FORMULACIN DEL PROYECTOSituacin iniciala pesar del creciente inters en el mercado del carbn activado, slo una empresa nacional, de nivel artesanal, se dedica a la fabricacin de carbn activado. Las proyecciones de consumo aparente, de carbn activado, para el mercado nacional, son interesantes, aunque depende mucho de la estabilidad econmica y del desarrollo del pas. Las proyecciones de instalacin de una planta de carbn activado requieren de mayor precisin en el estimado proyectado, al menos hasta el 2010. Asi por ejemplo, una empresa importadora de carbn activado, Qumica Suiza S.A., ha previsto sus importaciones en funcin de la actividad minera, la que, en el Per, estara consumiendo en los ltimos aos alrededor de 100 t/ao de carbn activado en polvo aproximadamente a. De las proyecciones obtenidas en el presente trabajo, por lo menos se consumiran ms de 1000 t/ao de carbn activado a nivel nacional, para los prximos aos, de las cuales casi la totalidad sera importada. La diferencia se cubrira por una industria nacional que no cuenta con registros exactos de produccin; esta planta con una capacidad productiva de 240 t/ao (ver anexo) probablemente no produzca ni el 10 % de su capacidad. Esta empresa, que emplea el mtodo de activacin qumica, abastece slo a pequeos consumidores de carbn activado a nivel nacional. Situacin FinalEl objetivo del proyecto propuesto es la implementacin de una planta de produccin de carbn activado a niveles industriales, para poder cubrir la creciente demanda del producto por parte del sector minero.Cmo se alcanzarn los resultados del proyecto (conjunto de actividades a ejecutar)

Resultado esperadoSe espera que, a travs del proyecto, se incremente la produccin nacional del producto, y se pueda abastecer al mercado interno, el cual depende actualmente, casi en su totalidad, de la importacin del producto.Poblacin objetivoLa poblacin objetivo del producto a elaborar es la industria minera, especialmente el sector metalrgico de oro, el cual requiere de grandes cantidades de carbn activado para poder realizar la recuperacin del metal.

UbicacinSe requiere que el proyecto se desarrolle en una zona agrcola, con las condiciones climticas adecuadas para el sembrado de coco, cuya cscara es la principal materia prima para la elaboracin del producto. Adems, el proyecto debe desarrollarse en cercanas a las principales empresas mineras productoras de oro, en el norte del Per.Qu condiciones externas son importantes para el xito del proyecto (factores externos)

Cmo se puede verificar el xito del proyecto (objetivo)A travs del registro de importaciones del producto extranjero, y una creciente demanda del producto nacional.Institucin EjecutoraPara el proyecto propuesto se contar con la inscripcin de una empresa. Costo del ProyectoSe requiere de una inversin total aproximada de ($$)

ESTUDIO DE MERCADOCARBN ACTIVADO, USOS y CARACTERISTICAS

DEFINICION: CARBN ACTIVADO

El carbn es un slido compuesto por hidrgeno, oxgeno y principalmente el carbono; cuando este carbn se pone en medios de reaccin a alta temperatura, se liberan sustancias voltiles, convirtiendo el slido en un producto de alta porosidad, lo que permite el desarrollo de una alta superficie especfica 3. Bajo estas condiciones, el carbn tiene la capacidad de atraer en su superficie molculas de gases. Este mecanismo de atraccin se denomina adsorcin y se da entre la superficie libre de un slido y el gas 4. Es definido como un carbn muy poroso, con alta capacidad de adsorcin superficial (1000 a 1500 m/g) 5.

El carbn activado es un material poroso, preparado por carbonizacin y activacin de varias sustancias orgnicas; tpicamente se utiliza carbn mineral, residuos de madera, etc. Debido a una estructura porosa altamente desarrollada, los materiales carbonosos pueden ser amorfos o cristalinos dependiendo del ordenamiento estructural del carbono. El carbn activado es un material capaz de adsorber, y durante su elaboracin el carbn, poroso, presenta una vasta red de pasajes interconectados, entre capilares, proporcionando una rea superficial muy grande para la adsorcin 8; una vista de la porosidad del carbn activado es mostrado en la figura 03. En la misma figura, parte A, se observa que el rea libre mostrada del carbn es la superficie slida expuesta que tiene capacidad de adsorber molculas; esta capacidad de adsorcin aumenta cuanto mayor es la superficie libre o especfica del carbn. El carbn activado presenta una estructura reticular similar a la del grafito, lo que le da el carcter altamente poroso al carbn, parte B de la figura 03 9. Son justamente los tomos de carbn en la superficie las que atrae (adsorben) las molculas de sustancias en un medio causantes de color, olor o sabores no deseados. Otro definicin menciona que el carbn activado presenta una estructura irregular y amorfa, cuyos poros corresponden a aberturas o fisuras visibles hasta de tamao molecular. El carbn activado se prepara por distintos mtodos, los cuales le imparten un aumento de porosidad y en consecuencia mayor poder de adsorcin por su gran superficie de contacto y de la interaccin entre adsorbente y adsorbato

