trabajo de tolvas silos de almacenamiento y transporte neumatico final1

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TRANSPORTE NEUMÁTICO,

TOLVAS Y SILOS DE

ALMACENAMIEN

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TO

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UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA QUÍMICA

TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO DE SÓLIDOS A GRANEL

Transporte neumático, tolvas y silos de almacenamiento.

Lindys Fonseca De La Hoz María Teresa García Salgado,

Kevin Johan Zabala Rodríguez.

JORGE LUIS PIÑERES MENDOZA MANEJO DE SÓLIDOS. GRUPO 2

BARRANQUILLA, SEPTIEMBRE 3 DE 2013

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Contenido1. Introducción.....................................................................................................................................................3

2. Depósitos, tolvas y silos de almacenamiento...................................................................................................4

2.1 Fundamentos............................................................................................................................................4

2.1.1 Características del flujo de materiales.....................................................................................................4

2.2 Criterios de diseño....................................................................................................................................7

2.2.1 Consideraciones previas...................................................................................................................7

2.2.2 Cálculo de las variables de diseño.....................................................................................................8

2.3 Balance en silos y tolvas...........................................................................................................................9

2.4 Ejemplos de aplicación...........................................................................................................................11

Productos químicos.........................................................................................................................................11

Minería y minerales........................................................................................................................................12

Alimentación...................................................................................................................................................12

La biomasa, madera y papel:..........................................................................................................................12

Vidrio y cerámica............................................................................................................................................13

Cemento.........................................................................................................................................................13

3. Transportadores neumáticos..........................................................................................................................13

3.1 Proceso de transporte neumático..........................................................................................................13

3.1.1 Fluidización.....................................................................................................................................13

3.2 Tipos de transporte neumático...............................................................................................................14

3.2.1 Transporte en fase diluida..............................................................................................................14

3.2.2 Transporte en fase densa................................................................................................................14

3.3 Clasificación de transportes neumáticos................................................................................................14

Sistemas de presión........................................................................................................................................14

Sistemas de vacío...........................................................................................................................................14

Sistemas de presión vacío...............................................................................................................................15

Sistemas de fluidización..................................................................................................................................15

Tanque ventilador..........................................................................................................................................15

3.4 Diagrama de estado................................................................................................................................16

3.5 Diseño de sistemas de transporte neumático........................................................................................16

3.6 Balances..................................................................................................................................................18

3.6.1 Balance de momentum...................................................................................................................18

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3.6.2 Balance de masa para el gas en un tubo de área transversal constante.........................................19

3.6.3 Balance de masa para el material...................................................................................................19

3.6.4 Balance de energía para el gas........................................................................................................19

3.7 Ejemplos de aplicación...........................................................................................................................20

Ejemplo 1........................................................................................................................................................20

Ejemplo 2........................................................................................................................................................21

4. Conclusiones...................................................................................................................................................22

5. Bibliografía.....................................................................................................................................................23

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1. Introducción

Las operaciones de manejo de materiales a granel representan una función clave en un gran número y variedad de industrias. Mientras la naturaleza de las pruebas de manejo y operaciones de escala varían de una industria a otra y en la escena internacional de un país a otro de acuerdo a la industria y bases económicas, el costo relativo de almacenaje, manejo y transporte de material a granel son en la mayoría de los casos muy significativos. Sin embargo es muy importante que el manejo y procesamiento de sistemas sea diseñado y operado con énfasis a una máxima eficiencia y confiabilidad.

La selección de un transportador correcto para un material específico a granel en una situación dada, se complica debido al gran número de factores interrelacionados que es preciso tomar en consideración. Puesto que existen diseños normalizados de equipos y datos completos de ingeniería para muchos equipos comunes de transportadores, su desempeño se puede predecir con exactitud, cuando se usan con materiales que tengan características conocidas de transportación. Cabe resaltar que a pesar de ello, incluso los mejores transportadores pueden tener un desempeño decepcionante, cuando las características de los materiales sean desfavorables.

Es muy probable que no haya ninguna sección del arte de almacenamiento y manejo de materiales que haya avanzado tanto en una década (la de 1960) como el almacenamiento en tolvas de materiales a granel. Antes de esa época, sabemos que el diseño de tolvas de almacenamiento era empírico y de tanteo, el éxito se aseguraba solamente en el caso de que los productos fueran de flujo libre. Pero gracias a las investigaciones dirigidas por Andrew W. Jenike esa idea cambió radicalmente. Dichas investigaciones dieron como resultado la identificación de los criterios que afectan el flujo de materiales en los recipientes de almacenamiento (W. Jenike, 1961). Durante esa época, se logró proporcionar factores de flujo para cierto número de diseños de depósitos y tolvas, así como también especificaciones para la determinación experimental de las características de los materiales a granel que afectan el flujo y el almacenamiento. Además de la teoría, Jenike presentó un modelo de aplicación, que incluye ecuaciones de los materiales.

“La ingeniería del manejo y almacenamiento de materiales a granel es más un arte que una ciencia”

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2. Depósitos, tolvas y silos de almacenamiento

2.1 FundamentosLos silos son contenedores de distintas formas que pueden tener una capacidad de unos pocos metros cúbicos o de unos centenares, y que pueden ser abiertos o herméticamente cerrados; se utilizan para el almacenamiento o conservación de una extensa gama de productos, ya sea granos, harinas, forraje o líquidos. El almacenamiento de granos en silos es una práctica muy frecuente y su normatividad apunta a las condiciones técnicas de los silos, para garantizar su resistencia, gracias a la presión interna de la carga y a la generada en muchos casos por la fermentación del producto. Todos los silos tienen aberturas de alimentación, generalmente cerca del extremo superior y, bocas de descarga en la base o a un lado. En los silos cerrados las aberturas están herméticamente selladas, pero a menudo se sitúa una válvula de compensación de presión en lo alto para facilitar el vaciado.

