Impacto de la partícula

1 de agosto de 2023 | Por Eric Maynard y McKinnon Ray, Jenike y Johanson

La trituración y el cribado de sólidos son esenciales para muchos procesos de manipulación de sólidos, pero los ingenieros deben tener en cuenta cómo esas acciones afectarán el comportamiento del flujo del material a granel.

Cuando se trata de procesar sólidos a granel, el tamaño (de las partículas) importa. Casi todas las industrias dependen de algún tipo de control del tamaño de las partículas dentro de sus procesos, ya sea trituración (reducción del tamaño de las partículas mediante trituración, molienda o molienda) o cribado (separación de materiales según el tamaño de las partículas). Por ejemplo, sin triturar el material extraído, sería imposible extraer minerales valiosos de las rocas circundantes. Y en la industria alimentaria se utiliza habitualmente un cribado eficaz para separar materiales extraños y contaminantes durante el procesamiento de alimentos. Sin embargo, la trituración y el cribado pueden tener consecuencias no deseadas, como provocar alteraciones en el proceso en los equipos posteriores y crear posibles problemas de seguridad. La buena noticia es que existen enfoques científicos para evaluar estos riesgos y existen enfoques para prevenir un flujo deficiente del proceso como resultado del control del tamaño de las partículas aguas arriba. Este artículo aborda los antecedentes de la conminución y el cribado, cómo ambos pueden afectar los procesos y cómo evaluar los riesgos de fluidez.

En términos generales, la trituración se define como el acto de reducir el tamaño medio de partículas de un material por medios mecánicos. Sirve como un paso crítico del proceso en muchas industrias, incluidas las industrias minera, farmacéutica y alimentaria. En general, la trituración se puede dividir en cinco métodos: voladura, trituración, trituración, molienda y molienda. La voladura se realiza comúnmente para reducir el tamaño de grandes rocas y, de todos los métodos de trituración, normalmente se usa solo para las partículas más grandes. La voladura también se diferencia de los otros cuatro métodos en que normalmente ocurre al aire libre, en lugar de dentro del equipo de procesamiento. La trituración generalmente implica tomar materiales grandes y fibrosos (como biomasa, desechos reciclados y otros) y cortarlos en pedazos más pequeños. La molienda implica picar o “pulir” un solo material para crear partículas más pequeñas.

La trituración se puede realizar mediante tres mecanismos: compresión, cizallamiento e impacto [1, 2]. La compresión se utiliza normalmente para partículas duras y quebradizas y normalmente no da como resultado una generación significativa de finos. La trituración con cizalla es similar a la trituración, excepto que está diseñada para manipular polvos y materiales a granel pegajosos y cohesivos. Este método puede conducir a formas anisotrópicas. La reducción de tamaño por impacto es eficaz para partículas duras y resistentes y puede conducir a una reducción de tamaño 100 veces menor. Sin embargo, el aplastamiento por impacto podría provocar la rotura del material. El fresado normalmente maneja la reducción de tamaño a través de un cuarto mecanismo: el desgaste. Los molinos de desgaste se utilizan comúnmente como un paso terciario de reducción de tamaño y normalmente toman más tiempo que los tres mecanismos descritos anteriormente. En la Figura 1 se ilustran ejemplos de cada uno de estos mecanismos.

FIGURA 1: Se encuentran disponibles varias tecnologías diferentes de reducción del tamaño de partículas para materiales sólidos a granel.

La detección es otro paso de procesamiento clave que se encuentra en casi todas las industrias. El cribado es un proceso mecánico utilizado en el manejo de materiales para separar o clasificar partículas en diferentes tamaños. Un cribado adecuado es fundamental para cumplir con las especificaciones del material, eliminar materiales extraños y, en determinadas aplicaciones, incluso puede mejorar la fluidez del material. Al igual que la trituración, existen varios tipos de métodos de cribado y cada uno tiene sus propias ventajas y desventajas. Por ejemplo, las cribas vibratorias (Figura 2) son excelentes para separar materiales de gran tamaño y de tamaño insuficiente (a veces denominados “descalzado”) y generalmente tienen una mayor capacidad que otras cribas. Una sola criba vibratoria puede tener varias plataformas para permitir una separación adicional de material. Las cribas giratorias (Figura 3) son como cribas vibratorias, excepto que utilizan un movimiento de rotación para separar materiales y pueden utilizarse para clasificar materiales. El cribado centrífugo es un método de cribado más agresivo que utiliza paletas giratorias para permitir una alta eficiencia de cribado en un espacio reducido. El cribado por volteo es una forma más suave de cribado que combina movimiento vertical y giratorio en una huella grande y es común en las industrias de biomasa (Figura 4).

