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Movimiento de materiales difíciles demanejar mediante transportadores detornillo flexible

T-0934

Figura 1. Sistema de transportador de tornilloflexible — Los sistemas de transportadores detornillo flexible diseñados correctamente puedentransportar materiales a granel de flujo libre yde flujo difícil en cualquier ángulo, a través deorificios pequeños en paredes o techos. Lostornillos y tubos de ciertos diseños puedendoblarse debajo, sobre o alrededor deobstrucciones, lo que elimina la necesidad delenrutamiento exacto del transportador.

Figura 2. Tornillos flexibles — La geometría delos tornillos flexibles pueden diseñarse paraoptimizar la eficiencia de los materiales a granelde flujo libre, así como los de flujo difícil,incluyendo mezclas compuestas de ingredientes quetienden a separarse.

Movimiento de materiales difíciles demanejar mediante transportadores detornillo flexibleLos sistemas de transportadores de tornillo flexible están diseñados paratransportar materiales a granel que tienden a apiñarse, incrustarse,embarrarse, separarse o fluidizarse, además de que pueden evitar laseparación de productos mezclados.

Los transportadores de tornillo flexible (Figura 1) son ideales para la mayoríade los materiales a granel, desde sub-micras de polvos hasta gránulosgrandes, tanto de flujo libre como de flujo difícil. Son capaces de transportarmateriales a granel en cualquier ángulo — sobre obstrucciones o debajo de lasmismas y a través de orificios pequeños en paredes o techos. Entre susventajas figuran su construcción simple, mínimos requisitos de espacio,confiabilidad de operación y mayor economía. Aunque métodos de transportealternativos puedan ser preferibles debido a los parámetros de aplicación deun proyecto, este artículo se limita específicamente a un análisis de lostransportadores de tornillo flexible en relación con materiales que representanun problema para efectos de transporte.

Ingeniería aplicable a materiales difíciles de transportar

Al momento de diseñar un transportador de tornillo flexible para materialesdifíciles de manejar, es necesario establecer las características físicas, laspropiedades de flujo, la temperatura, el contenido de humedad, los peligrosinherentes y el grado de degradación permisible del material, así como lafuente y el destino del material, la velocidad de transporte, la distancia, losrequisitos de limpieza, la distribución de la planta y la economía. Laexperiencia dicta que los transportadores de tornillo flexible son adecuadospara:

• Materiales cohesivos• Partículas ultrafinas• Materiales frágiles o friables• Materiales abrasivos• Materiales que se fluidizan• Productos mezclados de diversos tamaños de partículas y propiedades delmaterial a granel

Una advertencia para el ingeniero de la planta: las características de flujo deun material a granel transportado en circunstancias únicas no siemprepueden predecirse con exactitud suficiente a fin de garantizar el rendimientoexitoso; en estos casos, reviste suma importancia la simulación de lascondiciones de la planta en un transportador de tamaño completo dentro deuna instalación de prueba usando el material real del comprador.

El flujo eficiente de un material a granel por medio de un sistema de transportede material a granel tiene lugar generalmente en función de las propiedadesfísicas del material, pero pueden afectarlo factores externos como humedaddel ambiente y niveles de temperatura, así como el diseño del equipo dondeestá contenido. Aunque ciertos parámetros del material, como "ángulo dereposo", pueden determinarse mediante la evaluación de una muestra delmaterial en un laboratorio, estas pruebas de condiciones controladas nopredicen necesariamente el comportamiento del flujo en sistemas deproducción a gran escala. Cuando se manejan enormes volúmenes de

Figura 3. Restricciones de flujo en contenedores ytolvas — La formación de cavernas (izquierda)describe un vacío irregular en forma de túnel através del material estancado en el recipiente.La formación de puentes (derecha), tambiénconocida como formación de arcos o domos, describeun área vacía en la salida del recipiente. Tantola formación de cavernas como de puentes impidenpor completo el flujo del material.

Figura 4. Unidad móvil de volcado — transporte desacos. — Este sistema móvil y autónomo devolcado y transporte de sacos sin polvo mueveingredientes adhesivos de diferentescaracterísticas de flujo y densidades aparentes.

materiales bajo diversas condiciones, la capacidad de flujo del material agranel no puede determinarse por completo solamente por las característicasfísicas, como densidad a granel, tamaño y forma de partículas, capacidad decompresión o resistencia cohesiva.

