APLICACIONES II

Marco Introductorio “Aplicaciones II”

Clayton de México, siempre conciente y atento a su enorme responsabilidad con las generaciones vigentes y futuras, nuevamente integra este compendio denominado “Aplicaciones II” más como una continuación a difrencia de una secuela, ya que el ámbito de las Aplicaciones Termodinámicas es inmenso. A lo largo de este tratado produndizaremos en las entrañas o bien en los principales aspectos trascendentales de cada aplicación o implementación termodinámica, hidrapúlica o hidrónica. Nos adentraremos en los aspectos fundamentales de cada proceso, sus implicaciones y repercusiones fisíco químicas y relativas al producto terminado, valorando en algunos casos su conveniencia y vigencia teórico práctica y las características o condiciones reales de su implementación. Procuraremos fusionar o bien integrar aplicaciones clásicas con otras un tanto menos comunes, tales como; Calentamiento de asfalto por vapor, condición que además de altamente flexible, permite el curado a pie de obra evitando acarreos y propiciando sustantivos ahorros, además de una anorme versartilidad operativa. Por otra parte nos internaremos entre otros diversos temas, de tanta relvancia como lo es la esterilización de suelos con vapor, aspecto en gran auge y de mayúscula trascendencia para la economía nacional e internacional, ya que aporta un sin número de beneficios que a través de otros esquemas serían irrealizables o bien simplemente incosteables. De una manera ágil y dinámica recorreremos diversos sectores de aplicación, procurando ejemplos estereotípicos y/o caraterísticos de cada núcleo o nicho, sin dejar a un lado la conveniencia y practicidad como eje rector de nuestros análisis. Sin más ante salas, inciemos juntos esta nueva aventura al fascinante mundo de las aplicaciones termodinámicas, didraúlicas e hidrónicas, sus variantes y condiciones, cambios y tendencias, bajo un enfoque objetivo y de conveniencia operativa y práctica. Recordemos siempre que, “La Ingeniería Aplicada es la Realización de la Teoría y la Consecuencia del Conocimiento”

Jorge Henríquez Gerente General para México y América Latina

Propósito

Este segundo tomo en el ámbito de aplicaciones, implica la continudidad práctica de nuestro enorme compromiso por compartir nuestras experiencias, detallles, características y experiencias prácticas en el apasionante mundo de la termodinámica, hhidráulica e hidrónica aplicadas. Este libro ostenta como principal objetivo el compartir nuestras vivencias teórico prácticas en diferentes sectores, o bien nichos de mercado repletos de peculiaridades y exigencias específicas, procurando la practicidad y conveninicia de cada planteamiento. Pretendemos convertir este segundo esfuerzo, en un referente para cualquier ingeniero de proyectos, instalador, especificiador electromecánico o público en general vinculado al siempre sorprendente universo termodinámico, procuraremos enfatizar modelos de vapor y agua caliente, así como otros periféricos y suministros al hemisferio hidráulido e hidrónico en complemento con nuestra columna vertebral, que sin lugar a dudas es la termodinámica aplicada, especializada en vapor.

APLICACIONES II

Industria de la Construcción Capítulo I

Calentamiento De Asfalto Con Vapor

Capítulo II

Uso De Vapor En La Producción De Cal Hidratada Y Cal Viva

Capítulo III

Curado De Concreto Con Vapor

Sector Agropecuario Capítulo IV

Esterilización De Suelos Agrícolas Con Vapor

Sector Sanitario Capítulo V

Limpieza Con Vapor

Industria de la Extracción Capítulo VI

Procedimiento De Obtención De Asfaltos

Industria del Tabaco Capítulo VII

Control De La Humedad En La Industria Del Tabaco

Industria de la Construcción

CALENTAMIENTO DE ASFALTO CON VAPOR

U

na fábrica de asfalto es una máquina diseñada para la producción masiva de mezcla asfáltica caliente (HMA). Hay dos tipos de plantas: la central y el tambor hormigonero. Ambos producen la misma mezcla esencialmente, pero mediante diferentes procesos. Una fábrica de asfalto se puede fijar en un emplazamiento que necesite un flujo constante de mezcla asfáltica caliente. Esto es necesario porque la flexibilidad del asfalto se basa en su temperatura. El transporte puede hacer que la mezcla asfáltica caliente se refresque, volviéndola inútil. Sin embargo, puede ser absolutamente costoso mantener una fábrica de asfalto en un sitio.

FÁBRICA DE ASFALTO HOTMIX INDUSTRIES HMI130SP 130 THP 2002

Entonces, si solamente una pequeña cantidad de asfalto es necesaria, es mejor transportarla de una facilidad fuera del emplazamiento y luego calentarla para devolverle su flexibilidad. Los métodos para mantener la mezcla de asfalto a la temperatura idónea para su uso, son muchos, uno de ellos es el uso de vapor para calentar ferrotanques.

Capítulo I

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1. INTRODUCCIÓN

El asfalto ha sido utilizado por el hombre desde el inicio de la historia. Los sumerios lo usaron para impermeabilizar aljibes, los egipcios como momificante y para el calafateo de barcos. En la actualidad su principal uso es como cementante en la industria de la construcción de carreteras. Se obtiene por destilación del petróleo crudo en su gran mayoría aunque también se encuentra en forma natural.

En USA se emplean entre 30 y 35 millones de toneladas de ligante asfáltico, lo que en la industria de la pavimentación se estima en 15,000 millones de dólares. En México, el asfalto producido es de excelente calidad aunque con algunas variaciones en sus características físicas. Sin embargo, es precisamente esto lo que lo hace ser buscado en el mercado internacional. Lamentablemente en nuestro país es un gran desconocido.

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El asfalto se produce en las refinerías a partir del petróleo crudo. La composición química del crudo y por consiguiente, las propiedades y características del asfalto, varían a lo largo de los años y yacimiento a yacimiento.