Las superficies interiores deben ser lo más lisas posibles, por lo cual se cubren con cemento vidriado, resinas sintéticas o una mezcla cuyo componente principal es el vidrio soluble. El objetivo de estos recubrimientos es facilitar el flujo de productos dentro del silo y protegerlo contra materiales corrosivos. Cuando el material almacenado posee poca movilidad se pueden acondicionar tolvas, ya sea para llenar o descargar el silo, las cuales poseen una inclinación de aproximadamente 28° y a las que pueden adaptarse variantes de diseño como la vibración o el mezclado, para aumentar la velocidad de flujo (CISTEMA-SURATEP S.A, 2004).

2.1.1 Características del flujo de materialesDos de las definiciones más importantes de las características de flujo en un recipiente de almacenamiento son el flujo de masa, que significa que todos los materiales en el recipiente se desplazan cuando se retira un aparte (Figura 1) y el flujo de embudo, que se produce cuando fluye sólo una porción del material (por lo general en un canal o un “agujero de rata” en el centro del sistema), cuando se retira cualquier cantidad de material (Figura 2).

Figura 1. Tolva de flujo de masa. El material no se canaliza hacia la descarga. Fuente: Jenike&Johanson Incorporated.

Figura 2. Tolva de flujo de embudo. El material se segrega y se forman agujeros de rata. Fuente: Jenike&Johanson Incorporated.

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Los depósitos de flujo de masas tienen algunas de las características más solicitadas para los recipientes de almacenamiento, siempre que se abre la compuerta del fondo sin ayuda se obtiene un flujo. Un depósito de flujo de embudo puede tener o no flujo; pero probablemente se puede hacer que fluya por algún medio. Uno de los criterios comunes para el diseño de recipientes de almacenamiento era el de la medición del ángulo de reposo, el uso de este valor como ángulo de la tolva y el ajuste del depósito para el espacio disponible.

Se cometía el error de que con demasiada frecuencia, se diseñaban depósitos desde un punto de vista arquitectónico o de ingeniería estructural, más que tomar en consideración el papel que iban a desempeñar en un proceso. La existencia de un tipo de flujo u otro dependerá de la naturaleza del sólido y del recipiente que lo contiene. En consecuencia para diseñar un silo con un tipo de flujo concreto habrá que considerar conjuntamente las características del material y las del propio silo (Amorós, Mallol, Sánchez, & García).

Aunque evidentemente es preferible un depósito de flujo de masa a otro de flujo de embudo, es preciso justificar la inversión adicional que se requiere casi siempre. Con frecuencia, esto se hace mediante la reducción de los costos operacionales; pero cuando el espacio de instalación está limitado, es preciso llegar a un punto de término medio como un diseño especial de la tolva y, a veces, incluso el empleo de un alimentador. Desde luego, con las tolvas de flujo de masa, no se necesita alimentador para el flujo; sin embargo, se puede utilizar todavía por otras razones, tales como las de transporte de material a la etapa siguiente de procesamiento (PERRY).

Es importante considerar que un conocimiento profundo de las propiedades del flujo del material a granel y su fluidez son cruciales para identificar la causa de la mala circulación. Es común que se produzcan segregaciones, interrupciones en la descarga de los materiales de los silos y las tolvas por formación de bóvedas, existencia de zonas muertas en los silos, descargas incontroladas de sólidos, etc. Estos problemas pueden minimizarse si la descarga de los materiales en los silos y tolvas de almacenamiento es adecuada.

Dos problemas de falta de caudal que se presentan en una tolva o en un silo son los siguientes:

Arqueo / puente: se produce cuando una obstrucción en forma de arco se forma por encima de la salida de la tolva y se detiene el flujo. Puede ser un arco de enclavamiento, donde las partículas grandes se entrelazan mecánicamente para formar una obstrucción o un arco cohesivo. Un arco cohesivo ocurre cuando las partículas se unen entre sí debido a los efectos de humedad, la forma de las partículas, la temperatura, etc. (Figura 3)

Ratholing: se produce cuando la descarga se lleva a cabo sólo en un canal de flujo situado encima de la salida. Si el material que está siendo manejado es cohesivo, el material no fluirá fuera del canal y puede aglomerarse. (Figura 4)

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Figura 3. Obstrucción de flujo. Arqueo/puente. Fuente: Jenike&Johanson Incorporated.

Figura 4. Obstrucción de flujo. Ratholing. Fuente: Jenike&Johanson Incorporated.

En la tabla 1 se comparan las características principales de los depósitos de flujo de masas y flujo de embudo.

Tabla 1. Características principales de tolvas de flujo de masa y flujo de embudo

Tolvas de flujo de masa Tolvas de flujo de embudoLas partículas se segregan, pero se

reúnen a la descarga.Las partículas se segregan y

permanecen segregadas.Los polvos se desairean y no fluyen

cuando se descarga el sistema.La primera porción que entra es la

última en salir.El flujo es uniforme. Pueden permanecer productos en

puntos muertos, hasta que se realiza la limpieza completa del sistema.

