Diseno Mezcladora Vertical De Fertilizantes 4v4m53

Objetivos El objetivo del proyecto es el diseño conceptual completo de un equipo mecánico que tenga como función el mezclado de fertilizantes, cuyos parámetros de diseño son decididos en base a factores de influencia requeridos, así como la elección de tres fertilizantes; de manera que se tenga en cuenta que los diseños de los elementos de la maquina son en base al conocimiento aprendido hasta el nivel del curso de diseño mecánico.

Definición de requerimiento El diseño de una máquina de mezcladora de fertilizantes que sea factible considerando su uso en el sector agrícola del país, esperando que cumpla con requerimientos fundamentales tales como un fácil manejo, costo bajo, ensamble sencillo, tiempo de vida largo, resistente a las condiciones a las que este expuesto, teniendo finalmente en cuenta que el impacto ambiental sea nulo o mínimo.

Marco Teórico Fertilizantes Se denomina fertilizante a todo aquel compuesto que contribuye a la nutrición de las plantas al ser agregado al suelo, que es la forma de aplicación más común, o aplicado directamente sobre la planta. A de más de aire, agua y luz, las planas necesitan nutrientes y minerales para desarrollarse y crecer, algunas con mayor cantidad, y otras con menor. A los elementos principales de los fertilizantes como el nitrógeno, fosforo, potasio y azufre, se los conoce como macronutrientes, mientras que los elementos secundarios, como el hierro, cobre, molibdeno o zinc, se los conoce como micronutrientes. Cuando los suelos no contienen las cantidades adecuadas de minerales y nutrientes, o bien cuando su biodisponibilidad para ser tomados de manera eficiente por las raíces de los plantes es baja, disminuye el crecimiento, y por ende, el rendimiento de los cultivos. En muchas ocasiones, la deficiencia de minerales y nutrientes no se ve reflejado solo sobre el crecimiento de la planta, pero también sobre la calidad del producto cosechado de este, por eso, es recomendable recurrir a la fertilización.

Clasificación de los fertilizantes Existen varios criterios con los que se pueden clasificar los fertilizantes: 



Criterio tradicional: este criterio toma en consideración el macronutriente principal que se desea aportar, por ejemplo: o Fertilizantes nitrogenados: urea, amoniaco, nitrato de amonio. o Fertilizantes fosforados: superfosfato simple, superfosfato triple. o Fertilizantes azufrados: sulfato de calcio. o Fertilizantes potásicos: cloruro de potasio. o Fertilizantes combinados (poseen más de un macronutriente): nitrofosfatos, NPK. Según el lugar donde se apicara el fertilizante: o Fertilizantes edáficos: se incorporan al suelo de diferentes formas (al voleo, en bandas o hileras, en cobertera, entre líneas), luego las raíces de las plantas los absorben.





o Fertilizantes foliares: se aplican sobre las hojas de los cultivos con la maquinaria agrícola adecuada para lograr una correcta distribución. No todas las plantas presentan una cubierta epidérmica adecuada para recibir de manera eficiente fertilización foliar. Según la presentación del fertilizante: o Líquidos o Solidos o Granulados Según las sustancias que lo conforman: o Fertilizantes artificiales: se obtienen mediante procesos industriales, elevando su costo. o Fertilizantes naturales: se obtienen directamente de la naturaleza, como es el caso de la cal dolomítica o de la roca fosforada. Dentro de los fertilizantes naturales suele incluir un subgrupo importante, que es el de los fertilizantes orgánicos o abonos. o Fertilizantes biológicos: corresponden a una nueva generación de productos para el agro, considerados más amigables con el medio ambiente. Se basan en la acción de microorganismos benéficos para las plantas que contribuyen a su nutrición de manera indirecta, al solubilizar fósforo o fijar nitrógeno atmosférico.

Fertilizantes más comunes Urea Fosfato La urea es el fertilizante de nitrógeno sólido más comúnmente usado y generalmente se lo aplica como gránulos, aunque a veces se mezcla con nitrato de amonio y se disuelve en agua para formar una solución de nitrato de amonio con urea. Cuando se la aplica en el suelo, la urea reacciona con el agua para formar amonio, que hace que el nitrógeno que contiene el fertilizante quede al alcance de las plantas. Los fertilizantes con urea ofrecen una de las más altas cantidades de nitrógeno al 46 por ciento, sin fósforo ni potasio. El precio de la urea fosfato se encuentra entre los $425.00 y $475.00 según sea su concentración en la composición.