2. ALMACENAMIENTO Y CALENTAMIENTO DEL ASFALTO

Después de la obtención del asfalto, éste se encuentra caliente, pero debido a que es un material que tiende a enfriarse y con ello a endurecerse a una gran velocidad, es importante mantenerlo caliente durante el mayor tiempo posible para así poder realizar todo el trabajo en condiciones. Para ello se emplean vagones cisterna también conocidos como ferrotanques, especialmente diseñados para contener y transportar asfalto. Estos tanques de almacenamiento deben ser aislados térmicamente y contar con un sistema de calentamiento, para así mantener el asfalto a temperaturas elevadas (> 100°C). El ferrotanque calienta y almacena el cemento asfáltico. El sistema de calentamiento está compuesto por serpentines de calentamiento en el tanque y un sistema de suministro de vapor . Los serpentines de calentamiento, que están sumergidos en el cemento asfáltico, reciben calor del vapor mientras éste circula por los serpentines. De este modo, al calentarse el asfalto, disminuye su viscosidad y fluye con mayor facilidad, haciéndolo más manejable. Para su almacenamiento, se debe evitar la entrada de agua.

Capítulo I

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FERROTANQUE PARA ALMACENAMIENTO Y TRASPORTE DE ASFALTO CALIENTE

Debido a que se pueden acumular depósitos carbonosos en las paredes y techos del tanque, y todos estos depósitos pueden ser pirofóricos y entran en ignición espontáneamente, y además, que durante el almacenamiento prolongado a altas temperaturas, se puede acumular ácido sulfhídrico, es necesaria una ventilación adecuada (los tubos de ventilación no deben estar junto con las entradas de aire). Los tanques deben ser especialmente concebidos para contener este producto. Como puntos importantes, se debe verificar que los serpentines de calentamiento siempre estén cubiertos por producto (15 cm mínimo), y evitar corrientes de aire para minimizar el peligro de generar una condición de inflamabilidad en el área del tanque. La temperatura de almacenamiento es, como máximo, 30°C por debajo del punto de inflamación.

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Capítulo I

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ESQUEMA DE UN FERRO TANQUE PARA CALENTAMIENTO DE ASFALTO

La cantidad de vapor suministrado para el calentamiento del asfalto, así como las condiciones de temperatura y presión de éste, varían de acuerdo a la cantidad de producto a calentar, y de las propiedades físicas y químicas del mismo. A continuación se muestra una tabla de propiedades del asfalto.

Si se desea información más específica al respecto, consultar:

http://www.e-asfalto.com.ar/propiedades/propiedades.htm

Capítulo I

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3. PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS (TÍPICAS)

Sólido a temperatura ambiente.

Estado Físico:

Líquido a temperaturas normales de manipulación.

Color:

Negro.

Olor:

Característico.

Punto de ebullición inicial:

> 350°C

Punto de reblandecimiento:

De 46°C a 54°C

Densidad:

De 1000 a 110 kg/cm 3 a 25°C

Viscosidad cinemática:

> 295 mm 2 /s a 135°C

Penetración:

De 50 a 70x10 -1 mm a 25°C

> 230°C (Cleveland Open Cup Vaso Abierto)

Punto de inflamación:

Temperatura de auto-ignición:

> 300°C

Tensión de vapor:

Despreciable:

Solubilidad en agua:

Insoluble, no mezclable.

Soluble con muchos solventes orgánicos (> 99% con tolueno oxileno)

Solubilidad en otros disolventes:

Higroscopicidad:

No higroscópico.

Conductividad eléctrica:

Aislante.

Conductividad Térmica:

0.16 W/m °C (0.14 kcal/m h °C).

Coeficiente de expansión volumétrica:

0.0006/°C

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4. CONDICIONES A EVITAR

• Temperaturas superiores a 200°C. • El calentamiento excesivo a temperaturas por encima de las máximas recomendadas para manipulación y almacenamiento, pueden causar una detonación y, consecuentemente la producción de vapores inflamables.

5. MATERIALES A EVITAR

• No permitir que el asfalto en estado líquido entre en contacto con el agua u otros líquidos. • Agentes oxidantes fuertes. • La contaminación de aislantes térmicos con asfalto, próximo a superficies calientes deberá de evitarse, debiéndose en estos casos sustituir el revestimiento por un tipo de aislante no absorbente. Las superficies de los materiales porosos impregnados con asfalto o condensados de asfaltos sufren un calentamiento pudiendo ocurrir fenómenos de ignición espontánea a temperaturas inferiores a 100°C.

6. TRANSVASE DEL PRODUCTO

La temperatura mínima de bombeo es de 118°C. Durante el llenado se deben evitar salpicaduras. También se debe evitar la utilización de aire comprimido, cargar, descargar o manipular. Durante el bombeo pueden formarse cargas electrostáticas durante la carga. Conectar a tierra todo el equipo.

Capítulo I

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PLANTA GENERADORA DE VAPOR MARCA CLAYTON PARA CALENTAMIENTO DE FERRO TANQUES DE ASFALTO

LÍNEAS DE SUMINISTRO DE VAPOR

FERROTANQUES CALENTADOS CON VAPOR

A su vez, dentro de las aplicaciones del asfalto caliente, se encuentra la del “Asfalto Espumado”, tema que se trata a continuación como un caso especial. Para distinguirlo como tal, se emplea un tipo de letra diferente.