La densidad del flujo es constante. Los productos tienen a formar puentes o arcos y, luego, a que se formen agujeros de rata durante la

descarga.Los indicadores de nivel funcionan

adecuadamente.El flujo es errático.

No quedan productos en zonas muertas, donde pudieran degradarse.

La densidad puede variar.

Se puede diseñar la tolva para tener un almacenamiento no segregado o para funcionar como mezcladora.

Los indicadores de nivel se deben situar en puntos clave, para que

puedan funcionar adecuadamente.Las tolvas funcionan bien con sólidos

de partículas grandes y flujo libre.

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2.2 Criterios de diseñoUn diseño apropiado consiste en determinar el valor del ángulo máximo que forma las paredes del silo con la vertical en la zona de descarga, θ, y el del tamaño mínimo de la boca de salida, D, para los que la descarga del silo se realiza por flujo másico sin interrupciones (Figura 5).

2.2.1 Consideraciones previasObstrucciones de la boca de salida: El tamaño de la boca de salida de un silo debe ser lo suficientemente grande para que no se obstruya durante su descarga. Este fenómeno puede ser debido a la formación de bóvedas, si el polvo es cohesivo, o al taponado por formación de estructuras, si las partículas son suficientemente grandes.

Para evitar las interrupciones del flujo por el segundo mecanismo, basta con que la boca de salida sea un orden de magnitud mayor que el de las partículas o aglomerados que constituyen el sólido. El cálculo del diámetro de salida, que evite las interrupciones por el primer mecanismo, es más laborioso y se basa en la teoría desarrollada por Jenike [1, 2, 3] a mediados de los años 60 tal como se había citado anteriormente.

Requisitos que debe cumplir el sistema para evitar las interrupciones de flujo: Para verificar los requisitos que debe cumplir el sistema, podemos analizar lo que le sucede a un elemento de material en contacto con la pared del silo durante la descarga del mismo (Figura 6). Podemos observar que cuando el elemento se encuentra en lo alto del silo está sin compactar (p=0), ya que sobre él no actúa ninguna presión. Ahora bien, conforme va descendiendo, se va compactando debido a que la presión imperante en el silo va aumentando.

Figura 6(a), 6(b). Distribución de la presión (p), de la resistencia mecánica a la cizalla de un elemento del material (f) y de la tensión de cizalla (s) en el interior de un sil. Fuente: (Amorós, Mallol, Sánchez, & García).

1 JENIKE, A. W. Gravity flow of solids. Bulletin of the University of Utah. No 123, 1961.2 JENIKE, A. W. Storage and flow of solids. Bulletin of the University of Utah. 53(26), 1964.3 JENIKE, A. W.; JOHANSON, J. R. Review of the principles of flow of bulk solids. CIM Trans.,73, 141-146, 1970

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Como se aprecia en la Figura 6, inicialmente la presión se incrementa mucho con la profundidad, hasta aproximarse al final de la vertical del silo, donde permanece prácticamente constante. En la intersección entre la pared vertical y la inclinada, la presión por lo general se incrementa de manera abrupta. A partir de este punto esta se va reduciendo conforme el material se aproxima a la boca de salida.

La resistencia mecánica a la cizalla de un material (f) experimenta una variación similar a la de la presión, ya que esta propiedad es función de la compacidad la cual a su vez depende de la presión a la que está sometido el material que, como se acaba de citar, cambia con la posición. Por lo tanto, durante la descarga, la resistencia mecánica a la cizalla del material se modificará según su posición en el silo. Por otra parte, el elemento de material que se está analizando, está sometido en todo momento a una tensión máxima de cizalla (s), cuya magnitud depende asimismo, de su posición en el silo, tal y como se representa en la Figura 6.

Como se puede observar, en la Figura 6(a), en todo momento la tensión máxima de cizalla a la que está sometido el elemento de material (s) es mayor que su resistencia mecánica a la cizalla (f), por lo que durante la descarga de este silo no podrán formarse bóvedas que impidan el flujo. Por el contrario, si se reduce el tamaño de la boca del silo de D1 a D2, Figura 6(b), manteniendo constante el resto de las variables (ángulo de pared, tipo de polvo, etc.) de manera que en algún punto del sistema se cumpla la condición de que el valor de la resistencia mecánica a la cizalla del material (f) es superior al de la tensión máxima de cizalla a que está sometido (s), en dicho punto se formará una bóveda. Así pues el valor del diámetro de salida, D, que corresponde al punto de corte de las líneas f y s de la Figura 6(b), es el diámetro mínimo para el cual no se forman bóvedas. (Amorós, Mallol, Sánchez, & García)

2.2.2 Cálculo de las variables de diseñoCálculo del ángulo máximo de la pared del silo en la zona de descarga : θ Para calcular θ se recurre a las gráficas de factor de flujo (Figura 7), donde el factor de flujo (ff) es la representación de la tensión de cizalla máxima (s) que actúa sobre un elemento de material almacenado en el silo frente a la presión a la que está sometido, donde dentro de cada sistema, el cociente entre ambos valores es constante. La zona triangular de estas representa las condiciones para las cuales el flujo del material durante la descarga del mismo es másico, de acuerdo con la teoría de Jenike.

La línea de trazos, que separa ambas zonas, determina las condiciones límite del sistema. En efecto esta línea representa los pares de valores máximos de los ángulos de la pared del silo (θ) y ángulos de fricción del sistema material-pared (Φ) para los que el flujo es másico. Según la bibliografía consultada, se aconseja como factor de seguridad tomar un ángulo 3° inferior al estimado (Amorós, Mallol, Sánchez, & García).