FIGURA 03: (A)Porosidad mostrada en Superficie de Carbn Activado(B) Estructura reticular del carbn con anillos tipo benceno (Clariant) bb Fuente: http://www.carbonactivado.com/misterio_car_activ.htm

Usos del Carbn ActivadoEn la prctica, ningn tipo de carbn tiene capacidad para diferentes usos: dos carbonesactivados pueden contener el mismo porcentaje de carbn activo, uno puede ser valioso como adsorbentes de gases, mientras que el otro es adecuado como un medio decolorante de azcar, pero ambos llegan a ser casi intiles cuando se intenta intercambiar sus aplicaciones. Aunque, para facilitar la comercializacin, se suele agrupar por criterios similares de uso; se toma como referencia si el carbn es granular o en polvo, de activacin fsica o activacin qumica, de fase lquida o de fase gaseosa. As por ejemplo, el carbn de fase lquida, en polvo, con superficie especfica hasta 1000m/g, obtenido a partir de huesos, madera, turba, lignito, residuos de papel, se le utiliza para decoloracin y refinacin de azcar, purificacin de agua, clarificador de disolventes, recuperacin de caucho, etc.

Los carbones de adsorcin en fase lquida son polvos ligeros y sedosos que se utilizan principalmente en la decoloracin de lquidos; la refinacin de azcar y el tratamiento de agua constituye ahora ms de la mitad de usos del carbn activo en procesos de fase lquida 103. En cambio, el carbn de fase gaseosa con superficie especfica entre 1000 a 2000 m/g , carbn granular y denso, obtenido a partir de cscara de coco, turba, carbn mineral y residuos de petrleo, se aplican para recuperacin de disolventes voltiles, purificaciny separacin de gases, aplicaciones catalticas en industria qumica. Dentro de los principales usos de los carbones activados destacan la refinacin, la potabilizacinde aguas, tratamiento de aguas servidas, adems de retener emisiones gaseosas que deterioran la atmsfera. El carbn activado es ya calificado como un ecomaterial por el gran beneficio del que deriva su utilizacin. Las caractersticas para el uso son un requisito de comercializacin de carbones activados. Todos los fabricantes brindan esta informacin; en la seccin anexos se muestra un listado de carbones activados de la marca Clarimex, por tipo de carbn en polvo o granular, y los usos recomendados.

Tratamiento metalrgico: ampliar

Caractersticas del Carbn ActivadoEl carbn activado se caracteriza por su gran superficie especfica, interna, y su porosidad, su estructura capilar, que definen sus propiedades de adsorcin, que dependen a su vez de la forma de obtencin del carbn activado, de su estructura fsica y de alguna manera de su grado de refinacin. No obstante que, los carbones activados estn incluidos dentro del grupo de carbones de estructura amorfa, estos presentan una estructura microcristalina la que depende de las condiciones de preparacin, asemejndose a la estructura del grafito 40; ver figura. estructura del carbn activado es menos ordenada que la del grafito, debido a que los cristalitos elementales del carbn activado, de origen vegetal, tienen orientacin completamente al azar, cuyos lados paralelos no estn perfectamente orientados con respecto a un eje comn perpendicular; asimismo, el desplazamiento angular de una con respecto a la otra es totalmente al azar y las capas de carbn se superponen una con otra de manera irregular. Otro tipo de estructura presente en el carbn activado se describe como un red o estructura reticular, eslabonada formando hexgonos desordenados de carbono, lo que provoca la desviacin de los planos de las capas de carbn.

POBLACIN OBJETIVOSegmentacin: (Demogrfica)SECTOR A: INDUSTRIAMinera y petrleo

En este estudio se est enfocando el mercado a la industria minera, como principal objetivo la Compaa de Minas Buenaventura S.A.A.CMO: Cmo va a llegar el producto al consumidor final?CUNTO?La empresa minera Buenaventura S.A.A. consume diariamente 7 toneladas de carbn activado, de las cuales se reutiliza el 70%. La demanda es de aproximadamente 2 toneladas / dia.