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[ Tema Especial [ 6 [ 6 [ Tema Especial [ 6 [ 6 [ Tema Especial [ 6 [ 6 [ Tema Especial [

ASFALTO ESPUMADO

INTRODUCCIÓN: El asfalto espumado, expandido o celular, es una tecnología relativamente reciente a pesar de que su uso se registra desde 1957. El asfalto espumado es una técnica que permite expandir y mezclar el asfalto con diversos tipos de agregado para producir estructuras de pavimento de relativa alta capacidad de soporte y económicas. Esta tecnología se puede considerar como una aplicación alternativa a los otros tipos de aplicaciones de asfalto, mezclas en caliente y mezclas en frío (emulsiones asfálticas y asfaltos diluidos o cortados). La expansión del asfalto permite producir mezclas asfálticas de un modo muy diferente a los sistemas tradicionales. La mezcla íntima que se produce entre el asfalto y el agregado es también diferente, sin embargo, este tipo de mezclas tiene un comportamiento estructural similar a una mezcla tradicional. Las mezclas con asfalto espumado presentan ventajas especiales frente a las mezclas tradicionales, siendo las más importantes las de tipo energéticas y ambientales. Desde el punto de vista constructivo, el empleo de técnicas modernas especialmente desarrolladas para este tipo de aplicación, le confiere ventajas adicionales en comparación a otro tipo de técnicas constructivas; especialmente admite mayor tolerancia en la especificación de agregados y los procesos constructivos pueden ser de muy alto rendimiento. El asfalto espumado puede ser usado como un agente estabilizador con una variedad de materiales que van desde gravas chancadas de buena calidad, hasta suelos marginales con plasticidad relativamente alta. También puede ser usado para reciclar materiales asfálticos (RAP). Las mezclas con asfalto espumado pueden ser confeccionadas tanto en terreno como en una planta central.

Capítulo I

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TECNOLOGÍA DEL ASFALTO ESPUMADO Conceptos Básicos

La tecnología del asfalto espumado ha evolucionado desde los años 60, en que la expansión del asfalto era un proceso inestable y poco práctico, hasta la tecnología actual, en que el proceso de espumado se produce en cámaras de expansión como la mostrada en la Figura 1.

El proceso de expansión es básicamente un proceso físico de intercambio de calor:

En la cámara de expansión se inyecta una pequeña cantidad de agua fría (1 a 2%) al asfalto caliente (160-180°C). Se produce un intercambio de energía entre el asfalto y el agua, elevando la temperatura de las gotas de agua hasta los 100°C, lo que se traduce en una expansión instantánea de vapor.

Las burbujas de vapor son forzadas a introducirse en la fase continua del asfalto bajo la presión de la cámara de expansión, quedando encapsuladas.

El asfalto junto con el vapor de agua encapsulado es liberado de la cámara a través de una válvula y el vapor de agua encapsulado se expande formando burbujas de asfalto contenidas por la tensión superficial de éste. La expansión se detiene cuando las fuerzas de tensión superficial del asfalto contrarrestan las presiones al interior de las burbujas (estado de equilibrio). A medida que la temperatura de la espuma se reduce, el vapor encapsulado se condensa causando el colapso de las burbujas y la desintegración de la espuma. La desintegración o colapso de la espuma produce miles de gotitas de asfalto las cuales al unirse, recuperan su volumen inicial sin alterar significativamente las propiedades reológicas del asfalto original.

Para la producción de mezclas con asfalto espumado, el agregado debe ser incorporado mientras el asfalto se encuentra en estado de espuma. Al

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desintegrarse la burbuja en presencia del agregado, las pequeñas gotas de asfalto aglutinan las partículas más finas (especialmente la fracción menor a 0.075 mm), produciendo una mezcla de asfalto y agregado fino (dispersión del asfalto). Esto produce una pasta de filler y asfalto que actúa como un mortero entre las partículas gruesas.

FIGURA 1. CÁMARA DE EXPANSIÓN

PROPIEDADES EMPÍRICAS DEL ASFALTO ESPUMADO Existen dos parámetros básicos que permiten caracterizar una espuma asfáltica: Tasa de expansión (Ex): Es la razón entre el volumen de asfalto espumado y el volumen del asfalto original. La tasa de expansión indica la trabajabilidad de la espuma y su capacidad de cubrimiento y mezclado con los agregados. Vida media (T 1/2 ): Es el tiempo, en segundos que tarda el asfalto espumado en reducir su volumen a la mitad del volumen expandido. La vida media es un índice de la estabilidad de la espuma y da una idea del tiempo disponible para mezclar el asfalto espumado con los agregados antes de que colapse la espuma.

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La razón de expansión y vida media son medidas que dependen de muchos factores, entre éstos:

− Temperatura del asfalto: Las propiedades de espumación de la mayoría de los asfaltos mejoran con temperaturas más altas. Espumas aceptables se consiguen con temperaturas sobre 149ºC (Abel, 1978). − Dosis de agua inyectada: Generalmente la Razón de Expansión aumenta, con un incremento en la cantidad de agua inyectada, mientras la Vida Media decrece. (Ver Figura 2). − Presión bajo la cual el asfalto es inyectado en la cámara de expansión: Bajas presiones (menores a 3 bar) afectan negativamente tanto a la Razón de Expansión como a la Vida Media. − Uso de agentes anti-espumantes, tales como compuestos de silicona, en el asfalto virgen (Abel, 1978). − Viscosidad del asfalto: En cuanto a la viscosidad del asfalto, los resultados obtenidos en varios estudios no permiten relacionar de forma concluyente esta característica con las variaciones en la Razón de Expansión y Vida Media (Brennen et al., 1983). − En laboratorio uno de los parámetros que afectan las propiedades de espumación es el tamaño del recipiente donde estas propiedades son medidas (Ruckel et al., 1982). Siendo los principales factores, la temperatura del asfalto y la dosis de agua. A mayores temperaturas de espumado y mayor cantidad de agua se incrementa la Razón de Expansión pero a su vez disminuye la Vida Media, sin embargo el mejor espumado es generalmente considerado como aquel que optimiza tanto la Razón de Expansión como la Vida Media. Para llevar a cabo dicha optimización es necesario graficar ambas propiedades en un mismo gráfico (Figura 2), para distintas cantidades de agua y temperaturas. En general no existen especificaciones estándar para optimizar estas propiedades, pero es recomendable aumentar levemente el valor óptimo de la Vida Media, a partir del punto de intersección, aún en deterioro de la Razón de Expansión.