Figura 7. Gráfico de Jenike para un silo cilíndrico y para un ángulo de fricción interna 30°. Fuente: (Amorós, Mallol, Sánchez, & García)

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= 2 + 60 .ρ ∗ g

D:

Θ

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Cálculo del diámetro mínimo de la boca de salida (D): Si analizamos la Figura 8 podemos notar que es la representación conjunta de la función de flujo del material (FFM, la variación de la resistencia mecánica a la cizalla (f) de un material compactado a una determinada presión en función de esta variable) y la inversa del factor de flujo del sistema (1/ff).

Figura 8. Criterio de flujo. Fuente: (Amorós, Mallol, Sánchez, & García)

Se observa que en el punto de corte de ambas representaciones se cumple la condición de flujo s=f. Es decir, en este punto la tensión máxima de cizalla a la que está sometido el material (s), es igual a la resistencia mecánica (f). A esta tensión se le denomina tensión crítica (CAS) y su valor se utiliza para calcular el tamaño mínimo del orificio de salida del silo (Amorós, Mallol, Sánchez, & García). Para un silo cónico con abertura circular, el tamaño mínimo del orificio de salida (D) se calcula a partir de la expresión:

Diámetro del orificio de salida (m)

: Ángulo entre la vertical y la pared del silo en la zona de descarga (°)

CAS: Tensión crítica (Pa)

ρ: densidad del material (kg/m3)

Resulta importante anotar que muchas veces el producto que se debe almacenar tiene una funciónFFM que se encuentra por debajo del factor de flujo ff, de modo que se producen puentes y sin ayuda no es posible el flujo de masas. Existen numerosos tipos de ayudas para el flujo, entre los cuales podemos encontrar los que utilizan un alimentador y una tolva corta de flujo de masa para ampliar el canal de flujo de un depósito de flujo de embudo. Las tolvas vibratorias son ayudas para el flujo consideradas entre las más importantes y versátiles. Se utilizan para ampliar la abertura de los depósitos de almacenamiento y provocar el flujo al romper los puentes formados por el material. Existen dos tipos de tolvas vibratorias: el tipo giratorio, en el que la vibración se aplica perpendicularmente al canal de flujo, y el tipo de torbellino, que al proporcionar una elevación y una oscilación combinada al material, hace que se rompan los puentes que se forman (PERRY).

2.3 Balance en silos y tolvasSe considera el equilibrio de fuerzas que actúan sobre un elemento diferencial, dz, en un silo cilíndrico de lados rectos (Figura 9). En la situación estacionaria el líquido que rodea (aire) presiona de manera uniforme a las partículas sólidas en todo el silo.

Sin embargo, hay tensiones normales de compresión, Pv, que actúa sobre el área de la sección transversal, A, debido a la sobrecarga de material por encima del elemento de volumen. También hay

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teSu en o (5 n (4) don

L cuación 6 es int

−egrada

−con las c

(7)

bstituyd) e de A=

= − − (6)

e

=

tensiones de cizallamiento, TR, de la fase sólida que actúa sobre las paredes del silo. Podemos establecer una lista de los diferentes componentes que contribuyen a la fuerza en la dirección z:

- Tensión normal que actúa hacia abajo sobre la superficie en Z: Pv A

- Tensión normal que actúa hacia arriba sobre la superficie en Z+∆Z: -(Pv+dPv)A

- El esfuerzo cortante que actúa sobre las paredes del silo que actúan hacia arriba: -τR πD dz

- Fuerza de gravedad que actúa hacia abajo sobre el elemento diferencial: ρ0 Adzg

En el estado estacionario (no hay aceleraciones) la suma de las fuerzas debe ser igual a cero. Por lo tanto, el equilibrio de fuerzas se puede plantear así:

A (Pv) – A (Pv+ dPv)- τRπ Ddz + ρ0 Adzg=0 (1)

Que se reduce a:

– A (dPv)- τRπ Ddz + ρ0 Adzg=0 (2)

De la física podemos relacionar el esfuerzo cortante en la pared de la tensión normal lateral que actúa en la dirección radial en la pared, Pw , con el coeficiente de fricción , µ:

τR=µ Pw (3)

Substituyendo (3) en (2) tenemos:

– A (dPv)- µ Pw π Ddz + ρ0 Adzg=0 (4)

Que tiene ambos términos Pw y Pv

Se supone que la tensión normal vertical es proporcional a la tensión normal lateral donde:

Pw= KPv (5)

nemos:

a ondiciones de frontera Pv=0 y Z=0 para obtener:

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cen

sís

cr

Donde gc, es el factor de conversión constante de la gravedad para convertir el resultado en unidades de masa a unidades de fuerza. Esta última expresión es conocida como la ecuación de Janssen. Cuando trazamos la presión en el silo en función de la profundidad de la superficie libre del material granular en la parte superior tenemos una parcela, como se muestra en la Figura 10 (George).

La parte inferior del silo es la sección de la tolva convergente. La magnitud de la tensión en la sección convergente es proporcional a la distancia desde la tolva ápi (a omo una dependencia del ángulo). La tensió se e c ibe como:

= ( , ) (8)

2.4 Ejemplos de aplicaciónDe acuerdo al material consultado, podemos darnos cuenta que el uso de silos y tolvas de almacenamiento se puede evidenciar y extender a diversos sectores, en los cuales resultan ser indispensable y de una u otra su diseño apropiado facilita el desarrollo de los procesos implicados de manera satisfactoria. Entre dichos sectores podemos citar: productos químicos; minería y minerales; la biomasa, madera, papel; vidrio y cerámica; energía y electricidad; cemento; metales en polvo; alimentación y bebidas; farmacia y productos de consumo.