Por lo tanto, al momento de diseñar un transportador de tornillo flexible, elingeniero debe considerar no sólo las propiedades físicas y las característicasde flujo del material, sino también la manera en que estas característicassufrirán efectos por las condiciones reales en la planta y el diseño de losequipos:

• ¿El material es de flujo libre, semi-libre o de flujo difícil? — ¿el equipo se hadiseñado con los dispositivos de promoción de flujo y la geometría de tolvasadecuados?• ¿Es higroscópico y cuánta humedad es probable que haya en el ambiente dela 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 sevean perjudicados?• ¿Es abrasivo?• ¿Es una mezcla de diversos tipos y tamaños de partículas que debenpermanecer homogéneos durante el transporte?• ¿Forma puentes o domos en los recipientes de almacenamiento o esproclive a la formación de "cavernas"?• ¿Tiende a airearse o fluidizarse cuando se maneja?

Con las respuestas a estas preguntas prácticas, además de pruebas en unsistema de tamaño normal, si se requieren, entonces puede predecirse elrendimiento de un sistema de transporte para efectos de un material a granelespecífico en el entorno único de una planta.

Geometría del tornillo

La geometría del tornillo flexible es esencial para fines del rendimiento. Lostornillos varían desde cables redondos que generan fuerzas radialesrelativamente elevadas hasta tornillos planos que crean una fuerzadireccional comparativamente mayor (Figura 2). Esta diferencia en la maneraen que las fuerzas están distribuidas dentro del transportador permite que elrendimiento del sistema se optimice con base en las propiedades de unmaterial determinado. Por ejemplo, debido a una fuerza direccional másgrande, un diseño plano se adapta mejor que un diseño redondo para polvosmás ligeros que tienden a fluidizarse. De igual manera, se encuentrandisponibles variantes de estas dos geometrías básicas de tornillos. Porejemplo, los tornillos planos con bordes externos biselados disponibles enuna variedad de diseños personalizados y exclusivos, distribuyen las fuerzasdentro del transportador de modo ligeramente diferente que un diseño nobiselado. Esta variante permite una transferencia eficiente de materiales queprovocan problemas con otros diseños. Otra variante empleada en ocasionescon materiales a granel de alta densidad es una versión de trabajo pesado deuno de los tipos de tornillos básicos. Los materiales de construcción y losniveles de acabado son específicos para la aplicación, con tornillos de aceropara 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

Figura 5. Equipo de prueba de tamaño natural — Unproductor de sellador necesita transportar unadiversidad de ingredientes desde el piso principala dos dispensadores de alta velocidad en unentrepiso alto de 3 m (10 pies). Con la finalidadde desplazar satisfactoriamente los materialesdifíciles de transportar se necesitó aplicarpruebas de la estación de volcado de sacos y latolva con tornillos flexibles de tamaño natural dediversos diámetros, longitudes y geometrías, avarias inclinaciones y velocidades rotacionales.

Figura 6. Micrograma electrónico de sílicepirógena a una ampliación de 100,000 veces — Conuna densidad aparente de 40-50 kg/m³ (2.5-3lb/pies³), la sílice pirógena es un polvo ultraligero, su morfología de partícula eslabonadacontribuye a que una de sus características sea ladificultad en su manejo.

con accesorios para alimentación y descarga de materiales a granel. Puedenincluirse descargadores de supersacos o estaciones manualede supersacoscon recoleccións de polvo neumática; alimentadores de tolvas con o sindispositivos de promoción de flujo como vibradores neumáticos o agitadoresmecánicos; sistemas de procesamiento por lotes con pesaje para efectos deun control preciso de la dosificación; equipos de descarga como llenadores desupersacos; y sistemas de control.

El diseño del alimentador de tolvas es fundamental al momento de especificarun sistema de transporte de materiales con productos de bajo flujo ya que lacapacidad de rendimiento de cualquier transportador está limitada a lavelocidad a la cual fluirá el material al área de recolección del transportador.La tensión de cortadura creada por fuerzas gravitacionales y dispositivos depromoción de flujo debe ser suficiente para superar las fuerzas cohesivasestáticas entre las partículas sólidas. De no ser así, algunas partículas en elrecipiente permanecerán estacionarias y el resultado será la formación de"cavernas" o "puentes" (Figura 3). La restricción resultante de flujo puedelimitar los procesos de flujo descendente debido a la alimentación insuficienteu ocasionar inundación del contenedor si el material entra más rápido de loque puede salir.