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FIGURA 2. OPTIMIZACIÓN DE LA RAZÓN DE EXPANSIÓN Y VIDA MEDIA

Las características de una espuma asfáltica (Ex y T 1/2 ) no son medidas exactas, sino más bien órdenes de magnitud. En general, se recomienda una razón de expansión de 8 a 15, y al menos de 15 segundos de vida media (Macarrone et. al., 1994). Cuando las características de espumado de un asfalto son extremadamente pobres (es menor a 5 y T 1/2 bajo 5 segundos) es difícil obtener una mezcla aceptable y en ese caso, es preferible emplear una asfalto de un origen distinto o incluir aditivos que mejoren la expansión.

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FIGURA 3. RELACIÓN ENTRE LA TASA DE EXPANSIÓN Y VIDA MEDIA

DISEÑO DE MEZCLAS CON ASFALTO ESPUMADO Procedimiento de Diseño El procedimiento básico para el diseño de mezclas con asfalto espumado se resume en los siguientes pasos: a) Optimización de las propiedades de la espuma. b) Caracterización del agregado. c) Determinación del contenido óptimo de humedad de la mezcla. d) Determinación del contenido óptimo de asfalto. e) Caracterización de las propiedades mecánicas de las mezclas.

a) Optimización de las Propiedades de la Espuma. Esta etapa tiene como objetivo determinar la temperatura del asfalto y la cantidad de agua a inyectar que optimicen tanto la Razón de Expansión como la Vida Media. Para llevar a cabo las mediciones en laboratorio de las propiedades de la

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espuma, se emplea un equipo de producción de asfalto espumado, cuya principal característica es poseer una cámara de expansión, idéntica a la empleada en terreno para producir la espuma de asfalto.

b) Caracterización del Agregado. Debido a la gran variedad de agregados que pueden ser mezclados con asfalto espumado (áridos chancados, arena arcillosa, RAP y otros materiales tales como escorias), estos deben ser caracterizados considerando dos propiedades: su distribución granulométrica y el Índice de Plasticidad. Una vez obtenida la curva granulométrica del agregado, es comparada con la clasificación mostrada en la Figura 4, desarrollada por Akeroyd y Hicks para Mobil Oil en 1988.

FIGURA 4. CLASIFICACIÓN DE MATERIALES GRANULARES (AKEROYD Y HICKS, 1988)

Si el material se encuentra en la Zona A de esta clasificación, es apropiado para ser empleado en carreteras con tráfico pesado. Los materiales de la Zona B son apropiados para tráfico liviano, pero su comportamiento puede ser mejorado mediante la adición de fracciones gruesas. Los materiales de la

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Zona C son deficientes en finos y no son apropiados para la estabilización a menos que su graduación sea mejorada mediante la adición de finos. El contenido de finos del agregado, es un parámetro fundamental debido a la influencia que tiene en el proceso de dispersión del asfalto y en general debe encontrarse sobre un 5% (Ruckel et al., 1982). El Índice de Plasticidad es un indicador de la capacidad que tienen los finos para ser mezclados con la espuma de asfalto. Dependiendo de los valores que alcance este índice se recomienda el uso de pequeñas cantidades de cemento de acuerdo con la clasificación mostrada en la Tabla 1 (Wirtgen GMBH, 1998):

Cantidad de Cemento (% en peso del agregado)

Índice de Plasticidad

IP < 10

1%

10 < IP < 16

1.5%

IP > 16

3%

TABLA 1. RECOMENDACIONES PARA LA INCORPORACIÓN DE CEMENTO A LA MEZCLA CON ASFALTO ESPUMADO

El contenido de RAP que posea el agregado, también es un factor que influye tanto en las propiedades estructurales de la mezcla como en el contenido óptimo de asfalto, por lo cual es necesario evaluar esta influencia en laboratorio.

c) Determinación del Contenido Óptimo de Humedad de la Mezcla. El contenido de humedad durante el proceso de mezclado y compactación es considerado por muchos investigadores como el criterio de diseño más importante en las mezclas con asfalto espumado debido a su efecto lubricante sobre las partículas finas durante la dispersión del asfalto. La relación Humedad - Densidad debe ser considerada en el diseño de la

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mezcla (Ruckel et. al., 1982). Una insuficiente cantidad de agua resultará en un agregado seco y polvoriento lo que provocará que la espuma al colapsar forme grumos de asfalto y no se mezcle adecuadamente con la fracción fina del agregado (Bowering, 1970). Un exceso de agua incrementará el tiempo de curado, reduciendo la resistencia de la mezcla (Ruckel et. al., 1982). Investigaciones realizadas por Mobil Oil, sugieren que el contenido óptimo de humedad, es aquel que maximiza la densidad de la mezcla (70% - 80% de la humedad óptima AASHTO de los agregados). Las mezclas con bajas densidades son consecuencia de bajos contenidos de humedad, lo que se traduce en una inadecuada dispersión del asfalto espumado (Bowering, 1970). Para el diseño se recomienda como contenido óptimo de humedad, el 75% de la humedad óptima de compactación obtenida mediante el ensayo Proctor Modificado. d) Determinación del Contenido Óptimo de Asfalto. Para determinar el contenido óptimo de asfalto, deben ser confeccionadas un mínimo de 5 mezclas con distintos contenidos asfálticos (1% – 3% de asfalto), y evaluar el comportamiento de cada una de ellas en función de la Tracción Indirecta (o tracción por compresión diametral), determinada tanto en estado seco como saturado. El contenido óptimo de asfalto es aquel que maximiza la Tracción Indirecta saturada (CSIR Transportek, 1999). La Tracción Indirecta (en estado seco o saturado), se determina sobre probetas cilíndricas (100 mm de diámetro por 63.5 mm de espesor) compactadas con 75 golpes del martillo Marshall. Antes de someter a las probetas al ensayo de Tracción Indirecta, estas son curadas durante 72 horas en un horno a 40º C. El estado saturado se logra sumergiendo las probetas en agua durante 24 horas a 25 ºC.