Productos químicos: La industria química proporciona los elementos básicos para las empresas de fabricación de pinturas, pigmentos, revestimientos, adhesivos, resinas, productos de consumo y alimentos. Esta industria sigue centrándose en el manejo de materiales a granel en silos, tolvas, canaletas y transportadores de transferencia, para maximizar la eficiencia, la capacidad de producción y el funcionamiento seguro. Podemos encontrar una gran cantidad de materiales a granel que se pueden manejar con éxito en la industria de productos químicos, entre los cuales podemos citar:

Materiales comúnmente empleadosNegro carbón Dióxido de

titanioCatalizadores Fosfatos Sulfatos Silicatos

Carbonatos Acetato de aluminio

Fluoruro de aluminio

Óxido de aluminio

Trióxido de antimonio

Trióxido de arsénico

Carbonato de bario

Cloruro de calcio

Nitrato de boro

Cal quemada

Carbón activado

Carbón en polvo

Óxido de cromo

Sal de Epsom

Carbonato de hierro

Acetato de sodio

Carburo de silicio

Cloruro estañoso

Tabla 2. Lista de materiales a granel que se manejan con éxito en la industria de productos químicos

Cabe resaltar que la lista representa solo una pequeña muestra de lo materiales que se pueden manejar con éxito.

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Minería y minerales: El consumo mundial de acero y aluminio en la electrónica ha incrementado significativamente la demanda de la minería de metales preciosos, metales básicos y materias primas minerales. Con el aumento de la demanda proviene la necesidad de manejo de materiales fiables en las industrias de minería y los minerales.Podemos encontrar una gran cantidad de materiales a granel que se pueden manejar con éxito en la industria de minería y minerales, entre estos (Tabla 3):

Figura 11. Silos de químicos al granel.

Alimentación: Durante la manipulación de las materias primas (harina, azúcar, sal), aditivos (bicarbonato de sodio, ácido cítrico, fosfatos), o productos acabados (cereales, bebidas en polvo seco), los fabricantes de alimentos a menudo se encuentran con el problema de la mala circulación. Estos problemas pueden conducir a alteraciones en el proceso. Los problemas de calidad del producto pueden ser provocados por el deterioro (es decir, el crecimiento microbiano) o apelmazamiento de polvo, ambos de los cuales son a menudo el resultado de un estancamiento de material en los contenedores de almacenamiento de alimentos.

La biomasa, madera y papel: La manipulación de la biomasa o los biocombustibles puede ser difícil debido al comportamiento de enclavamiento de las partículas alargadas y fibrosas. La mala circulación de biomasa en tolvas y equipos de almacenamiento es de rutina. La obstrucción de flujo de materiales dará lugar a ineficiencias en los procesos, las interrupciones de generación térmica y mayor mantenimiento de los equipos. Además, la consistencia de los biocombustibles puede variar drásticamente, lo que aumenta la complejidad de procesamiento y la necesidad de equipos especializados para la reducción de tamaño, cribado y secado. La selección

adecuada de los equipos de almacenamiento y la alimentación es fundamental para esta industria dada la gran cantidad de materiales que se manejan en una planta y la tendencia de los materiales a la putrefacción, despojo, y una combustión espontánea. Las explosiones por polvo son también comunes dado un fuerte potencial de ignición de los materiales.

Materiales comúnmente empleadosPiedra caliza Cal Bauxita Oro Platino

Níquel Plomo Zinc Carbón PlataMineral de hierro Trona mineral Alumina

refinadaCoque Mineral de

cobre

Tabla 3. Lista de materiales a granel que se manejan con éxito en la industria de minería.

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Vidrio y cerámica: Sabemos que los desperdicios de vidrio, en particular, pueden ser húmedos y a menudo se componen de partículas de gran tamaño, de forma irregular. Ambas de estas características puede conducir a que el flujo a través de los dispositivos de almacenamiento sea irregular. Es importante resaltar que la arena y el polvo de vidrio son altamente abrasivos y causarán desgaste de las tolvas del horno, sobre todo en la conexión de la tolva. Una falla en este punto podría tener consecuencias catastróficas. Muchas cerámicas también son altamente abrasivas dado su alúmina, sílice, y el contenido de óxido.

Figura 13. Tolvas resistentes a la abrasión para el manejo de carga de vidrio.

Cemento: La mayoría de las materias primas que se manejan en una planta de cemento son propensas a la mala circulación en silos de almacenamiento o tolvas. Estos problemas pueden conducir a perturbaciones en el proceso, el tiempo de inactividad y requieren la intervención del operador frecuente. Los materiales que se manejan son a menudo polvo, los cuales causan desgaste por abrasión de los equipos, y se adhieren en las canaletas y transportadores, todo lo cual contribuye a la reducción de la producción de cemento. La alimentación irregular y la amplia variabilidad de tamaño de partícula (segregación) tendrán como resultado el aumento de consumo de energía y las vibraciones en los molinos verticales de rodillos. Figura 14. Silos de almacenamiento de cemento.