Nitrato de amonio Un fertilizante sólido generalmente aplicado en forma granulada es el nitrato de amonio, que ofrece cantidades sustanciales de nitrógeno al suelo. El Instituto de Fertilizantes indica que el nitrato de amonio es particularmente efectivo para la fertilización de cultivos especiales como cítricos y pasturas. El nitrato de amonio generalmente ofrece 33 por ciento de nitrógeno. Este fertilizante se encuentra entre $105.00 y $130.00 por tonelada. Nombre Químico Formula Química Composición Densidad a 20℃ (kg/m3) pH solución acuosa al 10% Solubilidad en agua a 20℃ Impacto Ambiental Impacto a la salud

NITRATO DE AMONIO 𝑁𝐻4 𝑂3 Nominal 33% (Nitrógeno), Nominal 3% (Fosforo) 1700 4 1870 g/L Soluble en agua, es biodegradable, toxico para animales Causa irritaciones en ojos, piel, aparato digestivo y tracto respiratorio

Sulfato de amonio Un subproducto derivado de los desperdicios generados de los hornos de carbón, es el sulfato de amonio que se forma cuando el ácido sulfúrico se usa para eliminar el amonio del carbón usado para hacer coque. El sulfato de amonio es un material sólido que contiene 21 por ciento de nitrógeno. Este fertilizante se encuentra con un precio en el mercado alrededor de $325.00 por tonelada.

Nitrato de calcio Este fertilizante contiene 16 por ciento de nitrógeno en forma de nitrato. Es menos efectivo que el resto de los fertilizantes de nitrógeno debido a que se hace más liviano cuando se aplica a la tierra, el nitrato de calcio a menudo se usa en cultivos de frutas y vegetales para ofrecer una fuente fácilmente disponible de nitrógeno y también ofrece calcio soluble para suelos que tienen deficiencia de este elemento. El precio al consumidor del nitrato de calcio se encuentra por $250.00 por tonelada métrica.

Se puede encontrar en el mercado otros tipos de fertilizantes como: 

Fosfato diamónico Donde los suelos no tienen suficiente fósforo, el fosfato diamónico puede ofrecer cantidades suficientes de este químico, alrededor de 46 por ciento. El componente de amonio en el fosfato diamónico también contiene alrededor del 18 por ciento de nitrógeno. Es altamente soluble en el agua y a menudo se aplica en forma líquida.



Fosfato monoamónico Otro fertilizante fosforado, el fosfato monoamónico contiene incluso más fósforo que el fosfato diamónico, al 48 por ciento. La cantidad de nitrógeno en que el fertilizante ofrece algo menos que el 11 por ciento. El menor nivel de componente de amonio de este químico reduce el riesgo de daños cuando se lo aplica a una siembra nueva.



Superfosfato triple El superfosfato triple se consigue en forma granulada y se aplica directamente al suelo. Generalmente es reemplazado por el fosfato diamónico y monoamónico debido a su mejor almacenamiento y a la disponibilidad de nitrógeno entre los químicos. El superfosfato triple igualmente aún se usa para cuestiones comerciales y hogareñas. A menudo se lo combina con fertilizantes basados en nitrógeno para ofrecer una aplicación mejor de amplio espectro.



Nitrato de potasio Según la Extensión de la Universidad del Estado de Michigan el nitrato de potasio frecuentemente se usa para el cultivo de vegetales incluyendo apio, patatas, vegetales de hojas verdes, tomates y varios cultivos de frutas. El componente de nitrato de este fertilizante funciona muy bien con estos cultivos y ofrece un 44 por ciento de potasio.



Cloruro de potasio El cloruro de potasio a veces es llamado muriato de potasio y es una fuente significativa de elementos potásicos como fertilizante. Se aplica directamente sobre el suelo o también se lo puede combinar en múltiples terminaciones de fertilizantes mezclados. El cloruro de potasio es altamente soluble y se lo puede aplicar en fertilizantes líquidos. El químico generalmente ofrece entre un 60 y un 62 por ciento de potasio.