3. Ingeniera del ProyectoEn el presente trabajo se propone el diseo de una unidad piloto con un horno rotatorio para obtener carbn activado a partir de la cscara del coco. En esta parte del proyecto se presenta la parte terica donde se incluyen los clculos para la realizacin y posterior construccin de una unidad de produccin. La unidad est compuesta de tres secciones:1. Un molino2. Un horno rotatorio3. Una cmara de enfriamientoEn el Per no se conoce una tecnologa nacional para disear una planta que permita la obtencin del carbn activado, en particular basada en hornos rotatorios. Estos hornos se encuentran a la venta en el mercado internacional, y se consiguen ensamblados y listos para su puesta en marcha.3.1 Carbn activado a partir de Cascara de CocoA partir de la cscara de coco es posible obtener diferentes tipos de carbones activados para aplicaciones diversas variando las condiciones de preparacin. Por ejemplo, activando la cscara de coco a altas temperaturas (800C) en presencia de vapor de agua se puede obtener un carbn hidroflico (afinidad con el agua) microporoso (con ultramicroporos de dimetros menores a 0.7 nm) apropiado para aplicaciones que involucran separacin de gases; pero, si se activa a menor temperatura (450C) usando un agente qumico como cido fosfrico o cloruro de zinc, se puede obtener un carbn hidroflico de poros ms anchos (con mesoporos mayores a 2 nm) apropiado para aplicaciones en fase lquida. Adems, de obtener una amplia distribucin de poros, el carbn activado obtenido de la cscara de coco resulta con mayor dureza y resistencia, comparado con el obtenido a partir de la madera. Otra ventaja que ofrecen los carbones activados obtenidos de materiales orgnicos en relacin a los obtenidos de materiales inorgnicos es que en los primeros el porcentaje de cenizas es menor.3.2 Clculo de la capacidad de produccinSe considera que una hectrea de cultivo de palmeras de coco pueden producir unos 10 mil cocos al ao. Cada coco tiene una cscara de aproximadamente 200 gramos. Por lo tanto, se tienen 2 toneladas de cscara de coco por hectrea y por ao. Para obtener una tonelada de carbn activado se necesitan aproximadamente 11 toneladas de cscara de coco. Con esta relacin, se requieren 5.5 hectreas de cultivo de palmeras de coco para producir 1 tonelada de carbn activado al ao.Los requerimientos de produccin que se estiman para la unidad que se propone son de aproximadamente 680 toneladas anuales de carbn activado. Por lo que se ha propuesto el cultivo de 3500 hectreas de terreno.

3.3 Propuesta del proceso de obtencin del carbn activado:El proceso consta de las siguientes etapas:1. Secado de la cscara de coco2. Molienda del producto seco3. Tratamiento trmico del material (carbonizacin y activacin)4. Enfriamiento y secado de los materiales tratadosEl proceso de secado se har al sol de forma manual.El proceso de molienda a realizar en un molino con capacidad necesaria para poder moler la cscara de coco seca de manera eficiente con la granulometra establecida para que pueda mantener la velocidad de alimentacin requerida por el horno rotatorio a disear, adems que pueda trabajar por pausas y que no est en operacin constante. El proceso de carbonizacin-activacin se llevar a cabo en un horno rotatorio, el cual opera de manera continua y solo podr ser suspendido al realizar labores de mantenimiento general. El proceso de activacin tiene como objetivo crear en la superficie del carbn muchos poros u orificios microscpicos que van a atraer a las molculas de diferentes sustancias. En el presente procesos se usar un tipo de activacin fsica con vapor de agua.Se seleccion la activacin fsica del carbn por medio de vapor de agua por ser el proceso ms econmico y menos corrosivo y se realiza a temperaturas inferiores a las aplicadas en la activacin qumica tradicional, lo que simplifica el proceso. Todo ello se traduce en un menor costo y un menor impacto medioambiental. La activacin fsica con vapor de agua es un proceso complicado que se lleva a cabo en el presente caso en un horno rotatorio a elevadas temperaturas (800 a 1000C). La activacin fsica ocurre segn la siguiente reaccin endotrmica.

El proceso de enfriamiento, que se llevar a cabo al final del horno, tiene como fin reducir la temperatura del tratamiento trmico a la salida del horno, con la intencin de facilitar las operaciones de manejo y embalaje del material. El esquema de la planta de elaboracin de carbn activado se presenta en la Figura 3.1. 3.4 Descripcin general del horno rotatorioLos hornos rotatorios son usados desde hace 50 aos en las industrias, de alimentos, de construccin, metalrgica, etc. Sin embargo, su uso ms comn es para la incineracin de residuos peligrosos, debido a sus altas temperaturas de trabajo (12001700 C) y tiempos de residencias (5070 min).

