ARTICULOS DE CASOS
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Movimiento de materiales difíciles de manejar mediante transportadores de tornillo flexible
Los sistemas de transportadores de tornillo flexible están diseñados para transportar materiales a granel que tienden a apiñarse, incrustarse, embarrarse, separarse o fluidizarse, además de que pueden evitar la separación de productos mezclados.Los transportadores de tornillo flexible (Figura 1) son ideales para la mayoría de los materiales a granel, desde sub-micras de polvos hasta gránulos grandes, tanto de flujo libre como de flujo difícil. Son capaces de transportar materiales a granel en cualquier ángulo — sobre obstrucciones o debajo de las mismas y a través de orificios pequeños en paredes o techos. Entre sus ventajas figuran su construcción simple, mínimos requisitos de espacio, confiabilidad de operación y mayor economía. Aunque métodos de transporte alternativos puedan ser preferibles debido a los parámetros de aplicación de un proyecto, este artículo se limita específicamente a un análisis de los transportadores de tornillo flexible en relación con materiales que representan un problema para efectos de transporte.
Ingeniería aplicable a materiales difíciles de transportar
Al momento de diseñar un transportador de tornillo flexible para materiales difíciles de manejar, es necesario establecer las características físicas, las propiedades de flujo, la temperatura, el contenido de humedad, los peligros inherentes y el grado de degradación permisible del material, así como la fuente y el destino del material, la velocidad de transporte, la distancia, los requisitos de limpieza, la distribución de la planta y la economía. La experiencia dicta que los transportadores de tornillo flexible son adecuados para:
- Materiales cohesivos
- Partículas ultrafinas
- Materiales frágiles o friables
- Materiales abrasivos
- Materiales que se fluidizan
- Productos mezclados de diversos tamaños de partículas y propiedades del material a granel
Una advertencia para el ingeniero de la planta: las características de flujo de un material a granel transportado en circunstancias únicas no siempre pueden predecirse con exactitud suficiente a fin de garantizar el rendimiento exitoso; en estos casos, reviste suma importancia la simulación de las condiciones de la planta en un transportador de tamaño completo dentro de una instalación de prueba usando el material real del comprador.
El flujo eficiente de un material a granel por medio de un sistema de transporte de material a granel tiene lugar generalmente en función de las propiedades físicas del material, pero pueden afectarlo factores externos como humedad del ambiente y niveles de temperatura, así como el diseño del equipo donde está contenido. Aunque ciertos parámetros del material, como "ángulo de reposo", pueden determinarse mediante la evaluación de una muestra del material en un laboratorio, estas pruebas de condiciones controladas no predicen necesariamente el comportamiento del flujo en sistemas de producción a gran escala. Cuando se manejan enormes volúmenes de materiales bajo diversas condiciones, la capacidad de flujo del material a granel no puede determinarse por completo solamente por las características físicas, como densidad a granel, tamaño y forma de partículas, capacidad de compresión o resistencia cohesiva.
Por lo tanto, al momento de diseñar un transportador de tornillo flexible, el ingeniero debe considerar no sólo las propiedades físicas y las características de flujo del material, sino también la manera en que estas características sufrirán efectos por las condiciones reales en la planta y el diseño de los equipos:
- ¿El material es de flujo libre, semi-libre o de flujo difícil? — ¿el equipo se ha diseñado con los dispositivos de promoción de flujo y la geometría de tolvas adecuados?
- ¿Es higroscópico y cuánta humedad es probable que haya en el ambiente de la planta?
- ¿Tiende a apiñarse, incrustarse y embarrarse?
- ¿Las partículas se entrelazan o se enredan?
- ¿El producto es degradable o rompible de tal manera que su uso o valor se vean perjudicados?
- ¿Es abrasivo?
- ¿Es una mezcla de diversos tipos y tamaños de partículas que deben permanecer homogéneos durante el transporte?
- ¿Forma puentes o domos en los recipientes de almacenamiento o es proclive a la formación de "cavernas"?
- ¿Tiende a airearse o fluidizarse cuando se maneja?
Con las respuestas a estas preguntas prácticas, además de pruebas en un sistema de tamaño normal, si se requieren, entonces puede predecirse el rendimiento de un sistema de transporte para efectos de un material a granel específico en el entorno único de una planta.
