forma en función de los coeficientes a y b:

De la ecuación general de Ergun se puede obtener una expresión general para el calculo del factor de forma (esfericidad) en función del coeficiente o intercepto a. Esta expresión viene dada por la ecuación (14). De igual manera puede encontrarse otra expresión en función del coeficiente o pendiente b y obtener un mayor número de valores a partir de estas ecuaciones que permiten realizar un mejor procesamiento de los resultados.

Comparando la ecuación 14 con la ecuación 12 y teniendo en cuenta la relación dada por la ecuación 1 se determina que el coeficiente k1 = 4,2. De una manera similar y expresando el factor de forma en función del coeficiente o pendiente b, se determina que k2 = 0,29.

 

3. Material y Métodos

El trabajo experimental consiste en la determinación de la caída de presión, Δp, que se produce a través de un lecho fijo de partículas de un determinado diámetro, dp, y que ocupan un volumen que es determinado por su altura L, para diferentes valores del flujo de gas dado por el valor G. Con estos valores es posible determinar los valores de los coeficientes a y b en la ecuación 1 y que constituyen el intercepto y la pendiente de una línea recta. Luego se determinan los valores de los términos (ρa2/a)1/3 y (ρa/b)1/3 y utilizando las ecuaciones 8 y 9 se procesa la información, obteniéndose los valores de la densidad de las partículas y de los coeficientes C1 y C2. Una vez conocida la densidad de las partículas se pueden utilizar las ecuaciones 12 y/o 13 para la determinación de la superficie específica, así como la ecuación 14 para la determinación del factor de forma.

3.1. Instalación experimental (escala de laboratorio)

Las mediciones experimentales para la determinación de las propiedades físicas están basadas en el método de Ergun y serán realizadas en una instalación como la que se muestra en el esquema de la Figura 1. La instalación consta de las siguientes partes: 1- regulador de la presión de aire; 2- deshumidificador de aire; 3-medidor del flujo de aire; 4, 5, 6, 7- válvulas distribuidoras del flujo de aire; 8- columna de colocación de las muestras de partículas; 9-manómetro diferencial en U. Una foto de la instalación se muestra en la Figura 2.

 

 

3.2. Desarrollo de los experimentos

Las partículas de bagazo a la humedad de equilibrio (10,6 % en base húmeda) son tamizadas y separadas en 6 fracciones más homogéneas con diámetros medios de 0,3 mm; 0,8 mm; 1,3 mm; 1,8 mm; 2,3 mm; y 2,8 mm. Cada fracción es pesada en introducida en la columna de ensayo y empacada a diferentes densidades aparentes controladas por la altura del lecho. Para lograr esta condición se introduce el aire por la parte inferior de esta hasta que la cama se fluidice y expanda y, con la ayuda de vibraciones manuales homogeneizarla lo más posible hasta alcanzar una determinada altura del lecho. Posteriormente se cierra la entrada de aire y se disponen las válvulas de manera tal que la corriente de aire se introduzca de arriba hacia abajo para efectuar las mediciones del flujo y la caída de presión. A continuación se procede a variar la altura del lecho para la primera fracción de partículas introducidas y se repite el experimento para las diferentes alturas del lecho que se puedan lograr. Así se procede con el resto de las fracciones seleccionadas para el estudio. En la figura 3 se muestra una foto del lecho de particulas a una altura de 120 mm.

 

 

4. Resultados experimentales

4.1. Densidad real. En el caso de la densidad real de las partículas los resultados experimentales finales se muestran en la Tabla 1.1. Estos resultados son el producto de la aplicación del método descrito anteriormente y procesando toda la información tanto para el caso del intercepto a como de la pendiente b y ajustando los mismos por medio de 3 modelos diferentes en función del diámetro medio de las partículas. De todos los modelos encontrados se seleccionó como el mejor el que se muestra en la ecuación (15), el cual presenta un coeficiente de correlación de 0,97. A modo de comparación también se muestran en la Tabla 1 los valores de la densidad calculados por el modelo obtenido.

 

 

4.2. Densidad aparente y porosidad. La porosidad puede ser determinada por medio de la ecuación (2) para lo cual es necesario el conocimiento de la densidad aparente. La densidad aparente fue determinada dejando caer suavemente cantidades fijas de las diferentes fracciones en probetas graduadas y determinando su volumen. Los valores promedios de la densidad aparente se muestran en la Tabla 2. Todos los valores de la densidad aparente fueron procesados de igual manera que en el caso de la densidad real y finalmente se seleccionó el modelo dado por la ecuación (16) por tener un coeficiente de correlación de 0,995.

 

 

En el caso de la porosidad hay que señalar que sus valores tienen una tendencia a aumentar con la disminución de las partículas lo cual se explica por el hecho de que el aumento de la densidad real con la disminución del tamaño de las partículas es mucho mayor que el aumento de la densidad aparente. En la Tabla 3 se muestran los valores de la porosidad para los diámetros medios de cada fracción de bagazo estudiada.

 

 

4.3. Factor de forma (esfericidad). Los valores del factor de forma fueron calculados empleando la ecuación 14 en función del intercepto a y también con otra similar en función de la pendiente b para obtener un mayor numero de valores de esta propiedad. Todos estos resultados fueron procesados estadísticamente y se obtuvo el modelo dado por la ecuación 17 con un coeficiente de correlación lineal de 0,8053.

4.4. Superficie especifica. A partir de las ecuaciones 12 y 13 se pueden obtener 4 valores de la superficie específica para cada valor del diámetro medio de las fracciones estudiadas. Todos estos valores fueron procesados de igual forma que en los casos anteriores y se obtuvo como mejor modelo el representado por la ecuación 18 por tener un valor de r = 0,9161.

 

5. Conclusiones

1. Las principales características físicas del bagazo fueron determinadas aplicando un método recomendado en la literatura para materiales sólidos porosos el cual ofrece una mayor precisión con respecto a los métodos tradicionales.

2. La poca información disponible de las características físicas del bagazo hace que estos resultados sean una fuente de información útil para todos los trabajos de investigación en los procesos donde se utiliza el bagazo con fines energéticos o como materia prima en otras aplicaciones industriales [12,13].

3. Los modelos obtenidos son aplicables en el rango de tamaños de partículas que fueron empleados en los experimentos tomando como base el diámetro medio de los tamices utilizados para la obtención de las fracciones con las que se realizó el estudio.

Los estudios sobre la caracterización del bagazo deben continuarse a fin de buscar una mayor precisión en los resultados y determinar la influencia que tiene la medula contenida en la fibra, así como la temperatura de los gases sobre las magnitudes estudiadas.

Agradecimientos: Los autores agradecen a la Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo-FAPESP por el apoyo financiero recibido mediante bolsa de auxilio a pesquisador visitante exterior, y a los técnicos y profesores del Laboratorio de Sistemas Térmicos da Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP que directamente participaron del trabajo.

 

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