Aspecto Ambiental El amoniaco constituye la base para la producción de los fertilizantes nitrogenados, y la mayoría de las fábricas contienen instalaciones que lo proporcionan, sin considerar la naturaleza del producto final. Asimismo, muchas plantas también producen ácido nítrico en el sitio. La materia prima preferida para producir amoníaco es el gas natural; sin embargo, se utiliza carbón, nafta y aceite combustible también. Los fertilizantes nitrogenados más comunes son: amoníaco anhidro, urea (producida con amoníaco y dióxido de carbono), nitrato de amonio (producido con amoníaco y ácido nítrico), sulfato de amonio (fabricado en base a amoníaco y ácido sulfúrico) y nitrato de calcio y amonio, o nitrato de amonio y caliza el resultado de agregar caliza al nitrato de amonio). Los fertilizantes de fosfato incluyen los siguientes: piedra de fosfato molida, escoria básica (un subproducto de la fabricación de hierro y acero), superfosfato (que se produce al tratar la piedra de fosfato molida con ácido sulfúrico), triple superfosfato (producido al tratar la piedra de fosfato con ácido fosfórico), y fosfato mono y diamónico (MAPA y DAP). Las materias primas básicas son: piedra de fosfato, ácido sulfúrico (que se produce, usualmente, en el sitio con azufre elemental), y agua. Todos los fertilizantes de potasio se fabrican en base a salmueras o depósitos subterráneos de potasa. Las formulaciones principales son cloruro de potasio, sulfato de potasio y nitrato de potasio. Se pueden producir fertilizantes mixtos, mezclándolos en seco, granulado varios fertilizantes intermedios mezclados en solución, o tratando la piedra de fosfato con ácido nítrico (nitrofosfatos).

Los impactos socioeconómicos positivos de esta industria son obvios: los fertilizantes son críticos para lograr el nivel de producción agrícola necesario para alimentar la población mundial, rápidamente creciente. Además, hay impactos positivos indirectos para el medio ambiente natural que provienen del uso adecuado de estas sustancias; por ejemplo, los fertilizantes químicos permiten intensificar la agricultura en los terrenos existentes, reduciendo la necesidad de expandir hacia otras tierras que puedan tener usos naturales o sociales distintos. Sin embargo, los impactos ambientales negativos de la producción de fertilizantes pueden ser severos. Las aguas servidas constituyen un problema fundamental. Pueden ser muy ácidas o alcalinas y, dependiendo del tipo de planta, pueden contener algunas sustancias tóxicas para los organismos acuáticos, si las concentraciones son altas: amoniaco o los compuestos de amonio, urea de las plantas de nitrógeno, cio, arsénico, y fluoro de las operaciones de fosfato, si está presente como impureza en la piedra de fosfato. Además, es común encontrar en los efluentes, sólidos totales suspendidos, nitrato y nitrógeno orgánico, fósforo, potasio, y (como resultado), mucha demanda de oxígeno bioquímico (DOB5); y, con la excepción de la demanda de oxígeno bioquímico, estos contaminantes ocurren también en las aguas lluvias que escurren de las áreas de almacenamiento de los materiales y desechos. Es posible diseñar plantas de fosfato de tal manera que no se produzcan descargas de aguas servidas, excepto en el caso del rebosamiento de una piscina de evaporación durante las temporadas de excesiva lluvia, pero esto no siempre es práctico. Los productos de fertilizantes terminados también son posibles contaminantes del agua; su uso excesivo e inadecuado puede contribuir a la eutrofización de las aguas superficiales o contaminación con nitrógeno del agua freática. Además, la explotación de fosfato puede causar efectos negativos. Estos deben ser tomados en cuenta, cuando se predicen los impactos potenciales de proyectos que incluyan las operaciones de extracción nueva o expandida, sea que la planta está situada cerca de la mina o no (ver la sección: "Extracción y Procesamiento de Minerales"). Los contaminantes atmosféricos contienen partículas provenientes de las calderas, trituradoras de piedra de fosfato, fluoruro (el contaminante atmosférico principal que se originan en las plantas de fosfato), neblina ácida, amoníaco, y óxidos de azufre y nitrógeno. Los desechos sólidos se producen principalmente en las plantas de fosfato, y consisten usualmente en ceniza (si se emplea carbón para producir vapor para el proceso), y yeso (que puede ser considerado peligroso debido a su contenido de cio, uranio, gas de radón y otros elementos tóxicos de la piedra de fosfato). La fabricación y manejo de ácido sulfúrico y nítrico representa un riesgo de trabajo y peligro para la salud, muy grande. Los accidentes que producen fugas de amoníaco pueden poner en peligro no solamente a los trabajadores de la planta, sino también a la gente que vive o trabaja en los lugares aledaños. Otros posibles accidentes son las explosiones, y las lesiones de ojos, nariz, garganta y pulmones.