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e) Caracterización de las Propiedades Mecánicas de las Mezclas. Las propiedades mecánicas más utilizadas para caracterizar las mezclas de asfalto espumado son: CBR, Tracción Indirecta, Módulo Resiliente, Compresión no Confinada, Estabilidad Marshall y Resistencia a la Fatiga. Las propiedades mecánicas son susceptibles a la humedad, sin embargo existen ciertos aditivos como la cal o el cemento que reducen esta susceptibilidad (Castedo y Wood, 1983), al igual que elevados contenidos de asfalto, debido principalmente a la reducción de la permeabilidad. Las mezclas con asfalto espumado disminuyen el valor de sus propiedades mecánicas con el incremento en la temperatura, pero son menos susceptibles que las mezclas asfálticas en caliente. A temperaturas superiores a los 30ºC, las mezclas con asfalto espumado poseen un Módulo Resiliente más alto que las mezclas asfálticas en caliente equivalentes (después de 21 días de curado a temperatura ambiente) (Bissada, 1987).

Una gran mayoría de las investigaciones y estudios emplean los parámetros: Tracción Indirecta, Módulo Resiliente y Resistencia a la Fatiga.

APLICACIONES DEL ASFALTO ESPUMADO Reciclaje en Frío de Pavimentos Asfálticos:

En la actualidad, una de las aplicaciones más importantes del asfalto espumado se encuentra en el reciclado de pavimentos asfálticos, el cual se puede realizar tanto en sitio como en planta. Para realizar el reciclado en sitio se requiere de un equipo fresador- mezclador. Existen varios modelos y configuraciones para este tipo de equipos, pero en general todos poseen un tambor de fresado-mezclado similar al que se muestra en la Figura 5. En este tambor, el pavimento asfáltico y parte de la base granular son removidos de la superficie, triturados y mezclados con el asfalto espumado, el cual se inyecta directamente a través de varias cámaras de expansión individuales. El

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resultado es la producción de una mezcla que se utiliza como base asfáltica, de propiedades estructurales similares a una mezcla asfáltica en caliente, la que dependiendo del nivel de tráfico debe ser recubierta con una superficie de rodado, tal como un sello de agregados, una lechada asfáltica o una carpeta asfáltica.

FIGURA 5. PROCESO DE RECICLAJE CON ASFALTO ESPUMADO EN SITIO

FIGURA 6. ASFALTO ESPUMADO

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En el caso del reciclado en planta con asfalto espumado, el pavimento asfáltico es fresado, retirado y transportado hasta la planta, donde se incorpora el asfalto espumado y se homogeniza la mezcla. Luego la mezcla se transporta hasta el frente de trabajo, donde es extendida y compactada. Esta modalidad presenta ventajas importantes con respecto a otras alternativas de reciclado, entre ellas: − La reducción significativa de las distancias de su transporte, debido a que estas plantas, por su versatilidad, pueden ser instaladas muy próximas a los tramos de pavimento a reciclar. − El mayor control de la calidad de la mezcla reciclada, ya que a diferencia del reciclado en sitio, estas plantas permiten un mejor control de la dosificación de la mezcla (% RAP). − El material estabilizado con asfalto espumado en estado fresco parece no contener asfalto, debido a que las partículas de agregado grueso no son cubiertas totalmente y generalmente están libres de asfalto. Sin embargo, una vez que se compacta la superficie, se vuelve oscura y bien sellada. − El proceso de curado inicial en terreno ocurre en el transcurso de pocas horas, permaneciendo la mezcla trabajable por varias horas, lo que permite que las tareas de construcción sean realizadas con equipos convencionales y que el pavimento puede ser transitado el mismo día. ESTABILIZACIÓN DE SUELOS: El asfalto espumado también se utiliza para estabilizar suelos marginales y producir bases asfálticas de bajo costo y características similares a una base asfáltica convencional. En este caso, la modalidad más utilizada es la estabilización en sitio, para la que se utiliza el mismo proceso descrito para el reciclado de pavimentos asfálticos en sitio. La estabilización para cada suelo en particular debe ser estudiada en forma independiente. Se debe conocer la granulometría, plasticidad, densidad y otras propiedades del suelo para diseñar el tratamiento más adecuado.

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Normalmente se requiere adicionar un porcentaje de cemento portland para incorporar material fino o aumentar la resistencia de la mezcla final.

Una de las ventajas más importantes de la estabilización de suelos con asfalto espumado es su aplicabilidad en materiales granulares con un amplio rango de granulometrías, lo que permite estabilizar directamente en terreno varios tipos de suelos.

VENTAJAS DEL ASFALTO ESPUMADO: La Principal ventaja del asfalto espumado en comparación con los métodos tradicionales de mezclado en caliente, son del tipo energético. La estabilización con asfalto espumado requiere de un reducido consumo de energía en comparación con el método tradicional de mezcla en caliente. Se han medido ahorros de energía de más de 80% sobre los métodos tradicionales, en tramos experimentales de estabilización con asfalto espumado (para soluciones estructuralmente equivalentes). − El uso del asfalto espumado reduce los costos de transporte. Para un mismo volumen de asfalto residual, el transporte del asfalto en forma de emulsión, requiere transportar adicionalmente un volumen de 35 a 40% de agua. − Menores costos en el proceso de manufactura. − El material tratado con asfalto espumado puede ser colocado, compactado y abierto al tráfico en un menor tiempo después del mezclado. − El material tratado permanece trabajable por mayores períodos de tiempo y puede ser usado en condiciones climáticas adversas. La principal ventaja del asfalto espumado con respecto a las emulsiones asfálticas, son del tipo técnico-económicas:

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USO DE VAPOR EN LA PRODUCCIÓN DE CAL HIDRATADA Y CAL VIVA

CAL VIVA •

También conocida como óxido de calcio

CAL HIDRATADA • CAL HIDRÁULICA •

Formada de hidróxido de calcio

Compuesta principalmente de hidróxido de

calcio, sílica (SiO 2 ), y alúmina (Al 2 O 3 )