Geometría del tornillo
La geometría del tornillo flexible es esencial para fines del rendimiento. Los tornillos varían desde cables redondos que generan fuerzas radiales relativamente elevadas hasta tornillos planos que crean una fuerza direccional comparativamente mayor (Figura 2). Esta diferencia en la manera en que las fuerzas están distribuidas dentro del transportador permite que el rendimiento del sistema se optimice con base en las propiedades de un material determinado. Por ejemplo, debido a una fuerza direccional más grande, un diseño plano se adapta mejor que un diseño redondo para polvos más ligeros que tienden a fluidizarse. De igual manera, se encuentran disponibles variantes de estas dos geometrías básicas de tornillos. Por ejemplo, los tornillos planos con bordes externos biselados disponibles en una variedad de diseños personalizados y exclusivos, distribuyen las fuerzas dentro del transportador de modo ligeramente diferente que un diseño no biselado. Esta variante permite una transferencia eficiente de materiales que provocan problemas con otros diseños. Otra variante empleada en ocasiones con materiales a granel de alta densidad es una versión de trabajo pesado de uno de los tipos de tornillos básicos. Los materiales de construcción y los niveles de acabado son específicos para la aplicación, con tornillos de acero para muelles o acero inoxidable y tubos de acero inoxidable o de polímero.
Equipos y sistemas
Los transportadores de tornillo flexible se integran frecuentemente en sistemas con accesorios para alimentación y descarga de materiales a granel. Pueden incluirse descargadores de supersacos o estaciones manualede supersacos con recoleccións de polvo neumática; alimentadores de tolvas con o sin dispositivos de promoción de flujo como vibradores neumáticos o agitadores mecánicos; sistemas de procesamiento por lotes con pesaje para efectos de un control preciso de la dosificación; equipos de descarga como llenadores de supersacos; y sistemas de control.
El diseño del alimentador de tolvas es fundamental al momento de especificar un sistema de transporte de materiales con productos de bajo flujo ya que la capacidad de rendimiento de cualquier transportador está limitada a la velocidad a la cual fluirá el material al área de recolección del transportador. La tensión de cortadura creada por fuerzas gravitacionales y dispositivos de promoción de flujo debe ser suficiente para superar las fuerzas cohesivas estáticas entre las partículas sólidas. De no ser así, algunas partículas en el recipiente permanecerán estacionarias y el resultado será la formación de "cavernas" o "puentes" (Figura 3). La restricción resultante de flujo puede limitar los procesos de flujo descendente debido a la alimentación insuficiente u ocasionar inundación del contenedor si el material entra más rápido de lo que puede salir.
Los problemas ocasionados por la formación de cavernas incluyen pérdida de la capacidad de compensación efectiva en el alimentador de tolvas, menor rendimiento del sistema y tiempo adicional requerido por un operador si el producto estático necesita limpiarse manualmente fuera de la tolva. El principal problema provocado por la formación de puentes (también conocida como formación de arcos o domos) es que una vez que se forma el puente, el flujo del material se detiene esencialmente, lo que exige un paro del proceso mientras se retira el material.
Los alimentadores de tolvas para materiales que pueden formar cavernas o puentes deben diseñarse con la geometría correcta y paredes con el suficiente declive para promover el flujo, además pueden incorporarse dispositivos como vibradores o fluidizadores de aire para desalojar el material de las paredes de las tolvas o agitadores mecánicos para promover el flujo.
Materiales cohesivos
La adhesión, el apiñado, la incrustación y la embarradura son resultado del atascamiento de partículas, el cual puede ser ocasionado por reacciones químicas, derretimiento parcial, endurecimiento de la ligadura o cristalización de sustancias disueltas; adhesión o cohesión de partículas conjuntadas por deformación mecánica; fuerzas de atracción electrostáticas o magnéticas; fuerzas de entrelazamiento resultantes de formas irregulares de partículas; o contenido de humedad, aceite o grasa.
La humedad resulta particularmente problemática en materiales higroscópicos como cloruro de magnesio. Puesto que el agua es absorbida por la atmósfera circundante, los materiales de flujo relativamente libre pueden empezar a aglomerarse. En casos extremos, grandes volúmenes de estos tipos de materiales se solidifican, formando grandes masas de material que pueden impedir el flujo o inmovilizar componentes móviles de los equipos. Puesto que los transportadores de tornillo flexible están completamente cerrados, es posible mantener los niveles de temperatura y humedad del producto. Los equipos de flujos ascendentes y descendentes como llenadores de supersacos, descargadores de supersacos, alimentadores de tolvas, cribas, mezcladoras y recipientes de descarga también pueden diseñarse para que sean herméticos al aire.