FIGURA 2. Las cribas vibratorias, como la que se muestra aquí, son efectivas para separar material de tamaño excesivo o insuficiente de una muestra sólida.

FIGURA 3. Un tamiz giratorio, como el que se muestra en el diagrama esquemático, utiliza un movimiento de rotación para separar materiales sólidos de diferentes tamaños de partículas.

FIGURA 4. Esta fotografía muestra una criba de tambor, que es común en las industrias de biomasa.

La trituración y el cribado son dos etapas cruciales en el procesamiento de materiales en diversas industrias. Sin embargo, una ejecución inadecuada puede tener efectos adversos importantes en las operaciones de la planta. Estos efectos pueden incluir una reducción del rendimiento, un aumento del tiempo de inactividad, una calidad del producto comprometida y problemas de seguridad. Para evaluar el impacto de estos efectos, podemos clasificarlos en tres áreas distintas: fluidez, proceso y seguridad.

Efectos de fluidez. En el diseño y selección de equipos de trituración y cribado, las consideraciones sobre la fluidez de los sólidos a menudo pasan a un segundo plano frente a otros parámetros, como la eficiencia de reducción, el rendimiento, la eficiencia del cribado, los costos de capital y operativos, así como la huella del equipo. Sin embargo, esto puede ser un error crítico, porque la trituración y el cribado pueden tener impactos drásticos en la fluidez de los sólidos y polvos a granel, debido a una mayor generación de finos, separación de material, cambios en la forma de las partículas y más. Estos cambios pueden provocar condiciones de flujo bajo o nulo y problemas de calidad del material. A menudo, estos problemas se encuentran en los equipos inmediatamente después de las operaciones de trituración y cribado, comúnmente en contenedores, tolvas y conductos de transferencia. Algunos de los problemas comunes de flujo de sólidos incluyen los siguientes:

Puente cohesivo. Esta es una condición de "falta de flujo" en la que el material forma un arco estable sobre las salidas del contenedor, debido a que el material se adhiere a sí mismo. Una sensación similar, la de obstrucción, puede provocar interrupciones completas del flujo en los conductos (Figura 5a).

FIGURA 5. Los puentes cohesivos (a) y los agujeros (b) son dos condiciones comunes de falta de flujo que pueden ocurrir aguas abajo del equipo de cribado.

Enclavamiento mecánico. Esta es una condición de "ausencia de flujo" en la que el material forma un arco estable sobre las salidas del contenedor, debido a la capacidad de los materiales anisotrópicos gruesos de entrelazarse y formar fuertes puentes físicos.

Ratholing. Esta es una condición de "falta de flujo" en la que se forma un canal abierto y estable sobre la salida y el material estancado fuera del canal no se vacía (Figura 5b).

Construir. Esta es una condición en la que se permite que el material se acumule dentro de los contenedores y conductos (Figura 6).

FIGURA 6. El material fino puede ser un problema si se acumula en el interior de los contenedores y conductos.

Tasa de descarga limitada. Esta es una condición de "flujo insuficiente" cuando las interacciones entre el material fino y el aire restringen la tasa de descarga de sólidos.

Inundación. Esta es una condición en la que las interacciones entre el material fino y el aire pueden hacer que el material sólido se comporte como un líquido, lo que hace que el material abrume los equipos aguas abajo (Figura 7).

FIGURA 7. La inundación de sólidos ocurre cuando el material fino interactúa con el aire de tal manera que los sólidos se comportan como un líquido.

Segregación. Esta es una condición en la que el material puede segregarse basándose en varios mecanismos diferentes. En aplicaciones de trituración y cribado, esto puede provocar una reducción de la eficiencia (Figura 8).

FIGURA 8. La segregación de partículas finas y gruesas puede ocurrir en el tamiz giratorio

Apelmazamiento. Esta es una condición en la que el material estancado puede aglomerarse en grumos, lo que podría causar interrupciones del flujo. El riesgo de que esto ocurra aumenta cuando se manipulan materiales higroscópicos (Figura 9).

FIGURA 9. El material que se muestra aquí es trigo fino que muestra un comportamiento de apelmazamiento.

Generación de polvo. Se trata de un mecanismo mediante el cual la liberación adicional de partículas finas puede provocar una sobrecarga del equipo de recogida de polvo.