1. INTRODUCCIÓN

Los usos de la cal fueron fundamentales, diversos: blanquear el azúcar, «disecar los muertos», desinfectar los terrenos, construir («antes no había cemento»), albear o pintar las casas, «matar el mujo» de los varaderos de la mar, e incluso un puño de cal sirvió para erradicar los garapos o larvas de mosquitos en los aljibes. La industria de la cal -tradición milenaria de gran valor cultural- sucumbió «porque vino el cemento, ya era más fácil, menos trabajo hacerlas obras con cemento». La cal es mucho más que materia. Más higiénica y agradable que otros materiales. Sin embargo, su valor económico, e incluso, cultural y turístico se ha ido perdiendo con el tiempo. Muchos de los hornos de cal -abundantes en todas las Islas hasta mediados del pasado siglo- han sido aniquilados o se encuentran en estado

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ruinoso. También ha ido a menos la memoria y el recuerdo de personas que convivieron con y de ella.

HORNO DE CAL

2. OBJETIVO

El objetivo del presente es el de mostrar el uso del vapor en la producción de cal hidratada y cal viva.

3. GENERALIDADES

La piedra caliza es usada, directamente en su forma pura, o indirectamente como cal, en muchas industrias. La cal es el producto que se obtiene calcinando la piedra caliza por debajo de la temperatura de descomposición del óxido de calcio.

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El proceso de producción de la cal comienza desde la exploración y selección del yacimiento de piedra caliza. Esta selección se realiza de forma tal que se asegure el abastecimiento de materias primas con las características físicas y químicas requeridas por el cliente. La caliza es una roca compuesta de carbonato de calcio (CaCO 3 ) y porcentajes mínimos de otros minerales, ésta es una piedra natural que comúnmente se llama piedra caliza rica en calcio. Una piedra caliza que posea un alto contenido de magnesio se clasifica como piedra caliza dolomítica. Las cales elaboradas con estas rocas se llaman respectivamente cal viva y cal dolomítica. • Cal Viva: Se obtiene de la calcinación de la caliza que al desprender anhídrido carbónico, se transforma en óxido de calcio. La cal viva debe ser capaz de combinarse con el agua para transformarse de óxido a hidróxido y una vez apagada (hidratada), se aplique en la construcción. • Cal Hidratada: Se conoce con el nombre comercial de cal hidratada a la especie química de hidróxido de calcio, la cual es una base fuerte formada por el metal calcio unido a dos grupos de hidróxidos. • Cal Hidráulica: Cal compuesta principalmente de hidróxido de calcio, sílica (SiO 2 ) y alúmina (Al2O 3 ) o mezclas sintéticas de composición similar. Tiene la propiedad de fraguar e incluso de endurecer debajo del agua. 2.1 TIPOS DE CAL

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2.2 PROCESOS DE OBTENCIÓN DE LA CAL

Los procesos para la obtención de la cal, son descritos brevemente a continuación: 1. Extracción: Se desmonta el área a trabajar y se lleva a cabo el descapote, posteriormente se barrena aplicando el plan de minado diseñado, se realiza la carga de explosivos y se procede a la voladura primaria, moneo, tumbe y rezagado, carga y acarreo a la planta de trituración. 2. Trituración: Posteriormente es sometida a un proceso de trituración que arrojará como producto trozos de menor tamaño que serán calcinados en hornos verticales. También puede realizarse una trituración secundaria cuando se requieren fragmentos de menor tamaño y se tienen hornos rotatorios para calcinar. Cuando se ha clasificado la piedra de acuerdo a su tamaño, ésta debe ser lavada para asegurar la pureza del producto antes del proceso de calcinación. 3. Calcinación: La cal es producida por calcinaciones de la caliza y/o dolomía trituradas por exposición directa al fuego en los hornos. Para alcanzar esta transformación química son necesarias temperaturas superiores a los 900°C. En esta etapa las rocas sometidas a calcinación pierden bióxido de carbono y se produce el óxido de calcio (cal viva). Los hornos verticales se subdividen en las siguientes zonas: a La zona de almacenamiento. b La zona de calentamiento previo en la cual se enfrían los gases de combustión y se calienta la piedra. c La zona de calcinación en la que se efectúa por lo menos el 90% de la calcinación de la piedra.

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d La zona de terminación en la que se quema una parte del combustible con exceso de aire para terminar la calcinación de la piedra. e La zona de enfriamiento en la que pasan a contracorriente aire y cal, enfriándose la cal y calentándose el aire. 4. Enfriamiento: Posteriormente se somete a un proceso de enfriamiento para que la cal pueda ser manejada y los gases calientes puedan regresar al horno como aire secundario. 5. Inspección: Se inspecciona cuidadosamente las muestras para evitar núcleos o piezas de roca sin calcinar. 6. Cribado: Se somete al cribado con el fin de separar la cal viva en trozo y guijarros (piedra pequeña, redondeada y lisa) de la porción que pasará por un proceso de trituración y pulverización. 7. Trituración y Pulverización: Se realiza con el objeto de reducir más el tamaño y así obtener cal viva molida y pulverizada, la cual se separa de la que será enviada al proceso de hidratación. 8. Hidratación: Además de la cal viva y la cal dolomítica, el mercado de la construcción, de los alimentos, y la ingeniería ambiental entre otros, requieren de cal hidratada. El hidróxido de calcio, Ca(OH) 2 o cal hidratada se obtiene por la adición de agua a la cal viva. A la cal viva dolomítica y alta en calcio se le agrega agua y es sometida a un separador de residuos para obtener cal hidratada normal dolomítica y alta en calcio. Únicamente la cal viva dolomítica pasa por un hidratador a presión y posteriormente a molienda para obtener cal dolomítica hidratada a presión. Este proceso de hidratación conlleva una reacción química exotérmica en la que se liberan grandes cantidades de calor. Durante la hidratación o apagado de la cal, las rocas de cal viva absorben agua desintegrándose y obteniéndose un polvo fino de color blanco.