Aunado a lo anterior, los materiales con alto contenido de grasa como mezclas de pasteles, fluyen generalmente de manera difícil, al igual que materiales como óxido de zinc y dióxido de titanio, los cuales son cohesivos y compresibles por naturaleza, lo que los convierte en buenos candidatos para transportadores de tornillo flexible.
Un ejemplo de la industria de pinturas y recubrimientos demuestra el diseño de un sistema de transportador móvil de materiales cohesivos. Un transportador de tornillo flexible desplaza una mezcla de cinco materiales, incluyendo carbonato de calcio, dióxido de titanio en polvo, dos talcos de flujo semi-libre y resina de flujo libre para un productor estadounidense de pinturas de carrocería del mercado secundario. Los materiales son particularmente difíciles de transportar debido a una diversidad de densidades a granel, 260-740 kg/m3 (16-46 lb/pie3) y características de flujo que varían entre flujo libre y flujo difícil. La compañía reemplazó el volcado manual de sacos por un transportador de tornillo flexible portátil con una longitud de 3 m (10 pies) y un ángulo de 45° montado sobre un carro con alimentador de tolvas y colector de polvo integrales. El diseño del tornillo diseñado especialmente permite que el sistema funcione a lo largo de una amplia gama de materiales. El alimentador de tolvas se diseñó con paredes inclinadas y otras funcionalidades geométricas benéficas. Los dispositivos de promoción de flujo combinado con ángulos correctos de flujo evitan la formación de puentes ya que dirigen el material hacia la pared posterior y hacia abajo en el transportador. Los adaptadores de interfaces del transportador cuentan con paredes verticales a fin de mantener el flujo del material. Las pruebas de alimentación en un equipo de tamaño natural fueron parte integral del éxito del diseño.
Partículas ultra finas
Los transportadores mecánicos poseen una ventaja con respecto al transporte neumático de materiales ligeros o polvosos debido a que las partículas finas pueden dificultar la operación de los filtros en los receptores de filtros.
Algunos materiales finos tienden a fluidizarse; por ejemplo, la sílice pirógena (dióxido de sílice sintético y amorfo) es ligera y plumosa, con una densidad aparente de sólo 40-50 kg/m3 (2.5-3 lb/pie3 ) y un tamaño de partícula muy pequeño (0.2-0.3 micrones). No sólo es propensa al empolvoramiento sino que puede fluidizarse, adoptando ciertas características de un líquido, lo que la vuelve un material particularmente difícil de transportar. Un tornillo diseñado correctamente con superficies planas elevadas y algunas otras modificaciones elevarán las partículas lo que restringirá la capacidad del material a fluidizarse. Las estaciones de volcado de sacos para tales materiales finos deben equiparse con colectores internos de polvo, incluyendo cartuchos de filtro y limpieza del filtro mediante chorro de pulsación.
Muchos pigmentos están compuestos de partículas menores a las 5 micras y aunque las densidades aparentes varían, materiales como dióxido de titanio, óxido de hierro y negro de carbón comparten una tendencia a apiñarse. A fin de evitar que un transportador sufra con este material, el tornillo del transportador ideal debería contar con una geometría que distribuya las fuerzas dentro del transportador con el objeto de reducir la compresión.
Los transportadores de tornillo flexible reducen la fluidización y la aeración de materiales a granel ligeros mediante el uso de elementos de diseño adecuados. Por ejemplo, la tierra diatomácea (DE), un material polvoso y seco que se compone de partículas de forma irregular de 5-25 micras, con una densidad aparente típica de 164-260 kg/m3 (10-16 lb/pie3 ), tiende a formar puentes y cavernas en los alimentadores de tolvas y a fluidizarse durante el transporte. Los transportadores de tornillo flexible para estos materiales están diseñados generalmente a fin de combatir la aeración, con un tornillo espiral ancho y plano que ofrece una superficie de transporte más ancha con fuerza positiva de avance y mínima fuerza radial.
Materiales frágiles y friables
Las pruebas resultan particularmente importantes en los casos de partículas frágiles o friables que deben transportarse sin romperse. La acción auto-centrable del tornillo flexible de rotación puede mantener un espacio amplio entre el tornillo y las paredes de tubos para eliminar o reducir daños al producto.