3. Transportadores neumáticos

Una de las técnicas más importantes de manejo de materiales en la industria química es el desplazamiento de materiales suspendidos en una corriente de aire, sobre distancias horizontales y verticales que van de unos pocos a varios centenares de pies. Se pueden manejar materiales que van de polvos finos hasta gránulos de 6.35 mm y densidades de masa desde 16 hasta más de 3200 Kg/m3

(PERRY).

3.1 Proceso de transporte neumático

3.1.1 FluidizaciónEs el proceso que hace posible el transporte neumático; dependiendo del grado de fluidización que se logre con el material podemos tener diversos tipos de transporte, ya sea denso o diluido, el consumo de potencia y desgaste de los elementos del transportador están fuertemente asociados a éste concepto (Vega & Araque, 2009).

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3.2 Tipos de transporte neumático

3.2.1 Transporte en fase diluidaCasi cualquier material puede ser transportado de ésta forma, en general se trata de partículas totalmente suspendidas en el fluido de transporte, es decir, no existe acumulación en la zona inferior de la línea de transporte, se puede transportar de ésta forma en sistemas de presión, vacío o combinados. En general un material que puede ser transportado en fase densa, también lo hará en fase diluida y para ello generalmente se requiere solamente un aumento de la velocidad del gas.

Se requieren grandes volúmenes de aire; el arrastre producido mantiene el sólido en suspensión al interior de la corriente, el gasto energético es importante por la necesidad de un suministro continuo de gran cantidad de fluido.

Figura 15. Transporte en fase diluida. Fuente: (Vega & Araque, 2009)

3.2.2 Transporte en fase densaA menudo es llamado flujo no suspendido, como su nombre lo indica el material no está completamente suspendido en la corriente de aire. Se puede presentar de varias formas, como ondulaciones de material o como paquetes de material separados por una zona de aire, aunque existen muchos puntos intermedios en que se presentan combinaciones de ambas. En general, si en una tubería horizontal existe acumulación de material en la parte inferior o no se observa un transporte diluido homogéneo del material nos encontramos frente a un sistema de tipo denso.

Figura 16. Transporte en fase densa. Fuente: (Vega & Araque, 2009)

3.3 Clasificación de transportes neumáticosEn general, los transportadores neumáticos se clasifican según cinco tipos básicos: de presión, de vacío, de combinación de presión y vacío, de fluidización y de tanque ventilador.

Sistemas de presión: En los sistemas de presión, se deja caer el material en una corriente de aire mediante un alimentador giratorio de exclusas. La velocidad de la corriente mantiene al material a granel en suspensión hasta que llega al recipiente receptor, donde se separa del aire mediante un filtro o separador de ciclón. Figura 17(a)

Sistemas de vacío: Los sistemas de vacío se caracterizan por el desplazamiento de materiales en una corriente de aire de presión menor que la ambiental. Las ventajas de este tipo es que toda la energía de bombeo se usa para mover el producto y se puede absorber material en la línea del transportador sin necesidad de un alimentador giratorio o un sello similar entre el recipiente de almacenamiento y el transportador. El material permanece suspendido en la corriente de aire hasta que llega al receptor. Figura 17(b)

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Figura 17(a). Sistema de presión. Figura 17(b). Sistema de vacío.

1

Sistemas de presión vacío: Los sistemas de presión-vacío son una combinación de lo mejor de los métodos de presión y vacío. Se usa el vacío para inducir al material a entrar al transportador y desplazarse a una corta distancia hasta un separador. El aire pasa por un filtro al lado de succión de un ventilador de desplazamiento positivo. A continuación, se alimenta al material a la corriente de aire de presión positiva del transportador mediante un alimentador giratorio, que procede del lado de descarga del ventilador. Figura 17(c)

Sistemas de fluidización: Los sistemas de fluidización se pueden definir como la operación por la cual las partículas sólidas son transformadas en un estado “fluido” a través del contacto con un gas o líquido. Este método de contacto posee varias características inusuales, una correcta aplicación de los procesos de fluidización permite el aprovechamiento del comportamiento de los materiales para realizar su transporte u otro tipo de procesos industriales. Figura 17 (d)

Tanque ventilador: El tanque ventilador, en la actualidad se usa poco y funciona mediante la introducción de aire a presión en la parte superior de un recipiente a presión, que contiene carga de material. Si el material es de flujo libre, fluirá a través de una válvula al fondo de la cámara y se desplazará por una línea corta de transporte (PERRY). Figura 17(e)

Figura 17(c). Sistema de presión vacío.

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Figura 17(d). Sistema de fluidización. Figura 17(e). Tanque ventilador.

1

Figura 17. Clasificación de transportes neumáticos.

3.4 Diagrama de estadoUna de las maneras más sencillas de describir el funcionamiento de un sistema de transporte neumático es mediante el diagrama de estado. En él se grafica para un sistema en particular la caída de presión por unidad de largo de la cañería, ΔP/L, en función de la velocidad del gas de transporte, Ug, para curvas de flujo de sólidos constante, Ws, como parámetro.

La Figura 16 muestra esquemáticamente el diagrama de estado para materiales gruesos y finos. Claramente, la caída de presión depende de la velocidad del gas de transporte y del flujo de sólidos. En el caso de sistemas en fase diluida, la caída de presión aumenta al aumentar la velocidad del gas, característica típica de este tipo de sistemas. En cambio, en el caso de sistemas en fase densa, la caída de presión aumenta al disminuir la velocidad del gas debido a la mayor fricción de pared y menor área efectiva de la cañería. Existe una zona inestable entre ambos, y una zona baja la cual ya no es posible transportar un material (velocidad mínima de transporte) (Cabrejos, Jofré, & Rojas).