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9. Control: Cada una de las etapas del proceso productivo de la cal deben ser monitoreadas por parte del departamento de control de calidad. Por medio de muestreos aleatorios y análisis químicos y físicos, se asegura que solo sean procesadas las materias primas que reúnen las especificaciones establecidas. A lo largo de todas las etapas posteriores de fabricación, se analizan los productos en proceso y productos terminados para garantizar la satisfacción total del cliente. 10. Envase y Embarque: La cal es llevada a una tolva de envase e introducida en sacos y transportada a través de bandas hasta el medio de transporte que la llevará al cliente.

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3. INFORMACIÓN GENERAL DEL PROCESO

3.1 DIAGRAMA DE FLUJO

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3.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

3.2.1 CAL VIVA

1. Las piedras de cal minadas o desenterradas se reducen en rocas de tamaño más pequeño por una carrillera trituradora y luego es alimentada a tres cubiertas de filtrado por vibración, la cual remueve cualquier fragmento grande o pequeño según el tamaño deseado.

2. Después que han sido filtradas, las piedras de cal son pesadas en una correa transportadora con balanzas construidas, como cuando este es transportado en una grúa de salto. 3. Las piedras de cal y el coque son elevados a la parte superior del horno vertical donde son descargados. 4. Las piedras calizas son desfragmentadas térmicamente en un horno donde la temperatura varía de 925°C a 1,340°C siendo mantenidas con el fin de alcanzar la temperatura de disociación de los carbonatos encontrados en las piedras de cal. El dióxido de carbono en el horno de gas es soplado dentro de un sistema de lavado pero con una reducida ventilación. 5. La cal viva producida en el horno es descargada en un mandil transportador el cual los lleva hacia un martillo de triturado. Después que ha sido pulverizado por el martillo de triturado, este es descargado en una tolva elevadora para ser transportada al depósito de almacenamiento de la cal viva.

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3.2.2 CAL HIDRATADA

1. La cal hidratada es producida básicamente por la mezcla de agua con la cal viva. El agua y la cal viva son puestas a un hidratador en un porcentaje de uno a uno. 2. Esta cal apagada es colocada dentro de un tanque de añejamiento donde se completa su hidratación. 3. La ligera humedad de la cal apagada es descargada dentro de una tolva elevadora la cual tiene en su interior un separador centrífugo. 4. Durante el proceso de separación, las partículas gruesas de cal son removidas desde la cal hidratada en forma de desechos. El siguiente paso, aparte de la producción en polvo listo para embolsar, es la mejora de la consistencia respecto a la fineza y pureza química de la cal hidratada producida. 5. El polvo de cal hidratada es transportado a la máquina de embolsado la cual automáticamente distribuye la cal en bolsas de 25 kg o en bolsas de una tonelada, completando así; el proceso.

3.3 ESPECIFICACIONES DE LOS MATERIALES Y MATERIAS PRIMAS

3.3.1 MATERIA PRIMA

• CaO: 53.5% mínimo • MgO: 1% mínimo • SiO 2 : 1% máximo • Al2O 3 + Fe2O 3 : 0.6% máximo

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3.3.2 COMBUSTIBLE

Puede ser usado cualquiera de los siguientes combustibles: a Coque, válvula de calentamiento 7,000 kcal/kg. mínimo. b Combustible líquido: Diesel, aceite combustible No. 6, etc. c Gas combustible: Gas natural, agua gaseosa, agua destilada, etc.

3.3.3 CAL VIVA

• CaO: 93.25% - 98% cal disponible. • MgO: 0.3% - 1.5% • SiO 2 : 0.2% - 1%

• Fe2O 3 : 0.1% - 0.4% • Al2O 3 : 0.1% - 0.5%

3.3.4 CAL HIDRATADA

• CaO: 72% - 74% • Gravedad específica: 2.3 - 2.4 • Densidad de la masa: 450-560 kg/m 3 . • MgO, SiO 2 , Fe2O 3 , Al2O 3 : lo menos posible.

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4. DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA

4.1 CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN

Una planta equipada con la maquinaria y equipo descrito en la sección 4.4 de este estudio, operando tres turnos de ocho horas diarias, 25 días al mes, podría ser capaz de producir 1,800 toneladas de cal viva y 2,400 toneladas de cal hidratada por mes, aproximadamente.

4.2 CONSUMO DE MATERIA PRIMA

Aproximadamente 2 toneladas de piedras de cal son necesarias para producir una simple tonelada de cal viva, mientras que 0.8 toneladas de cal viva son necesarias para producir una tonelada de cal hidratada. Aproximadamente 150 kg de coque es quemado para producir una tonelada de cal viva.

4.3 MANO DE OBRA REQUERIDA

CLASIFICACIÓN DEL TRABAJO

PERSONAS/TURNO

Preparación y transporte de piedras de cal

1 1

Chofer de la pala mecánica

Operador del quemado de la cal y control de hidratación.

1

Empaque

Variable

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4.4 MAQUINARIA Y EQUIPO

No DE MÁQUINAS

ARTÍCULO

Carrillera de triturado

1

Zaranda vibradora

1

Correa transportadora con balanzas en línea para pesar las piedras de cal.

1

Transportador principal para piedras de cal y coque

1

Columna de horneado de cal

1

Horno de cal por soplado

2

Sistema de lavado de gas horneado

1

Mandil transportador para la cal viva

1

Martillo de triturado

1

Mandil transportador inclinado o tolva elevadora

1

Depósito de la cal triturada.

1

Aparato de control del alimentador de agua con velocidad de giro ajustable con un sistema de adición de agua con hidratador de cal

1

Tanque de añejamiento con una cuadrilla de transportación

1

Sistema de lavado de vapor y polvo

1

Balde elevador

1

Separador centrífugo

1

Recipiente de la cal hidratada

1

Aparato de empaque de la cal hidratada

1

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4.5 INSTRUMENTOS Y APARATOS DE CONTROL

4.5.1 PARA CAL HORNEADA

• Termómetros de 1,500°C con cuatro registros. • Termómetros de 300°C con cuatro registros.