Materiales abrasivos
Los transportadores de tornillo flexible son adecuados para materiales abrasivos; en primer lugar, debido a la facilidad de mantenimiento resultante del diseño que no utiliza rodamientos internos y sólo un componente móvil que hace contacto con el material. Por ejemplo, el bórax anhidro es abrasivo, pero ligero y esponjoso, con una densidad aparente de 760 kg/m3 (47.6 lb/pie3) y un tamaño de partícula de 200 mallas (74 micras). Puede transportarse mediante un transportador de tornillo flexible con un tornillo de alambre plano de uso rudo para que soporte la abrasión del producto. La superficie plana de transporte reduce la fuerza radial a fin de disminuir la fricción y el desgaste de la pared del transportador. De ser necesario, el torno flexible puede desmontarse para efectos de inspección o reemplazo con mínima interrupción.
Diversas mezclas
Un transportador de tornillo flexible diseñado correctamente evita la separación de mezclas a todo lo largo del transportador, sin importar las diferencias en las características de flujo, densidad aparente o tamaño de las partículas; en tanto que los transportadores neumáticos u otros tipos de transportadores mecánicos ocasionan la separación de mezclas durante el transporte. Por ejemplo, una importante compañía de especias cuenta con más de 8,000 diferentes recetas, cada una consta de una mezcla de 1 a 25 ingredientes, con tamaños de partículas que varían entre 100 mallas (150 micras) hasta 0.25 pulg (6.4 mm). La compañía intentó utilizar un transportador neumático, el cual ocasionó que los productos mezclados se separaran, además de un transportador de cangilones y un transportador de tornillo sinfín rígido, ambos difíciles de limpiar. La compañía descubrió que los transportadores de tornillo flexible no separaban las mezclas ni dañaban las especias, muchas de las cuales eran frágiles y ahora opera 15 transportadores de tornillo flexible, los cuales trabajan diariamente (Figura 7). Un tapón desmontable de limpieza a la entrada de cada tubo permite invertir el tornillo a fin de evacuar por completo el tubo para facilitar la limpieza.
En conclusión, los transportadores de tornillo flexible son ideales para el transporte de muchos materiales difíciles de manejar. La realización de pruebas cuidadosas y la aportación experta constituyen elementos clave del diseño correcto.
Referencias
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Figura 1. Sistema de transportador de tornillo flexible — Los sistemas de transportadores de tornillo flexible diseñados correctamente pueden transportar materiales a granel de flujo libre y de flujo difícil en cualquier ángulo, a través de orificios pequeños en paredes o techos. Los tornillos y tubos de ciertos diseños pueden doblarse debajo, sobre o alrededor de obstrucciones, lo que elimina la necesidad del enrutamiento exacto del transportador.
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Figura 2. Tornillos flexibles — La geometría de los tornillos flexibles pueden diseñarse para optimizar la eficiencia de los materiales a granel de flujo libre, así como los de flujo difícil, incluyendo mezclas compuestas de ingredientes que tienden a separarse.
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Figura 3. Restricciones de flujo en contenedores y tolvas — La formación de cavernas (izquierda) describe un vacío irregular en forma de túnel a través del material estancado en el recipiente. La formación de puentes (derecha), también conocida como formación de arcos o domos, describe un área vacía en la salida del recipiente. Tanto la formación de cavernas como de puentes impiden por completo el flujo del material.
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Figura 4. Unidad móvil de volcado — transporte de sacos. — Este sistema móvil y autónomo de volcado y transporte de sacos sin polvo mueve ingredientes adhesivos de diferentes características de flujo y densidades aparentes.
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Figura 5. Equipo de prueba de tamaño natural — Un productor de sellador necesita transportar una diversidad de ingredientes desde el piso principal a dos dispensadores de alta velocidad en un entrepiso alto de 3 m (10 pies). Con la finalidad de desplazar satisfactoriamente los materiales difíciles de transportar se necesitó aplicar pruebas de la estación de volcado de sacos y la tolva con tornillos flexibles de tamaño natural de diversos diámetros, longitudes y geometrías, a varias inclinaciones y velocidades rotacionales.
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Figura 6. Micrograma electrónico de sílice pirógena a una ampliación de 100,000 veces — Con una densidad aparente de 40-50 kg/m3 (2.5-3 lb/pies3), la sílice pirógena es un polvo ultra ligero, su morfología de partícula eslabonada contribuye a que una de sus características sea la dificultad en su manejo.
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Figura 7: Múltiples transportadores de tornillo flexible — Los transportadores de tornillo flexible pueden evitar la degradación del producto y la separación de mezclas compuestas de materiales que poseen diversos tipos de partículas y características de flujo.
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Materiales difíciles de manejar — Los transportadores de tornillo flexible pueden diseñarse para manejar una amplia variedad de materiales a granel con diversas propiedades físicas y características de flujo como las mencionadas anteriormente.
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