Los problemas ocasionados por la formación de cavernas incluyen pérdida dela capacidad de compensación efectiva en el alimentador de tolvas, menorrendimiento del sistema y tiempo adicional requerido por un operador si elproducto estático necesita limpiarse manualmente fuera de la tolva. Elprincipal problema provocado por la formación de puentes (también conocidacomo formación de arcos o domos) es que una vez que se forma el puente, elflujo del material se detiene esencialmente, lo que exige un paro del procesomientras se retira el material.

Los alimentadores de tolvas para materiales que pueden formar cavernas opuentes deben diseñarse con la geometría correcta y paredes con elsuficiente declive para promover el flujo, además pueden incorporarsedispositivos como vibradores o fluidizadores de aire para desalojar el materialde 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 delatascamiento de partículas, el cual puede ser ocasionado por reaccionesquímicas, derretimiento parcial, endurecimiento de la ligadura o cristalizaciónde sustancias disueltas; adhesión o cohesión de partículas conjuntadas pordeformación mecánica; fuerzas de atracción electrostáticas o magnéticas;fuerzas de entrelazamiento resultantes de formas irregulares de partículas; ocontenido de humedad, aceite o grasa.

La humedad resulta particularmente problemática en materiales higroscópicoscomo cloruro de magnesio. Puesto que el agua es absorbida por laatmósfera circundante, los materiales de flujo relativamente libre puedenempezar a aglomerarse. En casos extremos, grandes volúmenes de estostipos de materiales se solidifican, formando grandes masas de material quepueden impedir el flujo o inmovilizar componentes móviles de los equipos.Puesto que los transportadores de tornillo flexible están completamentecerrados, es posible mantener los niveles de temperatura y humedad delproducto. Los equipos de flujos ascendentes y descendentes comollenadores de supersacos, descargadores de supersacos, alimentadores detolvas, cribas, mezcladoras y recipientes de descarga también puedendiseñarse para que sean herméticos al aire.

Figura 7: Múltiples transportadores de tornilloflexible — Los transportadores de tornilloflexible pueden evitar la degradación del productoy la separación de mezclas compuestas demateriales que poseen diversos tipos de partículasy características de flujo.

Aunado a lo anterior, los materiales con alto contenido de grasa como mezclasde pasteles, fluyen generalmente de manera difícil, al igual que materialescomo óxido de zinc y dióxido de titanio, los cuales son cohesivos ycompresibles por naturaleza, lo que los convierte en buenos candidatos paratransportadores de tornillo flexible.

Un ejemplo de la industria de pinturas y recubrimientos demuestra el diseñode un sistema de transportador móvil de materiales cohesivos. Untransportador de tornillo flexible desplaza una mezcla de cinco materiales,incluyendo carbonato de calcio, dióxido de titanio en polvo, dos talcos de flujosemi-libre y resina de flujo libre para un productor estadounidense depinturas de carrocería del mercado secundario. Los materiales sonparticularmente difíciles de transportar debido a una diversidad de densidadesa granel, 260-740 kg/m³ (16-46 lb/pie³) y características de flujo que varíanentre flujo libre y flujo difícil. La compañía reemplazó el volcado manual desacos 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 detolvas y colector de polvo integrales. El diseño del tornillo diseñadoespecialmente permite que el sistema funcione a lo largo de una amplia gamade materiales. El alimentador de tolvas se diseñó con paredes inclinadas yotras funcionalidades geométricas benéficas. Los dispositivos de promociónde flujo combinado con ángulos correctos de flujo evitan la formación depuentes ya que dirigen el material hacia la pared posterior y hacia abajo en eltransportador. Los adaptadores de interfaces del transportador cuentan conparedes verticales a fin de mantener el flujo del material. Las pruebas dealimentación en un equipo de tamaño natural fueron parte integral del éxitodel diseño.

Partículas ultra finas

Los transportadores mecánicos poseen una ventaja con respecto al transporteneumático de materiales ligeros o polvosos debido a que las partículas finaspueden 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 densidadaparente de sólo 40-50 kg/m³ (2.5-3 lb/pie³ ) y un tamaño de partícula muypequeño (0.2-0.3 micrones). No sólo es propensa al empolvoramiento sinoque puede fluidizarse, adoptando ciertas características de un líquido, lo quela vuelve un material particularmente difícil de transportar. Un tornillodiseñado correctamente con superficies planas elevadas y algunas otrasmodificaciones elevarán las partículas lo que restringirá la capacidad delmaterial a fluidizarse. Las estaciones de volcado de sacos para talesmateriales finos deben equiparse con colectores internos de polvo, incluyendocartuchos de filtro y limpieza del filtro mediante chorro de pulsación.