Los efectos de la trituración y el cribado suelen estar determinados por la cantidad y distribución del tamaño de las partículas después del paso de dimensionamiento. Si una operación de trituración da como resultado una distribución más amplia del tamaño de las partículas, puede ocurrir una segregación de partículas, lo que puede influir en la calidad y la fluidez del producto. Por otro lado, si una operación de trituración conduce a una distribución estrecha del tamaño de las partículas, puede ocurrir un entrelazamiento mecánico de partículas de tamaño similar, lo que puede resultar en obstrucciones del flujo, así como en el cegamiento de la pantalla.

Un ejemplo de la industria del cemento puede ayudar a ilustrar los conceptos. La piedra caliza es un ingrediente fundamental en la fabricación de cemento y normalmente constituye aproximadamente el 80% de la composición química del cemento. En la cantera de piedra caliza se realizan voladuras para extraer piedra caliza. Después de la voladura, la roca caliza de gran tamaño se introduce en una operación de trituración primaria, a menudo una trituradora giratoria. Después de la trituración primaria, la piedra caliza a menudo se transporta mediante una cinta transportadora a una pila de almacenamiento primaria. Debido a que la piedra caliza ha sufrido una reducción de tamaño significativa, una gran parte de la piedra caliza ahora está bien. La piedra caliza fina puede ser más cohesiva que la roca caliza original y, por lo tanto, más propensa a formar puentes, lo que puede limitar el caudal de salida de la pila. También puede ocurrir ratholing dentro de estas reservas, y esto puede reducir significativamente la capacidad viva de la reserva (a menudo hasta en un 90%).

Los puentes y las ratas no son los únicos efectos secundarios negativos que pueden ocurrir en este ejemplo. Puede ocurrir segregación de piedra caliza fina y gruesa, lo que no sólo intensificará los puentes cohesivos y la formación de ratas, sino que también puede conducir a “babosas” separadas de piedra caliza fina y gruesa aguas abajo. Si se descarga una gran cantidad de material fino de la pila de almacenamiento, se puede formar polvo, lo que provoca derrames de material, sobrecarga del equipo de recolección de polvo y uso ineficiente del equipo de trituración, lo que puede reducir la vida útil del equipo. Del mismo modo, si se envía un trozo de piedra caliza gruesa aguas abajo, puede bloquearse mecánicamente en las salidas de la tolva, creando condiciones de "falta de flujo", reduciendo la eficiencia de trituración y cegando el equipo de cribado.

Efectos del proceso. Los efectos secundarios negativos de la fluidez no son la única preocupación por una reducción inadecuada del tamaño de las partículas. Una trituración inadecuada puede tener un impacto directo en la calidad del producto y puede provocar un reprocesamiento o un aumento del producto de desecho. La trituración también puede reducir la integridad del material, lo que genera un material "más débil", lo que resulta en partículas menos estables. Los procesos que incluyen reacciones químicas pueden verse afectados negativamente porque el tamaño de las partículas puede tener un impacto directo en el tiempo y la eficiencia de la reacción. Lo mismo puede decirse de los procesos de secado, en los que una trituración fallida puede provocar que el material se seque demasiado o mal. El cribado ineficiente tiene un impacto directo en la calidad del producto y podría permitir que materiales extraños entren en el flujo de materiales.

Efectos de seguridad. Como le dirá cualquiera que esté involucrado en la industria manufacturera, la seguridad es la prioridad número uno. La trituración y el cribado pueden tener enormes impactos en la seguridad. Obviamente, el enredo de las máquinas es una preocupación importante en el diseño de aplicaciones de trituración y cribado. Pero los posibles riesgos para la seguridad no terminan ahí. Para los materiales que son explosivos, los riesgos de explosividad del polvo pueden aumentar drásticamente si la trituración conduce a una mayor generación de polvo. Según un estudio realizado por la Junta de Seguridad Química de EE. UU. (CSB; Washington, DC; www.csb.gov), las explosiones de polvo suponen un importante peligro para la seguridad, provocando 718 lesiones y 119 muertes en EE. UU. entre 1980 y 2005 [3] . Además, una mayor generación de polvo puede aumentar la exposición humana a peligros respiratorios químicos y tóxicos.