Figura 3.1. Esquema de funcionamiento de la planta de elaboracin de carbn activado (mejorar)Se pueden incinerar diferentes tipos de residuos como sustancias lquidas (solventes orgnicos) que son inyectadas directamente, sustancias poco fluidas (lodos y pastas fluidas) que son inyectadas con una bomba de pistn, y pastas fluidas, que se encapsulan en recipientes cerrados para su alimentacin. En la industria de la construccin, estos hornos son usados en el proceso de calcinacin de la piedra caliza. Otra aplicacin es en la industria de la fundicin, en particular para la fusin de hierro. Sus caractersticas permiten adaptar su uso a la elaboracin del carbn activado.Un horno rotatorio consiste en un cilindro que rota alrededor de un eje longitudinal que gira a muy baja velocidad y opera esencialmente como un intercambiador de calor. En el interior est cubierto con refractarios y su dimetro vara entre 3.6 y 6.0 m teniendo una longitud que va entre 50.0 y 125.0 m. El cilindro estar ligeramente inclinado (pendiente de 26%) para facilitar el desplazamiento axial del lecho slido, el cual se mueve hacia el final del tubo en la descarga, y los gases circulan en contra corriente. La alimentacin es un slido seco carbonoso molido.El diseo del horno rotatorio a usar en el presente proyecto consta de un cuerpo cilndrico, el cual utiliza ladrillo refractario en la parte interior de un cilindro de acero que sirve de estructura, con una capa exterior de aislante trmico y una lmina que sostiene dicho aislante. Para la rotacin de este cuerpo cilndrico, presenta anillos de acero que tienen la funcin de estar en contacto con los apoyos que permiten la libre rotacin, adems de un engranaje, que genera la rotacin del horno.El sistema de alimentacin consta de una tapa que tendr una rampa por la cual se alimentar el horno de la materia prima molida. All tambin estar instalado el quemador que ser el que genere el calor necesario. Para el sello de la tapa con el cuerpo cilndrico se utilizar una cejilla tipo C de forma tal que la prdida de los gases sea mnima y a la vez no interfiera con la rotacin del horno.El sistema receptor es el que recibe el material (carbn activado). Asimismo, en este sistema se genera la activacin por medio de vapor de agua. Para generar el vapor de agua se utilizar un difusor, el cual mandar al interior del horno partculas de agua por medio de presin neumtica, que al entrare n contacto con el calor interno del horno cambia de fase lquida a vapor. Con esto, se lograr llevar a cabo la activacin, controlar los gases internos del horno y disminuir la temperatura a la salida del material. El sistema receptor podr ser desplazado de manera horizontal cuando sea necesario, para dar mantenimiento al horno.La inclinacin del horno rotatorio se configurar en un 5%, esto acorde a las especificaciones del horno rotatorio que se utiliza en la industria del cemento. Para evitar que las bases tambin tengan una inclinacin, las superficies de los apoyos sern las que tengan esa inclinacin. Los gases calientes sern los obtenidos del quemado del combustible que se encuentra en una cmara de combustin central, y sern los que proporcionen la energa necesaria para la reaccin de activacin. El vapor de agua (con aire) ser inyectado como agente de activacin en modo de contracorriente. Se supone que el lecho slido se mover como un pseudo-fluido con un desplazamiento axial y sin retromezclado, y este se ir desplazando en direccin transversal conforme el cilindro vaya rotando. En la primera seccin longitudinal del horno, se realizar el precalentamiento de la carga hasta la temperatura de operacin donde se liberar la mayor parte de los compuestos voltiles producidos. En el resto de la longitud del horno, se llevar a cabo lo que resta de la reduccin del material carbonoso, obtenindose la activacin necesaria.Tabla 1. Condiciones de operacin del Horno Rotatorio Largo / m15

Dimetro / m3.5

Inclinacin5%

Temperatura mxima de operacin / C1000

Velocidad de rotacin / rpm10

Potencia del motor trifsico / HP40

Consumo de gas natural / (Kg/h)13306.8

Capacidad de produccin (ton/dia)16.5

Las variables generales requeridas para el diseo del horno rotatorio se establecieron segn Una capacidad de produccin suficiente para que sea rentable Funcionamiento con operacin continua; Costos accesibles.La Tabla 1 muestra las condiciones de operacin del horno rotatorio a adquirir.3.5 Cilindro de acero:Se usarn 4 cilindros de acero. Las caractersticas de los cilindros a usar estn dadas en la Tabla 2. Aislante trmico segn norma ASTM-C-592: Se usar lana mineral en rollo, un total de 82 rollos. Las caractersticas se dan en la Tabla 4.