Tipos de mezcladoras de fertilizantes Estos equipos cumplen la función de homogeneizar la mezcla de materiales vertidos en su interior provenientes generalmente de tolvas pesadoras (utilizadas para controlar el dosaje de materiales), y luego de un tiempo de procesado entregar el compuesto ya homogeneizado para ser transportado al lugar de almacenamiento para su posterior comercialización. Mezcladora horizontal El Mezclador horizontal tipo trompo está construido de AISI 304 (chapa antidesgaste) espesor 3 mm. en la parte media y superior del tambor y de SAE 1010 espesor 3/8” la parte inferior del tambor. El mismo se encuentra apoyado a través de ruedas en la parte delantera y del eje con su respectivo soporte de rodamientos en la parte trasera sobre un bastidor construido en su totalidad de perfil normalizado al igual que los soportes de las ruedas, rodamientos y la pista.

En el interior del tambor se encuentra la espira la cual efectúa el mezclado del material y por reversión del sentido de giro vaciado del mismo. El mandaccionar por o está compuesto por un motor y reductor con transmisión a polea, traspasando su medio de un sistema de transmisión a cadena hacia el tambor (ver características en hoja de datos técnicos) Mezcladora Vertical El mezclador vertical es usado principalmente para mezclar materiales a granel o materiales granulares, como alimentos, fertilizantes, polvos en masilla, polvos químicos, y más. Es ampliamente usado en la metalurgia, industria de manufactura de fertilizantes, industria de construcción y otros campos. Hay muchos tipos de mezcladores verticales, incluyendo mezcladores de tipo de tornillo de cono sencillo, mezclador de tipo de tornillo de cono doble, mezcladores directos y más. Las mezcladoras verticales se fabrican en varias capacidades y pueden trabajar con motor eléctrico, o motor de gasolina o a la toma de fuerza del tractor. Las características de cada modelo las puede ver en el folleto correspondiente. Mezcladora de Doble Cono Las mezcladoras romboidales o de doble cono (double-coneblenders) son del tipo móvil-caída libre y trabajan por difusión (diffusion, minimixing), esto es mediante la transferencia de partículas aisladas de un componente a regiones ocupadas por otro y son utilizados para la producción industrial. Son ideales para mezclas de sólidos en polvo o granulados y se caracterizan por su rapidez en la carga y descarga de los productos a mezclar, facilidad de limpieza y mínimo mantenimiento. El sistema de transmisión puede ser por medio de motor con poleas y “catarinas” o bien por medio de motorreductor con “catarinas” o “coples”. Mezcladoras cilíndricas Las mezcladoras cilíndricas (barrel blenders) son del tipo móvil-giratorio y trabajan por difusión (diffusion, minimixing), esto es mediante la transferencia de partículas aisladas de un componente a regiones ocupadas por otro. Son ideales para mezclas de pequeña o mediana escala. Pueden ser fabricadas en forma simple o complejas, incorporando algún dispositivo agitador (shaker, agitator), como un eje de palas o aspas (blade shaft) para agilizar el proceso. Entre las ventajas de estos mezcladores se encuentran la facilidad para la carga y descarga de los componentes, su cómoda limpieza y el mantenimiento mínimo que requieren. El sistema de transmisión puede ser por medio de motor con poleas y "catarinas" o bien por medio de motor reductor con "catarinas" o "coples". Mezcladoras Ribbon Blender (Dobles cintas helicoidales) Es la máquina ideal para el mezclado de productos en polvo o granulados; su principal ventaja es la rapidez de maniobra ya que a medida que se van incorporando los polvos, las cintas helicoidales se ponen en movimiento con lo que se logra una homogeneización parcial que redunda en una perfecta mezcla final. En cinco o diez minutos se obtiene la mezcla de polvos tales como talcos y harinas, mientras que en casos desfavorables como azúcar con cacao y otros productos, ésta puede tardar aproximadamente veinte minutos. Cabe mencionar que esta mezcladora no solamente ite productos completamente secos, pues dan excelentes resultados en casos de mezclas hasta con un 20% de humedad e inclusive con un 5% de grasas. El sistema de transmisión puede ser por medio de motor con poleas y “catarinas” o bien por medio de motor reductor con “catarinas” o “coples”.