Figura 18. Diagrama de estado de un sistemas de transporte neumático para materiales gruesos y finos.

3.5 Diseño de sistemas de transporte neumáticoPara diseñar y/o seleccionar un sistema nuevo de transporte neumático y/o para comprobar si un sistema existente opera adecuadamente, el primer paso es determinar las características físicas y de fluidez del material a manejar. Además, la naturaleza del material a transportar es de vital importancia y puede limitar significativamente la elección de un sistema de transporte neumático. Es imprescindible conocer las siguientes propiedades:

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Tamaño de partículas: máximo, mínimo y la distribución granulométrica, Densidad y forma de las partículas, Fluidez del material y su permeabilidad, Otros: abrasividad, toxicidad, fragilidad, dureza, reactividad, compresibilidad, tendencia a

segregarse, efectos electrostáticos, etc.

El segundo paso es realizar ensayos de laboratorio en un sistema de transporte neumático “similar” para determinar experimentalmente parámetros tales como el tipo de flujo desarrollado en la cañería, la velocidad mínima de transporte del material, la relación de carga (µ) y la caída de presión (ΔP/L) en función de la velocidad de transporte (Ug). Con estos datos se podrá construir el diagrama de estado para determinar el punto óptimo de operación, seleccionar y dimensionar los componentes básicos que conforman el sistema, como se ilustra en la Figura 17.

.

Figura 19. Determinación del punto de operación de un sistema de transporte neumático en fase diluida.

Uno de los parámetros más importantes para el diseño y la operación eficiente de sistemas de transporte neumático en fase diluida es la correcta determinación de la velocidad de transporte para un material y sistema en particular. Este parámetro afecta además el tipo de flujo desarrollado en la cañería y la caída de presión.

Los sistemas de transporte neumático diseñados para operar a altas velocidades (flujo homogéneo) están sujetos a un alto consumo de energía, posible degradación y/o segregación del material, y desgaste excesivo de cañerías y codos, lo cual se puede traducir en una operación costosa y poco rentable. Por otro lado, sistemas diseñados para operar a bajas velocidades o elevados flujos de sólidos pueden sufrir la depositación de partículas sobre el fondo de la cañería, flujo errático de material, e incluso llegar a tapar o embancar la cañería, lo cual detiene completamente el sistema. Por lo tanto, cómo determinar la velocidad óptima de transporte es considerado uno de los pasos más importantes en el correcto dimensionamiento y operación de sistemas de transporte neumático.

Dos tipos de flujo se pueden distinguir claramente en sistemas de transporte neumático horizontales: flujo sobre la velocidad mínima de transporte y flujo bajo la velocidad mínima de transporte del material, como se mencionó anteriormente. En el primer caso, las partículas fluyen a alta velocidad, en suspensión y homogéneamente dispersas en la misma dirección que el aire (flujo homogéneo). En el segundo caso, algunas partículas se depositan en el fondo de la cañería, como se muestra esquemáticamente en la Figura 18 (Cabrejos, Jofré, & Rojas).

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ε = poro

= fuer

ance de momen

∗ = −n e

)eje

]X para el mate

∗ ∗rial:

− +

1

Figura 20. Flujos en cañerías horizontales: (a) sobre la velocidad mínima de transporte, (b) bajo la velocidad mínima de transporte.

3.6 BalancesA continuación se pretende dar una explicación matemática a los procesos de transporte neumático, el modelo no discrimina entre transporte en fase densa y fase diluida de una forma directa pero mediante el cambio de la relación másica del sólido y aire se puede obtener soluciones igualmente válidas para los dos tipos de transporte (Vega & Araque, 2009).

El desarrollo de modelo se basa en la utilización simultánea de ecuaciones de:

1) Balance de momentum2) Balance de masa3) Balance de energía

3.6.1 Balance de momentumLa Figura 19 presenta un diagrama de cuerpo libre para un diferencial de tubería que contiene una corriente de aire transportando partículas sólidas (mezcla). Las fuerzas se descomponen en los ejes X y Y, se hace el balance de momentum para el aire y sólido.

Diferencial de mezcla:

ρg = densidad del gas (aire)

ρs = densidad del sólido

sidad

za de empuje de la corriente de gas

1) Ecuación de bal tuum e l

[( − ∗ −Fuerza que actúa sobre el material por unidad de volumen.

Fuerza por unidad de volumen que afecta el flujo del material.

Componente del peso del material en el eje X por unidad de volumen.

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1

= fue

= a

nce de momen

∗ = −ut en

∗eje

) −para el

g

∗ ∗as:

− −= fuerza es tencia

∗q ofr

Donde

= facto

= diá

= veloci

= fue

n un tubo

∗ =de área transversa

= ̇̇ = flujo

∗a el material

∗ = = ∗ ∗= ∗ ̇̇̇

ac

s.

au

cel

X

de ris

=∗

rza de interacción entre el material y la pared o superficie de la tubería

eración de la gravedad

2) Ecuación de bala m

(ue ece la pared o tubería al flujo de gas

+r de fricción del gas

metro de la tubería

dad del gas

rza vibracional del material

3.6.2 Balance de masa para el gas e l constante

Donde másico de gas por unidad de área

3.6.3 Balance de masa par

donde µ=

3.6.4 Balance de energía para el gasConsideramos el proceso isotérmico y adiabáti o, la temperatura del fluido puede considerarse constante si las velocidades son menores 30 m/