Afortunadamente, los riesgos de fluidez, proceso y seguridad pueden y deben identificarse antes de seleccionar equipos de trituración y cribado. La evaluación de estos riesgos se puede dividir en tres pasos:

1. Evaluar las propiedades físicas, químicas y de flujo del material.

2. Realizar una revisión de fluidez y reducción de tamaño.

3. Realizar evaluaciones preliminares de seguridad.

La caracterización del material es primordial no sólo en la selección de equipos de cribado y reducción de tamaño, sino también en el diseño de todos los equipos de manipulación de sólidos. Así como es imperativo que un mecánico de automóviles realice pruebas de diagnóstico para comprender cómo funcionan juntos el motor y la transmisión de un automóvil antes de comenzar los trabajos de reparación, es fundamental evaluar completamente el material que se tritura o criba antes de seleccionar el equipo de trituración y cribado. A diferencia de los líquidos y gases, no encontrará datos críticos sobre las propiedades del flujo de sólidos en libros de texto o manuales. Más bien, se deben realizar pruebas de propiedad de flujo para establecer criterios de diseño. Las propiedades de flujo comunes evaluadas incluyen las siguientes:

• Fuerza cohesiva: se utiliza para determinar el tamaño de salida de la tolva para evitar que se formen arcos cohesivos y agujeros de rata, así como taponamiento, potencial de apelmazamiento y acumulación.

• Fricción de pared: se utiliza para evaluar el flujo de sólidos a lo largo de las superficies interiores de las tolvas, conductos de transferencia y cribas. Comúnmente utilizado para determinar ángulos críticos de tolva para evitar el patrón de flujo en embudo.

• Compresibilidad: se utiliza para establecer la relación entre la presión de consolidación y la densidad aparente.

Las propiedades de flujo no son las únicas características necesarias antes de seleccionar equipos de trituración, cribado y otros equipos de manipulación de sólidos. Como se mencionó anteriormente, la mayoría de los polvos son explosivos y, si las condiciones coinciden, podrían provocar incendios, deflagraciones y explosiones. Las pruebas de polvo combustible son fundamentales para evaluar si un material puede formar polvo combustible en la concentración necesaria y, de ser así, qué tan grave podría ser la explosión. Además, en esta fase se deben establecer los riesgos de toxicidad.

Una vez que el material esté adecuadamente caracterizado, se deben evaluar los equipos de trituración y cribado. Volviendo una vez más al ejemplo anterior de la industria del cemento, consideremos una piedra caliza cohesiva y muy húmeda. Recuerde de ese ejemplo que las trituradoras giratorias se utilizan a menudo en la trituración primaria. Esto es muy eficaz para reducir grandes rocas de piedra caliza y podría conducir a una reducción de tamaño de 6:1 dentro de la roca. Sin embargo, si la piedra caliza tiene una concentración significativa de arcilla, se puede obstruir la trituradora giratoria, lo que limita gravemente el rendimiento. Quizás en esta aplicación tenga más sentido utilizar una trituradora de cizalla, que es más adecuada para manipular materiales pegajosos y cohesivos. Asimismo, el conducto de transferencia que sigue a la trituradora debe diseñarse para evitar la acumulación, obstrucción y polvo de partículas finas de piedra caliza. El mismo concepto se aplica a todos los equipos posteriores, incluidos cribadores, silos, recolectores de polvo y alimentadores. Realizar una revisión adecuada de la "fluidez" de todo el sistema antes de que entre en línea puede reducir el tiempo de inactividad, mejorar la calidad del producto y generar ahorros significativos en los costos operativos.

Una vez que se selecciona el equipo y los diagramas de flujo del proceso comienzan a tomar forma, se lleva a cabo el paso más importante. Diseñar procesos seguros es primordial y se deben realizar evaluaciones finales de seguridad antes de poner en servicio cualquier equipo de trituración o cribado. De hecho, la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA; Washington, DC; www.osha.gov) recomienda comenzar con un análisis de riesgos de proceso (PHA) para identificar, evaluar y desarrollar esquemas de control para materiales altamente peligrosos [4]. Asimismo, se debe realizar un análisis de riesgos de polvo (DHA) para evaluar los posibles riesgos de incendio, deflagración y explosión, antes de que el equipo entre en funcionamiento. De hecho, la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) exige DHA para muchas industrias, incluidas las químicas, el procesamiento de alimentos y la carpintería [5]. Los PHA y DHA deben ser realizados por profesionales calificados que tengan conocimientos en seguridad industrial y peligros específicos asociados con los materiales que se manipulan.