Mezcladoras en "V" (pantalón) Esta mezcladora destaca por su rapidez, facilidad de limpieza, amplia utilidad y gran precisión para mezclas de sólidos en polvo o granulados con una dispersión de 1 a 10,000 partes y con posibilidad de adición de líquidos hasta un máximo del 10%. Las mezcladoras de pantalón (V-shaped blender, twin-shellblenders) son del tipo móvil-caída libre y trabajan por difusión (diffusion, minimixing), esto es mediante la transferencia de partículas aisladas de un componente a regiones ocupadas por otro y son utilizados en la producción de pequeña o mediana escala. La carga del producto puede ser en “diagonal” (comúnmente utilizada) o bien en forma horizontal para productos que vienen con grumos; en este caso, se adaptan rejillas en ambas entradas permitiendo el cernido del producto sin que se caiga al piso. El sistema de transmisión puede ser por medio de motor con poleas y “catarinas” o bien por medio de motorreductor con “catarinas” o “coples”.

Mezcladoras de paletas Es la máquina ideal para el mezclado de productos pastosos y grumosos; la acción de las paletas consiste en el “golpeteo” del producto hasta desintegrar los grumos, logrando una mezcla uniforme. Esta mezcladora puede trabajar por “batch” o carga (dependiendo del producto la mezcla puede tardar de 5 a 20 minutos) o bien en forma continua adaptándole una tolva de carga en el extremo superior izquierdo y una tolva de descarga en el extremo inferior derecho y en donde el producto es “arrastrado” por las paletas de un extremo al otro. (Las paletas se inclinan de tal forma que se logra el arrastre del producto de izquierda a derecha).

Determinación y selección de la mejor alternativa de solución Luego de la investigación de varios tipos de mezcladoras para fertilizantes y de varios tipos de fertilizantes, se escogieron varias opciones, los cuales fueron que mejores propiedades iban acorde a los requerimientos, siendo cuatro opciones de fertilizantes y cinco opciones de tipos de mezcladora, de los cuales mediante la realización de matrices de decisión se escogen en base a los criterios (factores de influencias) escogidos tres fertilizantes y el tipo de mezclador de fertilizante. Para la forma de calificación en la matriz de decisión se escoge de la siguiente manera: Puntaje 1 2 3

Fertilizantes Alternativas    

Alternativa A: Urea fosfato Alternativa B: Nitrato de Amonio Alternativa C: Sulfato de Amonio Alternativa D: Nitrato de Calcio

Calificación Bajo Medio Alto

Factores de Ponderación Influencia % Nitrógeno Densidad Impacto Ambiental Impacto a la Salud Costo PH Aplicación Solubilidad Total Rango

Alternativas A Puntos

Peso

B Puntos

Peso

C Puntos

D Puntos

Peso

Peso

10

5

50

3

30

3

30

1

10

10

3

30

1

10

1

10

3

30

20

1

20

3

60

3

60

3

60

10

3

30

1

10

3

30

3

30

15 5 15 15 100

3 1 5 3

45 5 75 45

3 3 3 5

45 15 45 65

3 3 3 3

45 15 45 45

3 5 1 3

45 25 15 45

300 1

280 2

280 3

260 4

Mezcladora     

Alternativa A: Mezcladora Vertical Alternativa B: Mezcladora Horizontal Alternativa C: Mezcladora de Paletas Alternativa D: Mezcladora Ribbon Blender Alternativa E: Mezcladora en “V”

Alternativas Factores de Influencia

Ponderación

A

B

C

E

D

Puntos

Peso

Puntos

Peso

Puntos

Peso

Puntos

Peso

Puntaje Peso

Bajo Costo

20

4

80

3

60

2

40

4

80

4

80

Capacidad

20

5

100

4

80

2

40

3

60

4

80

Desempeño

15

4

60

4

60

4

60

4

60

4

60

Tiempo de Producción

15

4

60

3

45

3

45

2

30

3

45

Mantenimiento

10

4

40

4

40

4

40

3

30

4

40

Seguridad

10

4

40

4

40

4

40

4

40

4

40

Material

10

3

30

4

40

3

30

3

30

3

30

Total

100 Rango

410

365

295

330

375

1

3

5

4

2