+ ∗ =T= cte

Donde h= entalpía

Teniendo en cuenta que la velocidad del solido menta como una función de x al igual que la (gas), tenemos las siguientes relaciones:

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2

−− = ==

=

v

vel

= de

m/s)

)=

elocidad del gas en el estado de referencia (m/s)

ocidad del sólido en el estado de referencia

( nsidad del gas en el estado de referencia (kg/

presión del gas en el estado de referencia (Pa)

3.7 Ejemplos de aplicaciónPor lo general, cualquier material en polvo o granulado puede ser transportado neumáticamente. Entre los más usuales se encuentran: cemento, aluminas, bauxitas, asbestos, grafito, cuarso, sosas, óxido de zinc, óxido de magnesio, cenizas, madera troceada, caucho, plásticos, pigmentos, productos alimenticios, detergentes, etc. (GORCO S.A, pág. 3).

Ejemplo 1: (Instalación realizada por GORCO, S. A.)

Datos básicos de diseño

Producto: Astillas de madera, procedentes de una troceadora4, densidad 460 kg/m3.

Capacidad: 50 Tn/h

Breve descripción: Transporte neumático mixto a baja presión (Figura 20). Un ventilador5 aspira el aire de la troceadora, a través del ciclón separador6, y a la vez impulsa con ese mismo aire el material hacia la lejiadora. La dosificación se hace por medio de un tornillo sin-fin 7 y una válvula de descarga continua.

Distancias: 65m en horizontal y 20m en vertical.

Material: Chapa de acero.

Figura 22. Transporte neumático mixto a baja presión. Fuente: (GORCO S.A)

4 Desmenuza y pulveriza la madera.5 Generan altos caudales de fluido a baja presión.6 Utilizados para realizar la separación de material sólido que se encuentra suspendido en una corriente de gas.7 Introduce el material en la línea de transporte, puede variar la cantidad de material transportado.

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Ejemplo 2: (Instalación realizada por GORCO, S. A.)

Datos básicos de diseño

Producto: Óxido de magnesio, densidad aparente Tn/m3, abrasicidad relativa 1.08, tendencia al abovedamiento, fácilmente fluidificable.

Capacidad: 6000 Kg/h

Breve descripción: Transporte neumático mixto a alta presión (Figura 21), en impulsión. Aire proveniente de compresor a 6 Kg/cm2. Producto proveniente de redler8. Entrega a 4 silos con las correspondientes válvulas devertoras. Instalación completa enteramente automática incluyendo tolva de carga, transportador, tuberías, separadores (filtros de mangas9), armario de mando e instalación eléctrica.

Distancias: 30m en horizontal y 25m en vertical, 2 codos.

Material: Chapa de acero.

Figura 23. Transporte neumático mixto a alta presión. Fuente: (GORCO S.A)

8 Cadenas de acero forjado para transportes y elevadores de materiales a granel.9 Es un dispositivo de separación de partículas sólidas en suspensión de una corriente sólida.

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4. Conclusiones

A partir del trabajo realizado, podemos concluir que los silos, tolvas y sistemas de transporte neumático, son indispensables en la industria, ya que por medio de ellos se logra el almacenamiento y el desplazamiento de materiales, en este caso, en una corriente de aire. Además que las tolvas y silos se caracterizan por flujos de masa y flujos de embudo, en el primero todos los materiales en el recipiente se desplazan cuando se retira un aparte y en el de embudo o agujero de rata cuando se retira cualquier cantidad de material. Un buen diseño de un silo depende del ángulo máximo que forma las paredes del silo con la vertical en la zona de descarga, y el tamaño mínimo de la boca de salida. El transporte neumático de los materiales pueden ser en fase densa o diluida, en el cual el consumo de potencia y desgaste de los elementos del transportador están fuertemente asociados a éstos, de manera de que un buen análisis de la naturaleza del material a transportar, características físicas y de fluidez del material, es la base de la construcción de un excelente sistema de transporte neumático.

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5. Bibliografía

Amorós, J. L., Mallol, G., Sánchez, E., & García, J. (s.f.). Diseño de silos y tolvas para el almacenamiento de materiales pulverulentos. Problemas asociados a la operación de descarga. Castellano, España: Instituto de Tecnología Cerámica (ITC). Asociación de Investigación de las Industrias Cerámicas (AICE).

Cabrejos, F., Jofré, M., & Rojas, J. (s.f.). Transporte neumático de materiales sólidos a Granel. Universidad técnica Federico Santa Maria.

CISTEMA-SURATEP S.A. (13 de 05 de 2004). Obtenido de Almacenamiento en silos : http://www.arlsura.com/cistema/articulos/267/seguridad_en_silos.pdf

George, G. (s.f.). Solids notes 10. Akron: The university of Akron.

GORCO S.A. (s.f.). Algunos tipos de aplicaciones . Transporte neumático. G-5.

PERRY, R. H. (s.f.). Biblioteca del Ingeniero Químico Quinta edición. McGraw-Hill.

Vega, J. P., & Araque, C. E. (2009). Diseño y construcción de sistema de transporte neumático mixto de dos etapas para cereales. Bucaramanga: Universidad industrial de Santander.

W. Jenike, A. (1961). Flujo de Gravedad de Sólidos a Granel . Boletín de la Universidad de Utah, Número 29, Volumen 52, 309.