En la mayoría de las industrias que manipulan sólidos, las operaciones de trituración y cribado son cruciales. Hay varios métodos y tecnologías disponibles para la trituración y elegir el adecuado puede afectar significativamente la eficiencia del uso de energía, la calidad del producto y la vida útil del equipo. De manera similar, los métodos de detección también pueden tener muchos de los mismos impactos significativos. Ambas operaciones pueden tener consecuencias no deseadas que pueden aumentar el riesgo de interrupciones del flujo, tiempo de inactividad y riesgos para la seguridad. Sin embargo, al evaluar las propiedades físicas, químicas y de flujo de los materiales, realizar una revisión exhaustiva del procesamiento de flujo y realizar PHA y DHA cuando sea necesario, es posible mitigar estos riesgos antes de implementar procesos de trituración y cribado y antes de comprar equipos. Seguir estos pasos garantizará que las nuevas operaciones funcionen de forma correcta y segura desde el principio.

Editado por Scott Jenkins.

Nota del editor: todas las fotografías y diagramas de este artículo son cortesía de Jenike & Johanson

1. Maynard, Eric. Fundamentos de la selección de trituradoras. Cemento Mundial, marzo de 2010.

2. Maynard, E. (Presentador) y Cronin, K. (Moderador). ¡Descomponerlo! Cómo elegir eficazmente equipos de reducción de tamaño [seminario web]. Polvos y sólidos a granel por Informa Markets, 15 de febrero de 2023.

3. Seguridad del polvo combustible. Junta de Seguridad Química (CSB). www.csb.gov/recommendations/mostwanted/combustibledust/

4. Administración de Seguridad y Salud en el Trabajo. Gestión de la seguridad de procesos: Peligros. Obtenido el 3 de mayo de 2023 de www.osha.gov/process-safety-management/hazards

5. NFPA 652, “Norma para los fundamentos del polvo combustible”, 2016 ed.

Eric Maynard es vicepresidente de Jenike & Johanson (400 Business Park Drive, Tyngsboro, MA 01879; correo electrónico: [email protected]; teléfono: sitio web: www.jenike.com), una firma consultora de ingeniería de renombre mundial que se especializa en almacenamiento, flujo y procesamiento de polvos y sólidos a granel. Durante sus 27 años en Jenike & Johanson, ha diseñado sistemas de manipulación de sólidos a granel, incluidos mineral de hierro, cemento, carbón, piedra caliza, polvo plástico, fertilizantes, productos alimenticios y productos farmacéuticos. Ha adquirido una valiosa experiencia práctica al trabajar en más de 750 proyectos de manipulación de sólidos y transporte neumático, y se especializa en las industrias del cemento y la minería, ayudando a los clientes a manejar de manera confiable sólidos a granel desafiantes que son pegajosos, abrasivos y propensos a segregarse. Maynard tiene conocimientos especializados en las áreas de explosiones de polvo, generación de electricidad estática y tecnologías de trituración. El conocimiento práctico de Maynard de las normas de la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) para el manejo seguro de polvos combustibles le ayuda a brindar valiosos consejos a sus clientes para garantizar el manejo seguro de materiales propensos a explosiones o incendios. Forma parte de los comités de la NFPA para las normas 660, 652, 654, 655 y 91. Su experiencia también incluye el diseño de nuevos sistemas de transporte neumático y sistemas de resolución de problemas que funcionan mal y experimentan problemas costosos con desgaste abrasivo, bloqueos de líneas, limitaciones de rendimiento y partículas. desgaste. Maynard es autor de más de 50 artículos técnicos y es el instructor principal de la compañía para la capacitación sobre almacenamiento, flujo y transporte neumático de sólidos a granel presentada a través de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) y el Instituto Estadounidense de Ingenieros Químicos (AIChE). Otras áreas temáticas de especialización incluyen el diseño de acopios y alimentadores, mezclado/combinación, segregación de partículas, muestreo y apelmazamiento/aglomeración de materiales a granel. Maynard presenta con frecuencia cursos personalizados en empresas individuales y en numerosas conferencias. Maynard recibió una licenciatura en ingeniería mecánica de la Universidad de Villanova y una maestría en ingeniería mecánica del Instituto Politécnico de Worcester.

Ray McKinnon es ingeniero de proyectos en Jenike & Johanson (misma dirección; correo electrónico: [correo electrónico protegido]) y se especializa en el diseño de contenedores de almacenamiento, pilas de almacenamiento, conductos de transferencia y equipos de transporte para polvos complicados y sólidos a granel. Durante sus cuatro años en la firma, trabajó en proyectos en varias industrias, incluidas cemento, minería, alimentos y bebidas, agricultura, productos químicos y más. Además del trabajo de diseño, tiene experiencia en pruebas de propiedades de flujo y características de transporte neumático. Antes de Jenike & Johanson, Ray trabajó en Anheuser-Busch en los departamentos de operaciones y logística. McKinnon tiene un título en ingeniería química de la Universidad Estatal de Mississippi.