• Medidor de presión. • Analizador de gases.

4.5.2…PARA CAL HIDRATADA

Cinco controles operados centralmente son necesarios para monitorear y controlar la velocidad de los motores en las máquinas listadas a continuación: 1. Alimentador giratorio de cal viva. 2. Hidratador con un dispositivo de alimentación de agua. 3. Tornillo transportador del tanque de añejamiento. 4. Balde elevador. 5. Alimentador giratorio de aire separador.

4.6 GASTOS GENERALES DE PLANTA

Coque: 140-166 kg/ton de cal viva producida. Combustible: 1,000-1,162 kcal/kg de cal viva. • Aceite combustible: 100-116 kg/ton de cal viva producida. • Gas combustible: La cantidad varía con la válvula de gas de calentamiento. • Potencia eléctrica requerida: Varía con la capacidad de la planta.

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4.7 LOCALIZACIÓN Y ÁREA DE LA PLANTA

• Localización: Cerca de suministros de piedras calizas con buenas facilidades de transporte. • Área de la planta: 3,000 m 2 para plantas de tamaño pequeño usando coque como combustible.

4.8 DISTRIBUCIÓN DE LA PLANTA

1. Trituradora de mordazas

10. Elevador de baldes

2. Tamiz

11. Depósito de cal triturada

3. Correa pesadora

12. Hidratador de cal con sistema alimentador de agua 13. Tanque de añejamiento con transportador de husillo

4. Extractor de salto

5. Hornos de ca 6. Sopladores

14. Sistema lavador de vapor y polvos 15. Elevador de baldes o contenedores 16. Separador centrífugo Gayco

7. Sistema lavador de gas horneado 8. Transportador de mandil

17. Depósito de cal hidratada 18. Dispositivo de empaque

9. Martillo triturador

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5. APLICACIÓN DE LA CAL

• Metalúrgica • Industria química • Industria farmacéutica • Filler • Medio ambiente

• Agroindustria • Construcción • Alimentos

Muchos tipos de productos, producidos alrededor del mundo, son, en una forma u otra, producidos empleando cal.

6. USO DE VAPOR

El vapor se usa en el sistema de combustión en los hornos, durante el proceso de calcinación, para atomizar el combustible. Es bien sabido que para tener una buena combustión, es necesario mezclar el aire y el combustible en las proporciones adecuadas, y que en el caso combustibles líquidos, es recomendable atomizarlos para obtener un tamaño de gota del orden de una molécula de gas, consiguiendo con ello una mezcla más homogénea y haciendo más eficiente la ignición.

MEZCLA POBREMENTE ATOMIZADA

MEZCLA FINAMENTE ATOMIZADA

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Pero además, cuando se emplean combustibles pesados como es el combustóleo o el diesel No. 6, es necesario elevar su temperatura para obtener una mayor fluidez y así poder atomizarlos con mayor facilidad. La atomización del combustible se hace a través del suministro de vapor. Dicha atomización, no sólo aumenta la temperatura del combustible y disminuye el tamaño de la gota sino que crea una velocidad muy alta que se usa para impulsar las partículas a velocidades casi supersónicas antes del impacto hacia el substrato. Una de las reglas básicas de la atomización es la alta presión de combustión = alta velocidad del gas, alta velocidad de la partícula y como resultado un rociado de alta calidad. Otro de los beneficios clave de este sistema de alta velocidad es la densidad sumamente alta del rociado y el bajo contenido de óxido. Los óxidos bajos se atribuyen en parte a la velocidad de las moléculas que pasan menos tiempo dentro de la fuente de calor y en parte a la temperatura de flama más baja (alrededor de 3,000°C) de la fuente de calor, comparada con procesos alternativos.

7. PROPUESTA REALIZADA POR CLAYTON, EN LA PRODUCCIÓN DE CAL HIDRATADA Y CAL VIVA

Cuando se elige el combustible a quemar en un proceso, se hace con base a la cantidad de energía que se puede disponer de él y al precio del mismo. Entre los combustibles más comunes están el Diesel, el Gas Natural y el Combustóleo, cuyos poderes caloríficos y precios son variantes.

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De la práctica se sabe que para producir 1 kg de cal viva, se requieren de 1000 a 1162 kcal de energía, la cual es suministrada a través del combustible en el horno, por lo que se desarrollará un ejemplo de cuál combustible puede ser el más conveniente. Ejemplo: Considere que una planta tiene 7 hornos, con una capacidad de producción cada uno, de 110 ton de cal viva al mes, y se trabajan 3 turnos de 8 horas al día, 25 días al mes. Usando el máximo de energía requerida, es decir, 1162 kcal/kg de cal viva:

kg cal viva kcal 1162

kcal/h 8436 1BHP

viva/h kg cal BHP 0.1377

⎜ ⎝ ⎛

= ⎟ ⎠ ⎞

mes kg cal viva 770,000 ⎜⎜ ⎝ ⎛

viva/h kg cal BHP 0.1377

25d mes

24h d

⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞

⎜ ⎝ ⎛

= ⎟ ⎠ ⎞

⎟ ⎠ ⎞

BHP 179.77

Es decir, se requiere un Generador de Vapor de 179.77 BHP, para no errar, debido a cualquier factor climático y de proceso, se recomienda uno de 200 BHP. Para saber el consumo de combustible, se emplean los siguientes datos y la fórmula 1:

PC diesel = 9509 kcal/L, $5.3634/L 1 PC gas natural = 8540 kcal/m 3 , $3.8620/m 3 PC combustóleo = 9960 kcal/L, $4.47/L

1 Los precios indicados son de mayo del 2008, en moneda nacional y sin iva.

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