Muchos pigmentos están compuestos de partículas menores a las 5 micras yaunque las densidades aparentes varían, materiales como dióxido de titanio,óxido de hierro y negro de carbón comparten una tendencia a apiñarse. A finde evitar que un transportador sufra con este material, el tornillo deltransportador ideal debería contar con una geometría que distribuya lasfuerzas dentro del transportador con el objeto de reducir la compresión.

Los transportadores de tornillo flexible reducen la fluidización y la aeración demateriales a granel ligeros mediante el uso de elementos de diseñoadecuados. Por ejemplo, la tierra diatomácea (DE), un material polvoso yseco que se compone de partículas de forma irregular de 5-25 micras, con

Materiales difíciles de manejar — Lostransportadores de tornillo flexible puedendiseñarse para manejar una amplia variedad demateriales a granel con diversas propiedadesfísicas y características de flujo como lasmencionadas anteriormente.

una densidad aparente típica de 164-260 kg/m³ (10-16 lb/pie³ ), tiende aformar puentes y cavernas en los alimentadores de tolvas y a fluidizarsedurante el transporte. Los transportadores de tornillo flexible para estosmateriales están diseñados generalmente a fin de combatir la aeración, conun tornillo espiral ancho y plano que ofrece una superficie de transporte másancha con fuerza positiva de avance y mínima fuerza radial.

Materiales frágiles y friables

Las pruebas resultan particularmente importantes en los casos de partículasfrágiles o friables que deben transportarse sin romperse. La acciónauto-centrable del tornillo flexible de rotación puede mantener un espacioamplio entre el tornillo y las paredes de tubos para eliminar o reducir daños alproducto.

Materiales abrasivos

Los transportadores de tornillo flexible son adecuados para materialesabrasivos; en primer lugar, debido a la facilidad de mantenimiento resultantedel diseño que no utiliza rodamientos internos y sólo un componente móvilque hace contacto con el material. Por ejemplo, el bórax anhidro es abrasivo,pero ligero y esponjoso, con una densidad aparente de 760 kg/m³ (47.6lb/pie³) y un tamaño de partícula de 200 mallas (74 micras). Puedetransportarse mediante un transportador de tornillo flexible con un tornillo dealambre plano de uso rudo para que soporte la abrasión del producto. Lasuperficie plana de transporte reduce la fuerza radial a fin de disminuir lafricción y el desgaste de la pared del transportador. De ser necesario, eltorno flexible puede desmontarse para efectos de inspección o reemplazo conmínima interrupción.

Diversas mezclas

Un transportador de tornillo flexible diseñado correctamente evita laseparación de mezclas a todo lo largo del transportador, sin importar lasdiferencias en las características de flujo, densidad aparente o tamaño de laspartículas; en tanto que los transportadores neumáticos u otros tipos detransportadores mecánicos ocasionan la separación de mezclas durante eltransporte. Por ejemplo, una importante compañía de especias cuenta conmás de 8,000 diferentes recetas, cada una consta de una mezcla de 1 a 25ingredientes, con tamaños de partículas que varían entre 100 mallas (150micras) hasta 0.25 pulg (6.4 mm). La compañía intentó utilizar untransportador neumático, el cual ocasionó que los productos mezclados sesepararan, además de un transportador de cangilones y un transportador detornillo sinfín rígido, ambos difíciles de limpiar. La compañía descubrió quelos transportadores de tornillo flexible no separaban las mezclas ni dañabanlas especias, muchas de las cuales eran frágiles y ahora opera 15transportadores de tornillo flexible, los cuales trabajan diariamente (Figura 7).Un tapón desmontable de limpieza a la entrada de cada tubo permite invertirel tornillo a fin de evacuar por completo el tubo para facilitar la limpieza.

En conclusión, los transportadores de tornillo flexible son ideales para eltransporte de muchos materiales difíciles de manejar. La realización depruebas cuidadosas y la aportación experta constituyen elementos clave deldiseño correcto.

Referencias

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