Tabla 2: Caractersticas de los cilindros de aceroLongitud / m3.00

Dimetro / m2.54

Espesor / m0.0127

Volumen de cada cilindro

7.98

0.305

24

99

Coef. Conductividad trmica2400

58

Tabla 3: Caractersticas del aislante trmicoDensidad / kg m^-3112.14

Temperatura mxima / C650

Dimensiones

Espesor / m0.0762 a 0.1016

Largo / m2

Ancho /m0.61

Volumen / m37.315

Masa / kg820.32

Coef. Conductividad trmica0.041

3.6 Diseo del MolinoEl molino tiene como funcin principal reducir el volumen de la materia prima para que la alimentacin al horno rotatorio sea la optima, adems poder definir el tamao de grano que se quiera para el carbn activado. Por tanto, el molino debe tener una gran capacidad de alimentacin y un paso de material casi instantneo. Como la materia a moler se considera rgida y a su vez blanda, para el sistema de molienda la reduccin del rea ser una disminucin exponencial de la seccin, hasta llegar al de un tamao requerido; adems, debe tener una malla para que el molido a la salida sea uniforme. Se usar una mquina trituradora de alto torque.La rotacin la llevar a cabo el cilindro de acero con cuchillas, las cuales sern las encargadas de moler el material con una rotacin entre los 2500 y las 3600 rpm.

Tabla 4: Caractersticas del molinoFactor de servicio1.5

Potencia de diseo / HP22.5

Velocidad (n1) / rpm1750.00 - 1312.15

Velocidad (n2) / rpm1135.87

Tipo de banda5V

Relacin de velocidad1.33

Dimetro / pulgMin = 5.45

Dimetro estndar / pulgMax = 15.27

Potencia de diseo especfica / HP25.0

N de bandas a utilizar1

Distancia entre centros / pulgC=25

Longitud de la banda / pulg80.00

Angulo de contacto137.22

Velocidad lineal / pie min^-14091.84

Un motor suministrar la potencia requerida al molino (15 HP a 1800 rpm) por medio un sistema de bandas y poleas. Las caractersticas principales se describen en la Tabla 4.3.7 Diseo Terico de la cmara de enfriamiento.La cmara de enfriamiento tiene como funciones principales retirar el material terminado del horno rotatorio y a su vez, reducir la temperatura de salida para que el manejo y almacenado del material sea ms seguro.La cmara de enfriamiento para desplazar el material del horno rotatorio utilizar un engrane helicoidal comnmente llamado tornillo de Arqumedes. Para el enfriamiento se utilizar agua que estar circulando entre las paredes del canal por donde se desplazar en contra corriente al desplazamiento del material.La tolva de entrada de la cmara de enfriamiento tendr las dimensiones necesarias para poder recibir el material a la salida de la tapa receptora del horno rotatorio. Debido a la longitud del engranaje helicoidal, este estar dividido en dos partes y ser unido por un soporte ubicado a la mitad del canal para evitar deflexiones en el eje del sistema. Para que el movimiento rotacional del engrane helicoidal sea ptimo se utilizarn rodamientos de soporte para las cargas axiales; ya que adems de soportar el peso del eje, tiene que soportar la cargas axiales generadas al desplazar el material en la cmara de enfriamiento. Se utilizar un motor reductor para ajustar las revoluciones a las que se necesite girar el engranaje helicoidal. Para transmitir esta potencia se utilizar un sistema de cadenas. Las caractersticas principales se dan en la Tabla 5.

Tabla 4: Caractersticas principales de la cmara de enfriamientoFlujo de salida / ton min^-10.011

Densidad relativa del Carbn /g m^-30.50

Q / L s^-10.336

Dimetro de la rosca / mm668

Paso de la rosca / mm467.6

Revoluciones del engranaje / rpm60.0

Paso del engranaje / m^30.018

Potencia mnima para rotar engranaje / HP1.65

En la Figura 3.2 se muestra el esquema final de la planta de elaboracin del carbn activado y en la Tabla 5 el resumen de los costos de implementacin de la misma

Diseo final de un horno rotatorio para elaboracin de Carbn Activado. Tomado de Luna (2007)